一、引言

太空探索是现代科技的重要领域，但太空环境极为复杂，充满了高能粒子辐射、极端温度变化、高真空、微重力等多种因素。这些因素对航天器的材料、电子器件、结构设计以及生命保障系统都提出了严峻的挑战。为了确保航天任务的成功和航天器的可靠运行，空间环境地面模拟与真空原位光谱测试成为不可或缺的研究手段。

本文将探讨为什么要做空间环境地面模拟与真空原位光谱测试，以及如何实现这些模拟与测试。

图1. 深空探测器

二、为什么要做空间环境地面模拟与真空原位光谱测试

（一）保障航天任务的安全与可靠性

1. 评估材料和器件的性能：太空环境中的高能粒子辐射、极端温度变化和高真空等因素会对航天器材料和电子器件的性能产生显著影响。通过空间环境地面模拟，可以在地面提前评估这些材料和器件在极端条件下的性能，如耐辐射性、耐高低温性、耐真空性等。这有助于筛选出适合太空任务的材料和器件，确保航天器在太空中的可靠运行。

2. 验证航天器的设计：在地面模拟太空环境，对航天器的整体设计进行验证，包括热控系统、结构强度、电子系统等。这有助于发现设计中的潜在问题，及时进行改进，降低太空任务中的风险。

3. 提高航天器的使用寿命：通过模拟太空环境中的各种因素，研究材料和器件的老化机制，可以采取相应的防护措施，延长航天器的使用寿命。

（二）推动航天技术的发展

1. 创新材料和器件的研发：模拟太空环境可以为新型材料和器件的研发提供实验平台，帮助科学家和工程师开发出更适应太空环境的高性能材料和器件。

2. 优化航天器设计：通过模拟和测试，可以优化航天器的结构设计、热控系统设计、电子系统设计等，提高航天器的整体性能和效率。

3. 促进跨学科研究：空间环境地面模拟与测试涉及多个学科领域，如材料科学、物理学、化学、生物学等。这种跨学科的研究有助于推动相关学科的发展，促进新技术、新方法的产生。

（三）支持深空探测任务

1. 模拟深空环境：深空环境比近地轨道更为复杂和恶劣，通过地面模拟，可以研究航天器在深空环境中的适应性和可靠性，为深空探测任务提供技术支持。

2. 研究天体表面环境：模拟月球、火星等天体表面的环境，研究其物理、化学和生物学特性，为未来的天体探测和人类登陆任务提供科学依据。

（四）开展空间科学研究

1. 研究空间环境对生物的影响：通过模拟微重力、辐射等空间环境因素，研究生物体在太空中的生理和生化变化，为太空生物学研究提供实验数据。

2. 研究空间环境对材料的影响：通过模拟太空环境，研究材料在辐射、高低温、真空等条件下的物理和化学变化，为材料科学的发展提供理论支持。

3. 研究空间天气现象：通过模拟磁层等离子体环境，研究空间天气现象及其对航天器和通信系统的影响，为构建空间天气预报模型提供基础数据。

（五）降低太空任务成本

1. 减少太空实验次数：通过地面模拟和测试，可以在地面解决大部分潜在问题，减少太空实验的次数和成本。

2. 提高任务成功率：通过充分的地面模拟和测试，提高航天任务的成功率，避免因设计缺陷或材料问题导致的任务失败，从而降低经济损失。

（六）真空原位光谱测试的重要性

1. 实时监测材料变化：真空原位光谱测试可以在材料或样品处于真空环境的同时，实时监测其光谱变化。这有助于直接观察材料在真空条件下的结构、成分和性能变化，为研究材料的真空效应提供重要信息。

