空间站应该使用什么样的玻璃才能保证人的安全？ 第1页

防弹

一般大家首先会想到的是，应该是防弹的。下图是国际空间站一块玻璃上的“弹孔”：

由于国际空间站以每小时约27000公里的速度在太空穿行，而太空垃圾（不止是微小的陨石或者俄国炸毁卫星飞散出的碎片，哪怕是一块剥落的油漆碎片）的速度有时比子弹要快多了，所以空间站的窗户玻璃至少是多层的防弹玻璃，才能保证生命安全。目前国际空间站的玻璃能承受直径不超过10厘米的物体的高速撞击，如果遇到10厘米以上怎么办？这时宇航员的生命可能会受到威胁，按手册规定，空间站应采取机动躲避处理。

接下来应该想到的是什么？对，热胀冷缩。

耐热玻璃

在太空中的航天器，受太阳直射的那一面的温度会很高，而背着太阳的阴面温度会很低。所以当年阿波罗计划中的飞船在太空中要像墨西哥烤肉的那个肉串一样不停的（以z轴）翻滚，才能让整体受热均匀，而不致于一边过冷一边过热。我们的生活经验告诉我们，骤冷骤热会导致玻璃的碎裂，这是应力不匀造成的。

对于玻璃来说，当它在太空中受到温差影响时，由于热在材料中传导需要一个时间和过程，玻璃并不能做到一整块上下左右同步热胀冷缩。在这一过程中，不均匀的应力如果大于玻璃的临界强度，就会炸裂。我们知道，相同温差下，一个材料的热膨胀系数（主要由结构决定）越小，产生的热应力越小。普通硼硅酸盐玻璃的热膨胀系数无法满足在较大而快速的温度变化中不破裂。

人们把天然高纯度二氧化硅在高于1760℃的温度下熔融再快速冷却，将晶型二氧化硅转变为非晶型的玻璃熔体，制得了熔融石英(沿用前苏联叫法)。熔融石英的热膨胀系数几乎是所有耐火材料中最小的。即使将其从上千度高温下中取出并立即放到冷水里淬冷也不会碎裂，(实际生产时分电熔，气炼和CVD三类，这里不写了)

为了应对低温，空间站的玻璃窗还要加上温感元件和窗户加热器^[1]。

除极端温度外，空间站的玻璃还应在长时间抵御可见光、紫外线和红外线的辐射而不降低透明度。目前国际空间站用的是康宁的“ UV级”合成熔融石英玻璃（从水星计划开始就是一直用康宁的玻璃）^[2]。其研发的代号7971的熔融石英（修正：此处ULE7971和7972应为二氧化钛-硅酸盐玻璃^[3][4]，感谢 @Rasmodius Zhang 捉虫），在0～200℃范围平均线性热膨胀系数为零。此处不是打广告并没有钱。。。德国HERAEUS公司也有类似合成产品，但NASA不用。中国大部分产自江苏东海县的几个厂，具体就不写了。

这里有两个关键词：合成，UV级。

与普通熔融玻璃不同，合成石英玻璃更纯。与天然石英玻璃最大的区别就是原材料。天然石英玻璃是以天然石英砂作为原料制得，而合成石英玻璃则是直接以含硅的气体化学品作为原料与氧反应制得高纯的二氧化硅，纯度比天然石英玻璃高出几个量级。

UV级代表具有非常低的金属杂质含量(几乎是只含硅和氧)，使其对紫外线更透明(高紫外线透过率)。相对与UV级的是红外级，低一个档次，杂质(主要是铝和钛)较多，一般只做商用(如深层潜水用品或化学器皿等)。说到化学器皿，BTW，其对大多数元素和化合物（包括几乎所有的酸，HF不算）具有化学惰性。商用产品很多含有气泡，这是由于熔融玻璃的生产温度高且黏度大，所以气泡很难排除。

我们说回空间站。国际空间站的窗户玻璃分三层^[5]，如下图所示。

压强

有人说，还没考虑真空中的压强差呢。太空中没有空气，而舱内为一个大气压。会不会被压力给压碎了呀？实际上，按设计要求，国际空间站的玻璃应能承受19个标准大气压，而实际材料在58个大气压强下才会被压裂。

说到空气，就多说一点点。空间站玻璃如果被碎片击中后，最怕的是什么？是水。当玻璃因撞击而产生轻微裂纹后，舱内湿度如果过高，空气中的水分子会使裂纹处的硅氧键发生断裂，从而加速裂纹的生长。

除此之外，磨削玻璃时引起的不必要的表面损伤及碱金属接触也是应尽力避免的。

在30多年的载人航天器飞行中，从未发生过单纯因窗户玻璃质量而引发的大事故。

未来

除了熔融石英，科学工作者还在尝试用其它更好的材料来制作空间站的玻璃。比如透明尖晶石陶瓷。它不仅具有高硬度陶瓷的耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗冲击等性能特点，还具有良好的光学性能，在紫外、可见光、红外光波段都有良好的光学透光率。与玻璃相比，透明尖晶石的断裂韧性更好，裂纹扩展更小，因此用在窗玻璃上很有潜力（但目前材料的抗热震性指标较差）。

但玻璃总归是不可靠的，在必要的时候，还是要在玻璃窗外面加一个挡板，以应对更大的冲击：

参考

1. ^ https://www.nasa.gov/centers/kennedy/stationpayloads/cupola.html
2. ^ http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=6045
3. ^ https://www.corning.com/media/worldwide/csm/documents/7972%20ULE%20Product%20Information%20Jan%202016.pdf
4. ^ https://www.corning.com/cn/zh/about-us/news-events/news-releases/2018/09/corning-celebrates-75-years-of-ULE-Glass-and-showcases-wide-range-of-advanced-optics-products-at-CIOE-2018.html
5. ^ https://www.corning.com/media/worldwide/csm/documents/Finishing_and_proof__Miska.pdf