摘要
随着我国首次月球采样返回和火星探测器“天问一号”任务的圆满完成，我国深空探测进入了新的发展阶段。本文首先对我国深空探测的现状和发展趋势进行了分析，进而对深空探测面临的极端温度、强太阳电磁辐射、强粒子辐射、尘与尘暴、酸性大气等环境及对深空探测任务的影响进行了梳理，进而从材料及结构的轻量化、高效热控制、可靠的辐射防护与抗辐射能力、提供可持续的能源、具有较强的耐腐蚀性能、具有较好抗尘与尘暴损伤性能、在轨组装与制造等角度梳理了深空探测对航天材料与工艺的需求，最后从轻质结构机构材料、高效热控制材料、组合辐射防护及耐辐射材料、耐腐蚀材料、耐尘与尘暴材料、高可靠能源材料、3D/4D打印技术等方面给出了深空探测材料与工艺的发展方向。
随着人类的科技进步和经济发展，世界大国尤其是航天大国纷纷进一步开展针对深空的探测活动，其重要意义在于：一是可以进一步认识宇宙奥秘，追寻生命起源；二是促进国家的经济、政治和军事的进步；三是推动以新学科、新材料、新工艺、新技术等为代表的科技进步；四是激发与培养人类的创新能力，推动人类社会的可持续发展。
到目前为止，深空探测经历了两次高潮：一是在1958~1976年间以美苏空间竞赛为代表的第一波深空探测活动，取得了月球无人取样返回和阿波罗登月的伟大成就；二是1989年至今，以美国提出太空探测初步行动计划和人类重返月球为标志，拉开了第二次月球和深空探测活动高潮的序幕，除美国、俄罗斯之外，中国、欧空局、日本、印度为代表的航天强国及航天大国，均将开展以月球探测或重返月球以及火星、金星、小行星等探测列入重点任务规
图1 美国载人登月和火星探测规
Fig.1 American’s Moon to Mars Timelin
2020年前后，国内外在深空探测上取得了突破性的进展。2020年12月17日，我国“嫦娥五号”成功实现了月球背面软着陆和月球取样返回。2021年2月9日，阿联酋的“希望号”火星探测器也开始对火星开展环绕和大气成分探测。2021年2月18日，美国“毅力号”火星探测器在火星表面成功着陆，也是美国的第10次火星探测。2021年5月15日，我国“天问一号”火星探测器在实现绕火探测后又实现了火星表面的软着陆并开展巡视探测，取得了深空探测又一里程碑。未来，我国将进一步开展地内行星、地外行星、小行星等深空探测以及载人深空探测任
然而，不同于地球轨道的太空探测和短期深空探测任务，我国未来的深空探测任务必将面临大体积、长寿命、高可靠的要求，尤其是长周期任务必然带来更加复杂恶劣的太空环境如长期极端温度（高温或低温以及高低温循环）环境、强辐射环境、酸性大气环境、尘与尘暴环境等，这将对航天器及探测任务带来更加严酷的空间环境影响，对深空探测器的材料和工艺带来新的挑战和新的需
本文在对我国深空探测现状和发展趋势分析的基础上，系统总结深空环境对航天器的影响，进而分析深空探测任务对航天材料及工艺的需求。
当前，我国的深空探测取得了突破性的进展，总体概括起来为：实现了月球探测“绕”、“落”、“回”三步走的伟大目标，实现了火星探测的软着陆和火星表面行走，以及对小行星图塔蒂斯的临近飞行探测。
我国月球探测的目标分为三个阶
2007年10月24日，我国深空探测首个探测器“嫦娥一号”成功发射并实现在200 km环月轨道上绕月飞行，圆满实现我国探月一期工程的任务目
2010年10月1日，“嫦娥二号”卫星成功发射，并在100 km环月轨道上对全月球进行高精度立体成像和15 km的近月轨道对“嫦娥三号”预选着陆区进行了详
2020年11月24日，“嫦娥五号”卫星成功发射，并于当年12月1日实现月球正面预选区着陆；12月2日，完成了月球钻取采样和封装，以及月面采样和封装；12月17日，“嫦娥五号”返回器顺利返回地球。这标志着我国探测三期任务取得了圆满成功。
