摘要
月球是深空探测的热点，也是美、欧等国家航天技术的竞技场。随着我国“绕、落、回”探月工程的成功实施，建设月球基地和月球空间站已成为新任务的论证热点，这将对材料提出新的需求和发展方向。本文在概述月球环境对航天材料的影响的基础上，分析我国未来探月工程的任务难点，并从轻量化结构、高效热管理、先进热防护、低温润滑、防尘、缓冲吸能等不同角度提出了探月工程对航天材料的新需求，最后给出了后续如何发展探月工程新材料新技术的建议。
月球探测代表了一个国家的科技水平和综合实力。月球上特有的矿产和能源，是对地球资源的重要补充和储备，我国开展月球探测，参与月球的能源与资源的开发利用活动可为人类社会的可持续发展做出重大的贡
图1 中国探月工程发展战略
Fig.1 Development strategy of China's lunar exploration program
我国未来探月工程任务具有挑战性、探索性、复杂性和创新性，材料技术作为探月任务基础支撑，也将面临更大的挑战。本文将在分析月球表面自然环境对材料的影响的基础上，概述月球探测任务的难点，并进一步提出我国未来探月工程对新材料的需求。
月球表面自然环境涵盖银河宇宙射线、太阳风（热电子）、太阳紫外线、光电子、地球磁层等离子体粒子、月尘（带电尘埃粒子）、真空、高低温等，如
图2 月球表面自然环境要素示意图
Fig.2 Diagram of natural environment elements on lunar surface
月球基地、月球空间站等空间基础设施长期在轨运行期间，以太阳宇宙线、银河宇宙射线、太阳风、太阳电磁辐射以及月面中子等空间辐射环境将对月球空间基础设施材料带来严重威胁。月球表面的每日银河宇宙射线（GCR）剂量当量大约比国际空间站内的剂量高2.6
而来自于空间的高能紫外光子，在月球的极高真空和极端温度的协同作用下，将对月球基础设施的有机材料和无机材料均带来严重威胁。对于金属材料，紫外辐射带来的光电效应，在金属表面产生自由电子，使其表面带电，且电位逐步升高，将干扰航天器的电磁系统。而对于光学玻璃、太阳能电池盖板等材料，紫外射线可改变光学材料颜色，影响光谱的透过率。紫外线照射可引起有机分子化学键的断裂。当发生有机分子的光化学反应或自由基反应时，形成挥发性化合物或者产生不饱和键，可能导致材料变色变性、分子分解等效应，造成光学性能和机械性能的退化。
另一方面，月球表面晨昏交界位置，由于太阳紫外光子的作用，将引起月尘的带电而漂浮，这些尘埃带电粒子以及来自于太阳风的低能粒子可以引起月球探测器的表面充电，进而可诱发放电效应。
相较于地球轨道和地面环境，中子环境是月球表面的特殊环境，其对关键光电材料、有机材料、电子材料均带来严重威胁，可造成光学玻璃类材料颜色变暗、有机材料快速老化、电子材料及其器件的单粒子效应等。因此，月球探测材料的中子损伤效应及中子防护材料是需要重点关注的方向。
NASA为了研究月球尘埃对舱外活动系统（主要是阿波罗表面航天服）的影响，研究了六次登陆月球表面的阿波罗任务记录（阿波罗11~12号、14~17号）。人类所有舱外活动经验基本上来自于这六次阿波罗着陆任务。事实证明，月球表面的尘埃问题比任何人预想的都要严重。比如Apollo 17号航天服执行月球行走任务期间，航天服的各个位置均遭受到了月尘的严重污染和擦
（a） 上躯干
（b） 上背
（c） 腿前部
（d） 集成压力靴
（e） 压力靴密封区域
（f） 左肩膀
图3 Apollo 17号航天服各个部位的月尘污染情
Fig.3 Views of Apollo 17 spacesuit contaminated by lunar dust
月尘颗粒会附着在与其接触的各类表面上，包括热控面、辐射器、太阳能电池板、结构机构表面等，主要造成九类危害：视力模糊、仪器读数错误、形成灰尘层和污染、牵引力丧失、机械堵塞、磨损、热控制问题、密封失效、吸入和刺激。月尘对于金属表面（例如铝）的附着力一般为200~300 Pa，而对于涂层表面更高，则一般在1 kPa左