2. 研究材料的老化机制：通过原位光谱测试，可以研究材料在真空环境中的老化机制，评估其在太空环境中的长期稳定性。

3. 优化材料设计：根据原位光谱测试的结果，可以优化材料的设计，提高其在真空环境中的性能和可靠性。

图2. 我国首个空间环境地面模拟装置

三、如何进行空间环境地面模拟与真空原位光谱测试

（一）空间环境地面模拟

1. 真空模拟

• 真空系统：通过高真空泵组和真空腔体，实现高真空环境。真空度可达到10-4Pa甚至更低，为材料和器件提供接近真实太空的真空条件。

• 真空测试：对真空环境中的材料和器件进行性能测试，如真空热试验、真空机械试验等，评估其在真空条件下的性能。

2. 高低温模拟

• 高低温控制系统：利用液氮制冷系统和电加热系统，实现极端温度变化。高低温试验箱可在-196℃至+200℃甚至更宽温度范围内精确控温。

• 温度循环试验：对航天器及部件进行高低温循环试验，评估其在温度变化下的性能和可靠性。

3. 辐射模拟

• 电子束、质子束、重离子束加速器：通过电子束、质子束、重离子束等加速器，模拟太空中的高能粒子辐射，包括质子、电子、重离子等。

• 辐射试验：对材料和器件进行辐射试验，评估其抗辐射能力和可靠性。通过光谱测试，研究材料在辐射环境下的微观结构变化。

4. 电磁辐射模拟

• 太阳模拟器：模拟太阳电磁辐射光谱（200nm - 2500nm）及辐照强度（最高达1500W/m²），用于测试材料和器件的光学性能和耐老化性。

• 电磁辐射试验：对航天器的热控涂层、太阳能电池板等进行电磁辐射试验，评估其在太阳辐射下的性能。

5. 微重力模拟

• 落塔、抛物线飞行：通过落塔、抛物线飞行等方式，模拟微重力环境。落塔可提供数秒至数十秒的微重力时间，抛物线飞行可提供更长时间的微重力环境。

• 微重力实验：在微重力条件下进行生物实验、材料实验等，研究微重力对生物体和材料的影响。

6. 空间粉尘模拟

• 粉尘模拟系统：模拟月球或其他天体表面的微米/亚微米级带电粉尘环境，研究粉尘对材料和器件的影响。

• 粉尘试验：对航天器表面材料进行粉尘试验，评估其在粉尘环境下的性能和可靠性。

7. 等离子体模拟

• 等离子体发生器：通过等离子体发生器，模拟空间等离子体环境，研究等离子体与电磁波的相互作用。

• 等离子体试验：对航天器的通信系统、热控系统等进行等离子体试验，评估其在等离子体环境下的性能。

8. 弱磁场模拟

• 弱磁场系统：通过弱磁场系统，模拟空间弱磁场环境，研究磁场对材料和器件的影响。

• 磁场试验：对航天器的磁性材料、电子器件等进行磁场试验，评估其在弱磁场环境下的性能。

9. 中性气体模拟

• 中性气体系统：通过中性气体系统，模拟空间中性气体环境，研究中性气体对材料和器件的影响。

• 中性气体试验：对航天器的表面材料、热控系统等进行中性气体试验，评估其在中性气体环境下的性能。

10. 综合环境模拟

• 综合环境模拟系统：通过综合环境模拟系统，同时模拟真空、高低温、带电粒子辐射、电磁辐射、空间粉尘、等离子体等多种空间环境因素，研究材料和器件在综合环境下的性能。

