【科學科普】在太空中,為什麼兩塊金屬一相遇就會焊到一起?飛船對接卻不會

樂享網 2021-04-06

這種現象並不神秘,被稱作冷焊,已經被廣泛應用於工業生產。雖然叫冷焊,不過並不是因為太空太冷,這兩塊金屬凍在了一起。

人類在探索太空時就曾因為這種現象得到過教訓。NASA於1989年發射了伽利略號木星探測器,發射前一切檢查都正常,可當探測器進入太空後卻發現主天線無法完全打開,好在有備用天線,不然整個任務就只能宣告結束。

可這個備用天線功率太小,使得傳輸效率大打折扣。為此,伽利略號木星探測器不得不放棄了幾個預定的探測任務,比如對木衛一的探測。

後來科學家通過研究發現,之所以會出現這種故障,就是因為伽利略號的折疊主天線由於冷焊現象部分粘在了一起,這才導致升空後主天線無法完全打開。經此教訓,此後的航天器都會通過特殊處理,以應對可能發生的冷焊現象。

那麼為什麼會發生冷焊現象呢?

我們通常焊接時都是將兩個接觸物體加熱,然後融合在一起。冷焊就是指不需要加熱就能將物體焊接在一起。

冷焊的發生基於擴散現象。眾所周知,物質都是由原子構成的,而原子等粒子在永不停息地做不規則的熱運動,這種運動又叫布朗運動。當物體之間長時間接觸,接觸面的粒子就會因布朗運動而發生擴散,比如將兩塊鉛塊表面削平,緊緊按壓在一起,時間一久,它們便會粘在一起。

雖然非金屬物質之間、不同金屬之間都可能發生冷焊現象,不過冷焊現象的發生也需要一定的條件。

其實,兩塊金屬在太空中接觸,若只是接觸,並不會發生冷焊現象,需要一定的條件,比如施加壓力,相互摩擦等。超聲波焊接就是利用高頻振動產生的摩擦使兩個物體熔合在一起的。總之,就是需要提供足夠的能量,才能使接觸面間的原子順利牽手,從而發生冷焊現象。此外,兩種材料的相容性也決定了冷焊的發生概率,比如條件合適的情況下,兩塊黃金之間就比較容易發生冷焊現象。

太空屬高度真空環境,兩塊光潔的金屬接觸時,且接觸面沒有氧化層,由於沒有空氣阻礙,會接觸得非常緊密,基於擴散現象,接觸面的原子會更容易連接在一起,最終導致兩塊金屬粘在一起,於是便發生了冷焊現象。而且太空屬於無氧環境,即使氧化層磨掉了,金屬表面也不會再氧化,這更加劇了冷焊現象的發生概率。

地球上不容易發生冷焊現象,就是因為金屬暴露在空氣中,表面大多有氧化層存在,並且兩個接觸面之間通常還存在空氣層。

伽利略號木星探測器的折疊天線之所以發生冷焊,是因為活動介面處的處理不當,再加上後期的震動摩擦,從而產生了冷焊現象。

冷焊容易使航天器上的一些活動部件發生故障,比如加速軸承磨損,導致太陽能電池翼伸展困難等。為了應對航太領域的這一危害,可以選擇不易發生冷焊的配偶材料,以及在接觸面上鍍膜,或者上點潤滑劑,這樣能降低金屬之間的摩擦,有效降低冷焊現象發生的概率。

冷焊現象雖然在某一方面有害,但也有好的一面。由於焊接過程中不需用高溫加熱,材料幾乎沒有收縮率,所以焊接口不容易產生微小的裂紋,故而焊接後的強度較高,不易開裂脫落。

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