月球表面平均每年累计流星模型计算显示，来自于太阳方向的小流星体（<1 µm）通量明显增加，而从地球运动方向到达月表的大粒子流星体（>1 µm）稍有增
在月球夜晚，气体浓度仅为2×1
随着月球探测任务的推进，未来将开展月球基地及月球空间站的建设，这会产生在轨结构尺寸大、质量高等问题。而大尺寸和高质量就要求具有更高的运载发射和在轨组装能力。未来，提高发射效率、实现高载荷比的发射是月球探测任务的难点之一。
采用轻量化结构，尤其是采用柔性展开式结构材料和轻质高强复合材料可在实现既定结构功能的同时，也满足大尺寸和轻质量的目标，解决高发射重量和有限运载能力之间的矛盾。
未来的月球空间基础设施将需要大量的能源供应，传统的太阳电池阵的能源供给方式设计需要更大尺寸的太阳能电池阵来满足在轨能源供给需求，同时，长期在轨任务期间的太阳电池发电效率的下降也带来了空间电源的供电能力的不可维持性。因此，如何克服传统太阳电池阵的能源供给限制是未来月球探测任务的重点和难点方向之一。
除了利用三结及多结砷化镓太阳电池之外，需开发发电效率更高的太阳能电池或者研制高功率质量比的太阳能电池，如柔性薄膜太阳能电池。也可以利用小型核能发电来实现月球任务能源的持续供给，克服传统太阳能电池受太阳光照和空间环境的影响，以满足工程任务对能源供给需求。
面临深空低冷环境、高低温宽温域服役环境等极端环境条件，需要掌握各类材料在无热控管理周期内，-200 ℃以下的性能数据，构建可用于深空探测任务的材料数据资源，为设计师提供更为科学的仿真技术依据，规避冗余热设计、结构强度刚度设计，保障探测器的长寿命服役需求。
与地球轨道不同，由于没有地磁场的捕获，月表的空间辐射环境相较于地球轨道要小的多，但针对长期在轨月球探测任务以及月球特有的中子辐射环境，如何开展长期月球任务的辐射环境效应分析预示以及针对月球辐射环境的辐射损伤的防护和减缓是未来月球任务的难点之一。通过加强辐射损伤分析预示及辐射防护分析，选用具有高能粒子和中子综合防护材料体系，提高探测器在轨服役安全性。
轻量化结构始终是探月工程任务发展的主要需求。航天器结构不仅提供载荷承载功能，还发挥绝缘、固定、封装、隔热等作用，同时为单机设备搭建布局空间。探月工程任务减重需求更为迫切，结构设计将采用桁架式结构、半刚性结构、柔性展开结构、充气式结构等轻量化结构。新型高比强铝锂合金、铝镁合金、铝基碳化硅复合材料、高性能钛合金、高性能镁基合金以及碳纤维、碳纳米管等复合材料的选用，是刚性结构减重的主要解决途
月球表面日间高温可达150 ℃，晚间低温在-130~-160 ℃，极限温度可达-180~-210 ℃，月坑内长期处于-200~-240 ℃。为保证探测仪器的正常工作，月球表面用于科研任务探测器、着陆器和飞跃器需要更高效、更智能、更敏捷的热管理系统，以保证舱内仪器设备正常工作。热管理材料体系中，绝热材料可采用纳米气凝胶等轻量化结构隔热一体材料；辐射防护隔热材料可采用可调发射率智能隔热材料、轻量化多层隔热材料；导热材料可使用轻量化石墨高导热薄膜类材料、金刚石复合材料；蓄热材料可选用石蜡、酯酸、结晶水合盐、熔融盐、金属合金等材料；表面改性材料可采用有机涂层、无机涂层等材料；界面填充材料可选用导热硅脂、导热硅橡胶、硅橡胶导热垫、铟箔等材料。
气凝胶是已知最轻的固体之一，在真空中表现出优异的隔热性能。纳米气凝胶材料未来的发展重点主要在于保证优异的机械和隔热性能，具备优良的工艺制造性，不断拓宽其耐温上限。纳米气凝胶材料研制的基础研究中，成分调控、结构优化、异质设计等成为了有效手段。NASA火星任务中已应用SiO2气凝胶来隔离最敏感的电子元
在各种开发和应用中的新热控制技术中，具有重大创新性的是可变发射率智能热控涂层。智能热控涂层可以根据环境改变他们的有效发射率，可有效节省补热功率，大大降低热控系统质量。这个技术特别适用于功率和质量分配非常有限的航天器，是有效解决有限质量、功率与温度调控能力之间矛盾的重要手段。轻量化多层隔热材料可设计由多达几十层的热控材料组成，以获得所需的光学和绝热性能。通过反射金属化层，最小化辐射传热，通过使用低热导材料分隔金属化层，限制传热。多层隔热材料的有效发射率通常在0.015~0.030。