• 综合环境试验：对航天器及部件进行综合环境试验，评估其在多种空间环境因素耦合作用下的性能和可靠性。

我司可以提供从真空腔室设计，到辐照源集成等相关的方案设计，为您在地面进行深空模拟例如质子源，电子束等进行服务。

（二）真空原位光谱测试

1. 光谱测试设备

• 光谱仪：选择适合的光谱仪，如紫外-可见光光谱仪、红外光谱仪、拉曼光谱仪等，用于实时监测材料在真空环境中的光谱变化。

• 真空原位光学设计，激发与采集：把整个光谱仪放到真空中十分困难，因此设计长工作距离镜头对真空中的样品进行原位光谱测试，非常重要。

2. 测试方法

• 原位测试：在真空环境中，实时监测样品的光谱变化。

• 同步测试：在进行真空环境模拟的同时，同步进行光谱测试，记录材料在不同环境条件下的光谱变化。

• 数据分析：通过光谱分析软件，对测试数据进行分析，研究材料的结构、成分和性能变化。

3. 应用案例

• 材料老化研究：通过真空原位光谱测试，研究材料在真空环境中的老化机制，评估其长期稳定性。

• 辐射效应研究：结合辐射模拟，研究材料在辐射环境下的微观结构变化，优化材料设计。

• 热控涂层测试：对航天器的热控涂层进行真空原位光谱测试，评估其在真空和高低温环境下的光学性能。

我司可以提供从真空腔室设计，Raman/PL，LIBS到整个的系统集成方案，例如我司的InSitu900原位光谱测试探头，SR900晶圆级Raman测试系统等可以通过光路设计与真空腔室结合到一起，与上述的辐照腔室链接，提供辐照到测试的全系列方案。

图1. 原位光谱测试示意图

四、案例分析

（一）航天器真空热试验

航天器在轨飞行时，由于没有大气层保护，舱体表面处于阳照和阴影交变状态。在阳光直射下，表面温度可达150℃以上，而在背阳面则可能低于-100℃。为了评估航天器在极端温度变化下的性能，地面模拟试验至关重要。例如，我国的KM8“地面空间站”利用红外加热笼模拟空间外热流，通过控制电阻片温度实现内部环境温度交替变化，对梦天试验舱进行了考核。此外，KM6大型空间模拟器也完成了神舟一号至神舟六号载人飞船、嫦娥一号月球探测器等的真空热试验。这些试验确保了航天器在太空极端温度环境下的可靠运行。

（二）空间辐照模拟

随着航天器敏感表面增多和微电子线路集成度提高，空间粒子辐照环境对其影响愈发显著。例如，欧洲空间技术研究中心的空间低能综合辐照试验设备通过电子撞击高原子序数材料（如钨、铜等）产生X射线，模拟空间带电粒子的电离辐射效应。这种模拟试验有助于评估航天器材料和电子器件在辐射环境中的性能，提前发现潜在问题并优化设计。

（三）月球环境模拟

我国的空间环境地面模拟装置中的月尘舱，能够模拟月球表面的复杂环境，包括动态月尘充正电和负电现象。月尘舱内通过电子枪和氘灯分别产生电子束和紫外线，使月尘带上正负电荷，同时通过振动筛模拟月球表面扬尘现象。这种模拟试验为研制月面探测设备提供了重要支持，帮助科研人员提前了解设备在月球环境中的运行情况，优化设计以应对月尘等环境因素的挑战。

（四）真空原位光谱测试

在航天器材料研究中，真空原位光谱测试被广泛应用于研究材料在真空环境中的性能变化。例如，通过真空原位紫外-可见光光谱测试，可以实时监测材料在真空环境中的光学吸收特性，评估其在太空辐射下的老化和降解情况。结合红外光谱测试，可以进一步研究材料的分子结构变化，为材料的优化设计提供理论支持。

四、结论

空间环境地面模拟与真空原位光谱测试是航天技术发展的重要支撑，通过模拟太空环境中的各种因素，可以全面评估航天器材料和器件的性能，优化航天器设计，支持深空探测任务，开展空间科学研究，降低太空任务成本，培养专业人才，推动相关产业发展，增强国家科技实力。通过高真空、高低温、辐射、电磁辐射、微重力、空间粉尘、等离子体、弱磁场、中性气体等多种环境的模拟与测试，可以为航天任务的成功提供坚实的技术保障。未来，随着航天技术的不断发展，空间环境地面模拟技术也将不断进步，为人类探索太空提供更强大的支持。

我司即将推出的空间环境地面辐照模拟与原位光谱测试工作站，具有模拟辐照舱室与原位光谱测试舱室等模组，可以协助实现模拟空间环境的辐照测试，包括等离子体，VUV，太阳光模拟器，电子束和离子束等辐射模拟等相关功能，同时采用真空互联可以实现辐照后或者辐照中的原位光谱测试，包括Raman，荧光，FTIR，透反吸和光电流等必要功能。

敬请期待！