这篇文章就让我们总结一下塑料在登月中的作用,并从塑料应用的角度简要回顾一下阿波罗11号……或许在中国的登月项目中,已经有我们同行的产品在进行研发了!
阿波罗11号于1969年7月16日从美国佛罗里达州肯尼迪航天中心发射,人类首次于1969年7月20日登上月球,并于1969年7月24日返回地球。
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太空服和装备
▲ 联合碳化物公司的材料(现为索尔维)用于阿波罗11号任务,首次将人类送上月球。
Udel PolySUlfone (PSU)聚合物于1965年开发出来,正好用于制造巴兹·奥尔德林 (Buzz Aldrin) 和尼尔·阿姆斯特朗 (Neil Armstrong) 踏上月球时所穿的太空服的外部头盔护目镜。Udel PSU 是首选材料。它是一种坚韧透明的塑料,可以抵抗极高的温度。
▲ GE Plastics(现为SABIC)Lexan 100 紫外线稳定级聚碳酸酯(PC)由 Swedlow Plastics(现为 Pilkington Brothers/日本NSG所有)模塑,用于头盔内芯。
核心PC头盔内有一个白色 Temper(即将成为 Tempur Pedic,如当今的床垫使用)开孔聚氨酯硅塑料泡沫缓冲垫,它采用压印物体的形状,但即使在压缩90%后也会恢复其原始形状压缩,由NASA(美国国家航空航天局)艾姆斯研究中心于20世纪60年代开发,并由瑞典研究人员改进。
舱外聚砜面罩组件(左);
带白色回火聚氨酯硅泡沫缓冲的聚碳酸酯压力头盔 (中);
尼尔·阿姆斯特朗月球漫步(右)
月球宇航服的设计目的是为宇航员在舱外活动期间或在不加压的航天器运行期间 提供维持生命的环境。它们具有最大的灵活性,并且设计为与液体冷却服一起穿着长达115小时,相对舒适。如有必要,它们还可以在不加压模式下佩戴14天。由于阿波罗宇航员必须在月球上行走以及在太空中飞行,因此开发了一套带有月球行走附加装置的宇航服。
阿波罗11号的太空服由以下部分组成:
· 水冷杜邦(现英威达,科赫工业)尼龙纤维内衣。
· 多层压力服:
内层- 轻质杜邦(现为英威达、科氏工业)尼龙,带织物通风孔;
中间层——杜邦氯丁橡胶涂层尼龙布,可承受压力;
外层- 杜邦(现为英威达、科赫工业)尼龙织物,用于限制下方的加压层。
· 五层镀铝杜邦聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 聚酯薄膜与四层杜邦(现为英威达、科氏工业)涤纶聚酯纤维交织在一起,用于热保护。
· 两层杜邦 Kapton聚酰亚胺薄膜提供额外的热保护。
· 一层杜邦聚四氟乙烯 (PTFE) Teflon™ 涂层布(不易燃),可防止刮擦。
· 一层白色杜邦 Teflon™ 布(不易燃)。
阿波罗11号太空服面料材料叠层
此套装还配有靴子、手套、通讯帽和透明塑料头盔。升空过程中,宇航服的氧气和冷却水由飞船提供。为了在月球上行走,宇航服还补充了:
一双防护套靴;
指尖为橡胶的手套;
一套戴在头盔上的过滤器/面罩,以防止阳光照射;
便携式生命维持背包,内含氧气、二氧化碳去除设备和冷却水。
太空服和背包在地球上重180磅,但在月球上只有30磅。阿姆斯特朗在月球表面留下的脚印里,鞋底是用聚酯氨泡沫包裹三维的管状尼龙纤维结构制成的缓震复合材料,可以在吸收压力之后进行回弹,因为具有优秀的缓震性能,被用到了宇航员们的登月靴子上。
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登月模块 (LEM)
登月舱(LEM)是阿波罗计划中使用的运输工具,用于在月球轨道上的指挥舱和月球表面之间运送两名宇航员。月球轨道交会消除了将整个阿波罗航天器从地球轨道直接上升飞行路径降落在月球上的需要,从而使更轻的燃料装载成为可能。九架LEM在阿波罗计划期间飞行,六架登陆月球。