导热材料在探测器电子电路板、电池组件、散热器中都有应用。研究集中在开发低密度，具有高导热系数，又具有良好的强度刚度保持，还具有低热膨胀系数的高导热材料。石墨纤维复合材料已被开发制造出来，以提供高的热导率同时保持良好的机械性能。热解石墨膜嵌入到基体材料中的应用也受到了关注。化学气相沉积（CVD）金刚石薄膜是已知的最坚硬的材料，其热导率达到1.1 kW/（m·K）。碳纳米管，作为高导热材料应用潜力巨大。碳纳米管的理论热导率为6 kW/（m·K），抗拉强度为63 GPa，然而，碳纳米管被发现才20年，应用于航天器之前还需要进一步的研究。泡沫碳也显示了高热导率，密度仅为0.5 g/c
在地球轨道再入或行星进入过程中，采用防热结构，可以借助大气层这一天然资源，使航天器减速、下降，并耗散它所具有的巨大能量。探月返回的航天器以第二宇宙速度再入地球大气层时，面临峰值热流密度大、焓值高、压力低和再入时间长等热环境特征，需承受很高的气动热和过载，其中烧蚀防热材料是航天器近地返回技术的核心。该类材料一般具有低密度、耐高温、低热导率、低烧蚀量和高热阻效应的特点，通过相变和物质消耗起到防热作用，可用于高焓高热流环境。未来深空探测工程再入返回任务对烧蚀防热材料提出高效轻质要求，需要采用多种防热材料及其组合结构设计，攻克制备工艺技术，如图4所示。多用途飞船的多次往返要求防护材料由一次使用向多次复用发展。通过三维编织、功能梯度材料、点阵复合材料、有机－无机杂化等技术应用，可有效解决防热结构和材料的烧蚀层稳定性、内部热解气体释放、不同密度和材料层之间连接可靠性以及热性能匹配等关键问
另一方面，充气式减速器作为再入、返回、减速、着陆的另一个轻量化结构的代表，其所用的防热材料及其构件也需要兼具低密度、耐高温、低热导率、低烧蚀量和高热阻塞作用等综合性能。充气式减速器起到再入防热、气动减速及缓冲着陆的主要作用，同时在着陆过程中通过充气结构实现着陆器的着陆缓冲从而安全到达地面完成回收。充气式再入减速器热防护复合材料是实现这一功能的关键。一般，材料设计包含防热层、隔热层、阻隔层三部分。防热层成分为热稳定性优异的特种陶瓷纤维，隔热层主成分为气凝胶，阻隔层主成分为聚酰亚胺薄膜或凯芙拉纤维，比如，NASA发射的IRVE-3采用Nextel440BF-20作为外层防护，隔热层为Pyrogel3350，气密层为Kapton/Kevlar/Kapto
图5 IRVE-3中TPS 的层合结
Fig.5 Laminated structure of TPS in IRVE-3
航天器的运动机构常用润滑材料来达到减摩抗磨、延长使用寿命的目的。例如大型天线转动机构、太阳能电池阵的驱动机构、展开和收缩机构、高功率电刷-滑环和大直径轴承，以及空间站的电接插件、流体连接器和密封件等工作过程中发生多次结合与脱开的机构等均需可靠的润滑并防止真空冷焊、摩擦磨损。航天器常用润滑材料主要有液体润滑剂、固体润滑材料以及固-液混合润滑材
防尘/自清洁材料可用于月球表面工作时太阳翼等设备表面的清洁，避免因尘埃污染而使发电效率等工作性能下降。月球尘埃环境是导致月球探测器各功能器件可靠性差、功能退化和寿命不足的关键因素。目前，以NASA为主导的国际各空间研究机构已经发展和提出了各种防/除尘技术，包括以电帘技术为代表的主动防/除尘技术和以薄膜技术为代表的被动防/除尘技
对于未来载人深空探测而言，缓冲吸能材料尤为重要，主要用于探测器返回地面或在其他星球表面着陆时，缓冲探测器受到的冲击，吸收相应的冲击能量，保证探测器和人员的安全着陆。我国在探月三期工程中，月球着陆器使用的缓冲吸能材料是一种高锰奥氏体不锈钢材料，该材料兼具一定的拉伸强度，超高塑性，比一般金属合金具备更高的断裂延伸率（50%～70%），具备承载能力的同时也具有塑性吸能的功能。该材料作为月球着陆拉杆和限力拉杆使用，通过拉杆在着陆过程中塑性变形，吸收着陆冲击动能，从而起到缓冲和减震作用。随着未来月球基地建设等探月任务的开展，着陆器质量将大幅提升，着陆载荷增大，需要通过结构优化和材料性能优化发展更好超速性着陆吸能材料。