深空探测一直是我国航天事业的一项重要工作方向，我国也一直持续开展相关技术攻关工
图2 我国首次火星任务“中国印迹”发布
Fig.2 Image of China’s first mission to Mars-"Chinese Imprint
“天问一号”任务实现了我国航天发展史上的6个首
2011年8月，“嫦娥二号”卫星飞抵距地1.5×1
图3 “嫦娥二号”拍摄的图塔蒂斯小行星光学影像
Fig.3 Optical image of Tuatatis asteroid taken by "Chang'e-2
随着深空探测的推进，各国载人深空探测逐渐提上日
在2021年6月12日的国家航天局举办新闻发布会上，我国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥表示我国将进行火星取样返回和木星系探测。2021年6月17日，在国务院新闻办新闻发布会上，国家航天局副局长、探月工程副总指挥吴艳华表示我国的小行星探测、火星取样返回、木星系探测等工程任务也将按计划陆续实施。
2019年4月19日，国家航天局首次发布了《小行星探测任务有效载荷和搭载项目机遇公告
2020年7月29日，国家航天局等七部门又发布《关于开展嫦娥七号和小行星探测科普试验载荷创意设计征集活动的通知
深空探测任务主要是对月球及月球以外的天体及其环境的探测。因此，深空探测任务主要包括月球和除地球以外的七大行星的探测，以及小行星和太阳系边缘的探测。与地球轨道航天器相比，深空探测任务可能会遭受更加恶劣的空间环境，并对航天器带来严重的威
深空环境的主要特征是充满了高能量的混合空间辐射场包括极高真空的环境、存在着太阳连续发射的电磁辐射、爆发性的高能粒子辐射、稳定的等离子体流（称太阳风）和极端的温度及温度交变
深空环境中存在着极端的温度及温度交变环境，如火星环境温度低于-125 ℃，月球表面温度为-183~127 ℃，而金星大气的最高温度则高达500 ℃，小行星海神探测器要求的工作温度范围从-180~100 ℃。不同星体的温度如
太阳电磁辐射是航天材料的主要威胁。基于距离太阳的远近，不同的星体获得太阳辐射的数量存在较大差异，这就造成了不同星体表面的太阳辐照度差别巨大，如
由
深空辐射环境，尤其是木星辐射环
图4 地球轨道≥1 MeV电子和≥10 MeV质子积分通量等高线
Fig.4 Contour of the fluence of electrons larger than 1 MeV and protons larger than 10 MeV in the orbit of Eart
图5 木星轨道≥1 MeV电子和≥10 MeV质子积分通量等高线
Fig.5 Contour of the fluence of electrons larger than 1 MeV and protons larger than 10 MeV in the orbit of Jupite
由
尘及尘暴是深空探测又一主要威胁。由“嫦娥五号”拍摄的图像也显示月面布满了尘土，如
图6 “嫦娥五号”着陆器和上升器组合体着陆后全景相机环拍成
Fig.6 Panoramic camera circle imaging of the "Chang'e-5" lander and ascender combination after landin
此外，在不同行星上还存在特殊的大气环境，如金星有极稠密的大气层，表面的大气压约为地球的90倍，主要成分是CO2（占97％以上）。火星上的大气稀薄，主要成分是CO2，约占95％，表面大气压为750 Pa。
深空探测所面临的极端环境包括金星、水星的极端温度，金星的酸性大气，月球和火星的尘与尘暴，木星和土星的强辐射，小行星及太阳系边缘长期探测所面临的长期辐射环境以及极端低温环境等将对探测器材料和工艺带来严峻挑战，造成其功能退化甚至失效。深空环境对航天器的影响如