两级LEM由格鲁曼飞机工程公司根据与美国国家航空航天局 (NASA)签订的价值16亿美元(相当于今天的190亿美元)的合同设计和建造。
LEM 的一部分被包裹在多层镀铝杜邦Kapton聚酰亚胺 (PI) 薄膜中。根据使用场所的不同,外层的颜色可能是黄色、银色或琥珀色,一般呈“金箔”状。
这种隔热的原因是,在地球与太阳的距离间,航天器的主要热控制问题是防止过热。
如果没有隔热层,物体在阳光下会加热到约250°F,在阴凉处会冷却到约-250°F。
隔热层阻挡了大部分太阳热量,并在较小程度上减缓了热量向太空的散失。这使得航天器可以通过调节水升华器来消除机载设备产生的热量来控制温度——不需要加热。
绝缘体被故意用手弄皱,以尽量减少层间可能泄漏的接触点。
与所有LEM 组件一样,减重是一个很大的特点——薄膜毯比更坚固的隔热罩轻得多。此外,至关重要的是,这种绝缘材料用于防止辐射穿透和流星撞击
LEM 的塑料绝缘技术与宇航服绝缘部件非常相似。
杜邦 Kapton 聚酰亚胺 (PI) 薄膜外部绝缘 LEM (L);内部 LEM PI 绝缘 (C);Kapton PI 薄膜绝缘层 (R)
格鲁曼公司和赫拉克勒斯粉末公司(现为阿什兰)采用硼/石墨环氧复合材料制造的四个登月舱支柱是在20世纪60年代末设计的,作为月球着陆器底座腿插入物,以减轻重量,同时保持远优于铝的高强度,钛或钢。
*硼/石墨环氧复合材料
硼(AVCO 特种材料)
石墨(联合碳化物公司、陶氏化学公司,现为土耳其 AKSA Fibers;Courtaulds,现为香港 PD Enterprise Ltd.)
环氧树脂(Ciba Geigy,后为 Huntsman)复合材料
由于1967年1月27日发生的灾难性LEM火灾导致三名宇航员死亡,NASA 重新开始使用更重但更安全的金属替代品,而不是被视为易燃威胁的释气复合材料。他们最终在阿波罗11号上使用了带有铝制蜂窝挤压室的铝制支柱。
这些硼/石墨-环氧树脂复合材料在阿波罗14号至17号最后一次登月飞行中作为轻质腿部支柱插入物出现。
这些圆柱形嵌件是通过使用长丝缠绕的交叉层和纵向带层对金属管状阴模内的尼龙袋加压而制造的。
至今仍在使用的圆柱形复合管灌注工艺是由Don Rosato 在格鲁曼航空航天公司传奇复合材料工程师兼首席材料科学家George Lubin的指导下发明的。
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返回舱隔热烧蚀表面
抛弃登月舱后,阿波罗飞船准备通过受控下降进入太平洋返回家园。
飞船表面的温度升至5,000°F,但隔热罩保护了飞船的内部结构。隔热罩是烧蚀性的,这意味着它被设计为在加热时熔化并侵蚀远离飞船。
从地面上看,飞船似乎在下降过程中着火了。事实上,烧蚀覆盖物可以保证返回舱内宇航员的安全——这种材料在蒸发时将热量转移出去。
使用填缝枪将大约 1,000 磅的增强石棉酚醛和玻璃酚醛复合材料(AVCO特种材料,现为德事隆系统;美国氰酰胺,现为索尔维)小心地层压在飞船的再入表面上。
阿波罗11号毕竟是50多年前的登月项目,半个世纪过去,高性能塑料也得到了突飞猛进的发展,在月球探索中的前景也越发可观。
在我国的嫦娥探月工程中,仅围绕嫦娥五号,上海硅盐酸研究所就承担了热控涂层、高温抗氧化涂层、高温隔热屏、发动机包覆材料、柔性薄膜控涂层及组件、耐烧蚀天线透波窗,以及大尺寸二氧化碲晶体、压电陶瓷等关键材料的研制。针对海南文昌“高温、高湿、高盐”发射环境,金属研究所经大量尝试及优化,研制出满足新环境的镁合金防腐导电性镀层。中国航天科技集团第八研究院上海复合材料科技有限公司提供了星载高精度高稳定碳纤维复合材料相机框架制造及应用技术制成的星载相机框架。
目前,中国、美国、欧盟、印度都在尝试进行月球开发及深空探索,相信这会成为改性塑料未来发展的机遇!

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