质量屏蔽方法是高能带电粒子防护所采用的基本方法，但屏蔽材料厚度的增加将带来航天器质量的增加和次级辐射，尤其是中子。为此，可以通过采用含氢元素多的材料来与中子作用，使中子能量降低并沉积下来。如
图6 单位质量的不同材料对辐射剂量的吸
Fig.6 Absorbed dose of different materials in radiation environments
随着深空探测任务距离太阳越来越远，太阳辐射强度会越来越弱，探测器所能利用的太阳能也就越来越少，为了能够获得足够的能源支撑探月任务的正常进行，就需要探测器具有较强的供电能力。在这些情况下，太阳能电池和化学燃料电池都无法满足任务要求，而放射性同位素温差电源（Radioisotope Thermoelectric Generator-RTG）由于其高可靠性、安全性和长寿命，是深空探测的首选电源系
热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，在核电源中有着广泛的应用前景，如
（a） 旅行者号用的“核能电池”
（b） 热电材料发展趋
（c） 热电材料晶粒及界面调控机制
图7 热电材料在核电池中的应用及发展
Fig.7 Application in nuclear cells and development of thermoelectric materials
新型低维材
可以通过电场、光场、磁场、温度场对新型低维材料进行调控，以提高材料性能，提升器件探测能力。面向未来探月工程对探测技术、天文观测技术等的综合需求，基于该类材料设计出更多新型的红外探测器，比现有的传统探测器“看得更清、看得更远”。
未来，我国探月工程将面临大能源需求和低太阳能源供给矛盾，复杂任务和高可靠性设计矛盾，深空极低温服役和在轨长寿命矛盾，大载荷比和轻量化结构矛盾，为满足后续探测任务需求，这些矛盾均需依靠新材料技术的创新发展。月球环境具有超低温、强辐射、高真空、微重力等特征，以及大量尘埃，这些环境特征均对探月任务前沿新材料的性能和功能提出更高要求。为保证我国未来探月工程任务高质量实施，需要借从国家层面集智攻关，实现关键技术突破。
柔性结构是将非金属复合材料、气凝胶、泡沫、有机纤维、薄膜等通过柔性胶黏剂、针织拼接、热封接等工艺技术综合应用，实现结构热控一体化设计，具备发射阶段高收拢比、在轨大尺寸展开的优势。大力发展我国柔性特种纺织品、胶黏剂、泡沫、纤维及其编织、拼接工艺用胶粘剂、热封类材料研制，实现材料耐高温（200~300 ℃）、耐低温（-200 ℃）以及宽温域环境，长寿命服役能力。
为逐步提升深空探测器能源利用高效集约能力，实现我国深空探测技术不断跨越，能耗供给合理分配，高效应用，需要通过发展智能材料，实现在轨能源存储与复用，促进深空探测结构热控与深空环境自主适应，友好发展。需加快智能传感材料、相变材料、高功效电子及热管理材料的研发与在轨应用，为深空探测器智能化发展储备新材料技术。
我国已经取得了月球探测“绕、落、回”的伟大成就，未来还将进一步开展月球空间站和月球基地的建设。针对未来月球探测的长寿命、高可靠的需求，需要在对月球环境及效应进一步梳理的基础上，针对轻量化设计、持续的能源供给、极端的温度环境、复杂的辐射环境以及月尘等带来的任务难点，从轻量化结构材料、高效热管理材料、先进热防护材料、低温润滑材料、防尘材料、缓冲吸能材料、辐射防护材料等不同角度开展探月工程用航天新材料的开发，并充分发挥我国的举国体制优势，发扬“追逐梦想、勇于探索、协同攻坚、合作共赢”的探月精神，实现我国探月工程再上新台阶。
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