未来深空探测任务具有周期长、质量大、体积大、环境恶劣、花费高等特点，尤其是载人深空探测，更将面临与航天员衣食住行相关的一系列问题，比如基地建设、能源获取与利用、着陆缓冲等。因此，深空探测任务对航天材料的性能和功能提出了一系列较高的需求。
基于深空探测任务的周期长、任务多、质量大、花费高、面临的环境恶劣等特点，在性能满足工程任务要求的前提下，希望所采用的材料具有较轻的质量，进而可以满足发射运载的需求和花费较低的费用。因此，对航天器结构材料提出了高性能、轻量化的需求。
热控制是航天器尤其是深空探测器非常重要的一项工作，尤其是地内行星和地外行星探测分别面临着极端高温和极端低温的环境，均需要具有较好的热防护和热控制，包括被动防热和主动热控制。这就要求航天器热控材料在深空极端环境下，仍然具有较好的防热特性或热控制性能。此外，还需要考虑深空再入过程中，可能面临的极端高温问题。
深空探测的辐射防护主要来自于三方面的需求：一是深空探测具有在轨周期长、累积辐射剂量大的特点；二是一些行星具有较地球更强的捕获辐射带，具有远比地球轨道恶劣的辐射环境，如木星辐射带；三是载人深空探测需要开展人的长期在轨辐射防护。因此，对长期深空探测任务，需要材料具有更好的辐射防护能力或者具有更强的耐辐射损伤能力。
基于深空探测的长周期和极端的太空环境，需要能够对深空探测器，尤其是长寿命探测器提供持续不断的能源。不论是核能源，还是光电转换能源，均需要开发新型高费效比能源材料，并对其能源装置和结构材料的在轨可靠性提出了较高的要求，以保证深空任务不因为能源不足而中断工作。
在地球的低地球轨道，原子氧具有较强的氧化性，需要对航天器外露材料的抗原子氧侵蚀性进行关注。而在深空探测任务中，有些行星轨道或星体表面具有腐蚀性气体，如金星表面具有SO2气体，可对航天器外露材料带来酸性腐蚀。针对有人参与的载人深空任务，航天员的长期参与可能带来细菌、潮湿等环境，这些环境具有一定的腐蚀性，也可以对载人深空舱内材料带来腐蚀。因此，要求相关任务的深空探测器外露材料具有较高的耐腐蚀性能。
除了小行星带或微流星体之外，某些星体表面具有尘和尘暴，如月球表面具有大量的月尘、火星表面具有火星尘和尘暴，可对深空探测器外露材料和器件带来严重威胁，也对深空航天员的外出行走用航天服材料带来严重威胁，可以造成材料及结构的摩擦磨损、卡死等，也可以造成关键光学材料或器件性能下降。因此，需要深空探测器或深空航天服的关键材料及其结构具有较好的抗尘及尘暴损伤的能力。
基于深空探测环境对航天器的危害和深空探测对航天材料及工艺的总体需求，需要进一步开展深空探测用航天材料和工艺的研究。
以载人登月和月球基地建设为代表的深空探测任务和大型空间基础设施的建设，要求运载器的承载能力大幅提升。为此，我国开发了以长征五号为代表的大推力运载火箭，但面对传统的航天器结构机构，现有的运载能力仍难以满足要求，或者费用太高。例如在月面发射1 kg质量，在地面需要4.5 kg甚至更多的质量。因此，在基于深空的复杂恶劣环境和大尺寸的空间基础设施建设，在满足基本功能性能要求的前提下，需要大大降低深空结构机构的质量。为此，可以从以下几个角度开展工作。
常用航天器的铝合金、镁合金、钛合金等合金类材
研制高性能非金属基或金属基复合材料：一方面能够获得高比模量、比强度等力学性能；另一方面也能提高其导热性能以及温度环境适用性，并兼顾低密度、可加工性等性能。例如，氮化硼陶瓷基复合材料既有良好的强度，又具有很高的防热性
针对航天器结构，尤其是复杂结构，尽可能实现结构功能的一体化设计，减少联接部分和部件，进而达到减少质量、增加强度的目的。实现质量和部件数量双双减少30%以上等。针对深空探测器结构大底进行防热承力一体化设
