空间站应该使用什么样的玻璃才能保证人的安全？
在地球的温室里，我们对玻璃的认知往往停留在窗户、镜子，甚至是手机屏幕。它们轻巧、透明，为我们遮风挡雨，也让我们窥见外界的精彩。然而，当目光投向那片寂静而危险的浩瀚宇宙，我们对“玻璃”的需求便会陡然升级。空间站，这个漂浮在地球轨道上的精密科学仪器，更是人类在大气层之外的家园，它的安全性，尤其是构成其“眼睛”的玻璃，承担着不容忽视的重任。那么，究竟是什么样的玻璃，才能在这严酷的环境中，为站内的宇航员筑起一道坚实的屏障呢？
要回答这个问题，我们首先得理解空间站面临的挑战。与我们日常接触的玻璃不同，空间站的玻璃需要应对一系列极端且复杂的环境因素，它们每一个都可能对普通玻璃造成毁灭性的打击。
1. 撞击的威胁：微陨石与空间碎片
最直接也是最可怕的威胁来自于太空中的微小“子弹”——微陨石和人为制造的空间碎片。虽然它们可能比米粒还小，但由于在轨道上的高速运行，其动能相当于一枚高速飞行的子弹。对普通玻璃而言，哪怕是一粒微小的沙粒，在这样的速度下都能造成玻璃的破裂甚至穿透。
因此，空间站的玻璃绝不能是单一的材质。为了应对这种撞击，它们通常采用多层复合结构。最外层，通常被称为“防护层”或“防弹层”，使用的是一种高强度、高韧性的特殊玻璃。这种玻璃往往不是我们熟悉的钠钙玻璃，而是经过特殊配方和工艺处理的硼硅酸盐玻璃，甚至更高级的铝硅酸盐玻璃。它们在保持一定透明度的同时，拥有远超普通玻璃的抗冲击性和韧性。
即便如此，一层玻璃也远远不够。在第一层玻璃之后，往往还会有多层间隔层。这些间隔层可能填充的是聚碳酸酯（Polycarbonate）这样的高强度透明塑料。聚碳酸酯以其惊人的韧性和抗冲击性而闻名，它能够吸收并分散撞击的能量，防止裂纹沿着玻璃层蔓延。想象一下，当一颗微陨石击中外层玻璃，造成一个凹陷甚至破裂，但撞击的能量会被外层玻璃和随后的聚碳酸酯层层吸收，最终无法穿透到内部。
2. 温差的考验：从冰冷到炙热的瞬间转变
空间站位于地球大气层之外，没有了空气的调节，其暴露在阳光下的那一面会被太阳直射炙烤，温度可以飙升到数百摄氏度；而背对阳光的一面则会陷入零下几百摄氏度的严寒。这种巨大的温差变化，对于普通玻璃而言是致命的。玻璃在冷热交替中会产生巨大的应力，最终导致开裂。
为了应对这种挑战，空间站的玻璃材料必须具备极低的膨胀系数。硼硅酸盐玻璃和铝硅酸盐玻璃在这方面表现出色，它们的膨胀系数远低于普通玻璃，这意味着它们在温度变化时产生的形变也更小，从而大大降低了开裂的风险。
此外，玻璃的热稳定性也是一个关键考量。它们需要能够承受持续的高温和低温而不发生结构性损坏或性能衰减。
3. 辐射的侵蚀：来自宇宙的隐形杀手
宇宙空间充满了各种高能粒子和电磁辐射，包括太阳辐射、银河宇宙射线等。这些辐射对人体健康是极大的威胁，同样也会对材料造成损害。长期暴露在高能辐射下，玻璃的透明度可能会下降，甚至发生变色、脆化等问题。
因此，空间站的玻璃材料在选择时，还需要考虑其抗辐射性能。一些特殊的玻璃配方，或者在玻璃层之间加入具有紫外线吸收或散射功能的涂层，都能帮助抵御部分辐射的损害。虽然完全阻挡宇宙辐射非常困难，但这些措施能显著降低其对玻璃和内部环境的影响。
4. 清晰的视野：科学观测与安全保障的双重需求
空间站的玻璃不仅仅是保护层，更是宇航员观察地球、进行科学实验、以及确保空间站外部状态的关键窗口。这就要求玻璃在提供防护的同时，必须保持极高的光学清晰度和透光率。
这意味着玻璃的材质必须是高度纯净的，没有任何杂质或气泡，以避免对视线造成扭曲或模糊。其表面需要经过精心打磨，达到极高的光滑度，减少光的散射。同时，玻璃的颜色和折射率也需要经过精确控制，以保证观测的准确性。
为了进一步提高视觉效果和防护能力，空间站的玻璃表面常常会涂覆特殊的减反射和增透膜层。这些涂层不仅能减少光线的反射，提高透光率，还能抵御刮擦，甚至具备一定的自清洁能力，以应对太空环境中难以避免的灰尘和颗粒物。
5. 结构与密封：整体性的安全考量
玻璃本身只是构成窗户的一部分。整个窗户结构需要与空间站的舱壁进行严密的密封，以维持舱内的气压和防止气体泄漏。这意味着玻璃与舱壁之间的连接处需要使用特殊的密封材料，并且要能够承受巨大的压力差和温度变化。
此外，玻璃的厚度也是一个重要的设计参数。根据其所处的位置、需要承受的压力以及面临的具体威胁，玻璃的厚度会有所不同。通常，越是关键的区域，或者越容易受到撞击的舷窗，玻璃会做得越厚，层数也会越多。
总结来说，空间站使用的“玻璃”并非单一概念，而是一个复杂的多层复合材料系统。它通常包含：
外层防护层： 高强度、高韧性的特殊玻璃（如硼硅酸盐、铝硅酸盐玻璃），具备出色的抗冲击性。
缓冲间隔层： 聚碳酸酯等高强度塑料，用于吸收和分散撞击能量。
多层玻璃与塑料组合： 不同的材料层协同作用，提供全方位的防护。
特殊涂层： 减反射、增透、抗辐射、防刮擦等功能性涂层。
精密加工与密封： 保证光学清晰度、结构完整性和气密性。
这些材料的选择和设计，都是在无数次实验和计算的基础上进行的。它们必须在满足极端防护需求的同时，还要考虑重量、成本以及制造工艺的复杂性。可以说，每一扇位于空间站上的“玻璃”，都是人类智慧与工程技术的结晶，它们是宇航员通往外界的眼睛，更是守护他们生命安全的第一道防线。在冰冷而充满未知的宇宙中，正是这些看似普通的“玻璃”，承载着人类探索精神最前沿的目光，也守护着我们在星辰大海中前进的每一步。
网友意见
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
- ^ https://www.nasa.gov/centers/kennedy/stationpayloads/cupola.html
- ^ http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=6045
- ^ https://www.corning.com/media/worldwide/csm/documents/7972%20ULE%20Product%20Information%20Jan%202016.pdf
- ^ 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
- ^ https://www.corning.com/media/worldwide/csm/documents/Finishing_and_proof__Miska.pdf
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