对深空探测器或大型深空基础设施，可以考虑多采用柔性展开式结构来实现其结构功能，如采用大型柔性太阳电池阵、柔性展开式月球基地模块等，可以达到质量轻、结构大等目标，火星漫步者充气太阳电池
图7 火星漫步者充气太阳能电池
Fig.7 Mars rover inflatable solar arra
高效的热控制材料包括被动热防护材料和主动热控制材料是深空探测任务中的关键材
被动热防护材料主要为各类热控涂层，如漆类热控材料、玻璃基热控材料、薄膜基热控材料、阳极氧化热控材料和再入热烧蚀材料等。从密度分类，则可以分为低密度防热（烧蚀）材料、中密度防热材料等。针对深空探测任务，要求其能够实现在极端低温和极端高温下具有合适的太阳吸收比和热发射率，同时具有良好的空间环境适应性。我国在低密度烧蚀防热材
比如，针对月球返回轨道高热流峰值、高焓值、高气动剪切、长时加热、跳跃式弹道的二次烧蚀等复杂热环境，航天材料及工艺研究所开发出蜂窝增强FG4、FG5、FG7和HC5材料，分别用在不同热流环境区域，如
图8 月球轨道返回器LAC分布及HC5烧蚀后横截
Fig.8 Distribution of LAC in lunar orbiter and the cross section of HC5 after ablatin
其中，蜂窝增强低密度烧蚀防热材料密度约为0.36 g/c
值得关注的是，气凝胶热控材料在我国深空探测任务中取得了重要的应用。据文献［
未来，面向深空探测的发展需求和结构机构轻量化的要求，被动防热材料的轻质化、功能多样化、集成化是发展的重要方向。
主动热控制材料主要包括热管材料、智能热控材料、主动烧蚀冷却材料等。基于相变和毛细作用的高效热管材料在我国航天器舱内有着大量的应用，但针对未来的大型深空航天器和极端温度环境，如何实现高效热控制，是未来热管技术的发展方向。如在“嫦娥五号”着陆上升组合体的研制过程中，通过采用“泵驱小型单相流体回路热总线+水升华器”的设计方
同时，作为具有智能特性的各类智能热控材料与器件，通过基于电致变色、热致变色或者热开关（
图9 静电开关辐射器（ESR）结构与工作原理
Fig.9 Principle of electrostatic switchable radiator（ESR
而基于不同原理的主动降温冷却技术在未来的深空探测器再入过程中有望发挥重要作
图10 主动冷却热防护方
Fig.10 Active cooling thermal protection metho
深空探测过程中，由于失去了地磁场的防护，航天器将直接暴露于太阳宇宙射线或银河宇宙射线的辐射环境下，尤其是存在星体辐射带的深空探测任务如木星探测，其辐射环境比较恶劣。因此，需要从两个方面开展抗辐射材料及辐射防护材料的研究工作。
深空探测器材料，尤其是光学类材料，在深空辐射环境下，将发生电离损伤和位移损伤，造成其光学性能和光电性能退化，如玻璃窗口的透过率降低、成像模糊等，严重影响深空探测任务的执行。为此，需要从材料研制的角度，加强材料的组分设计和工艺研究，提高材料的抗辐射能力。
深空探测器在轨期间将遭受来自于太阳宇宙射线、银河宇宙射线和星体表面辐射如反射中子等的持续不断的辐射，不但引起航天器材料的损伤，也引起航天器内部电子电路和航天员的辐射损伤。为此，需要加强敏感电子电路和航天员的辐射防护。众所周知，利用质量屏蔽是防护高能粒子的有效手段，但达到一定屏蔽质量以后，由于次级辐射的存在，辐射防护效率大大降低。因此，一方面，可以通过多种材料复合来提高单位面密度材料的防护性能；另一方面，可以通过高原子序数和低原子序数材料的组合来实现对高能带电粒子和不带电中子的组合防
深空探测任务中的腐蚀主要来自于行星的腐蚀性气体和有人参与的酸性腐蚀两个方面。
有些行星表面或轨道上存在腐蚀性气体，如金星的SO2气
在有人参与的深空任务执行过程中，尤其是在航天员生活的区域，由于存在水汽、合适的温度以及氧气等，可能造成大量的细菌繁殖。这些细菌繁殖过程中的排泄物可以造成航天员生活舱内的金属板、水管等发生腐
俄罗斯专家曾研究了俄罗斯1986-2000载人航天中微生物的污染问
图11 俄罗斯空间站烟感探测器真菌生长情
Fig.11 Fungal-contaminated Russian smoke detecto
图12 空间站上FGB纤维板受到霉菌侵蚀污染的照
Fig.12 Fabric panel in FGB potentially contamination with fungu
因此，针对未来有人参与的深空探测，需要充分考虑微生物的控制以及舱内材料的抗菌抑菌的问题。
月球和火星均存在各种尺寸的尘及颗
尤其是火星，由于季节的存在和大气的存在，经常会出现各种尘暴：一方面是覆盖在航天器的表面，引起遮挡效应；另一方面，尘在探测器表面的流动和摩擦，可以造成机械结构的卡死、关键材料的摩擦磨损，使其光学性能下
最终，尘暴中的尘埃颗粒降落回火星表面，导致航天器损伤或功能无法实现。勇气号探测器在火星表面就曾被火星尘覆盖，如
图13 尘埃覆盖前后的勇气
Fig.13 Valor before and after dust cove
为此，在执行存在尘和尘暴环境的深空探测任务过程中，应该从以下方面开展耐尘与尘暴的材料研究。
深空探测任务，尤其是长寿命、多载荷和多任务，对空间能源带来了新的需求，在相同的质量下，能够实现更高的能源供应，是深空探测任务的迫切需要。不论是高性能太阳电池，还是新型先进的核能源，都需要开发出新型高费效比的能源新材料。
现有的太阳能电池主要是三结或多结砷化镓太阳电池，未来，开发能够实现单位质量发电效率更高的太阳电池，如柔性薄膜太阳能电池等新型电池，或者利用新的工艺技术，提高已有太阳能电池的发电效率，均是深空探测的发展方
图14 ROSA 薄膜太阳电池阵地面展开状
Fig.14 Ground deployment state of ROSA thin film solar arra
深空探测任务过程中，尤其是载人深空探测任务，可能会在轨面临新的需求。这时，如果通过地球发射任务来解决则需要更长的时间和花费。随着3D和4D打印技术的发展，基于在轨打印技术，来实现特定功能的结构的制备是发展的重要方向。这就需要航天器材料具有可在轨制造的能
3D打印技术，通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，是“增材制造”技术的主要实现方法，聚合物、陶瓷、金属等材料均可以用于3D打
图15 NASA进行3D打印火箭发动机的首次点火测
Fig.15 NASA's first ignition test of 3D printing rocket engin
4D打印技术是将智能技术引入3D打印中，利用在轨激励实现3D打印结构在轨展开，见
图16 4D打印概念的示意
Fig.16 An illustration of the concept of 4D printin
我国深空探测任务已经取得了月球探测的“三步”走目标，实现了月球的取样返回，也实现了“天问一号”火星探测任务的圆满成功。未来，我国还将进一步开展载人登月任务、木星等行星探测任务以及小行星和彗星探测任务。面向未来的深空探测面临的长周期、极端温度、强辐射等严酷深空环境，需要从材料和工艺两个角度，开展轻质结构机构材料、热控和热防护材料、辐射防护和耐辐射材料、耐腐蚀材料、耐尘与尘暴材料、高可靠能源材料、3D/4D打印技术等开发，为实现深空探测的轻量化、高效热控制、提供可持续能源、抗辐射等提供支持。
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