原子氧环境效应的地面模拟技术

系统论述了原子氧和航天器表面常用聚合物材料反应的微观机理,并从宏观角度对这些材料的性能进行了评估。同时也总结了国外在原子氧防护技术研究方面所取得的最新成果。     

一种空间用抗原子氧复合膜β布的原子氧、温度、紫外辐射效应的试验研究

在原子氧剥蚀效应地面模拟设备中对一种抗原子氧复合材料β布进行了原子氧剥蚀效应试验、试样湿度升高对原子氧效应的影响试验以原子氧与紫外辐射复合效应试验研究，对试验前后β布试样的质量及表面形貌进行了比较，得出了在材料在设备中的反应特点以及温度变化、紫外辐射对材料的原子氧效应的影响规律。另外对这种材料与原子氧的反应机理进行了分析，得出了一些有意义的结论。     

一种原子氧掏蚀模型参数的校正方法

在空间原子氧效应数值模拟研究中,确定掏蚀模型各参数是保证计算结果正确性的重要工作。文章对Banks原子氧掏蚀模型的各参数的作用进行了分析,基于掏蚀过程中的相似律分析给出了数值模拟和试验数据相结合以确定该模型参数的方法。文章还提出材料的原子氧理论侵蚀当量的概念,并使用数值模拟方法与试验数据计算了一种碳纤维环氧复合材料的原子氧理论侵蚀当量。应用该特征量可以建立数值模拟结果和试验结果之间的准确关系。     

低地球轨道航天器不同攻角原子氧通量密度计算模型

低地球轨道原子氧与航天器表面材料相互作用,可导致材料因氧化剥蚀而发生性能     

原子氧防护涂层的研究

空间材料暴露在原子氧环境中,材料表面会受到原子氧的攻击造成表面衰退,引起材料氧化和质量损耗,甚至会导致材料失效,从而减少飞行器寿命,研究发现:大多数聚合物和复合材料对原子氧敏感;金属中的银、锇易被氧化,这主要是有机物多含碳、氢、氧、氮等元素,它们具有较高的反应效率,生成挥发物;银、锇的反应速率快,通常生成氧化物,能够观察到宏观变化。因此,对飞行器上常用的材料进行防护是十分必要的,不同的材料有不同的防护方法,本文主要介绍了常用Kapton、石墨/环氧树脂等结构材料的防护,对功能材料如光学材料、热控涂层等的防护也作了介绍。研究表明:材料的氧化多发生在粗糙表面,而均化层的利用可覆盖材料表面的凸起和裂缝,提供光滑的表面。此外,文章还对涂层厚度与原子氧通量的关系、涂层厚度与产生的表面缺陷形状的关系作了定性分析和讨论。     

原子氧环境下磁力矩器用聚合物材料的质损和红外光谱分析

文章利用新型的原子氧环境模拟设备进行真空和原子氧试验,通过质量损失测量和FT-IR分析,对试样的质量损失率(SAML)和表面成分的变化进行了研究。试验结果表明:真空环境会导致材料产生质量损失,4种材料中真空质损最大相差24倍;原子氧作用导致聚合物材料产生质量损失,4种材料中质量损失率最大相差25倍;原子氧与有机硅物质反应能够形成保护层,可以抑制原子氧对材料内部的进一步侵蚀。FT-IR分析结果表明,原子氧作用导致环氧材料的-N消失,O元素百分比含量升高,硅橡胶的化学键被破坏,并导致新的O-H和C-H的生成。     

磁力矩器用聚合物材料的原子氧效应试验研究

文章对磁力矩器用4种聚合物材料进行原子氧和真空效应评价试验,利用新型的原子氧环境模拟设备及其他分析手段对试样的质量损失率(SAML)和表面形貌的变化进行了研究。试验结果表明,真空环境会导致材料产生质量损失,4种材料的真空质损最大相差24倍;原子氧作用导致聚合物材料的颜色发生变化,且造成材料的质量损失,4种材料的质量损失率最大相差25倍;原子氧与有机硅物质反应能够形成保护层,可以抑制原子氧对材料内部的进一步侵蚀。     

材料原子氧掏蚀效应中的相似律研究

文章对有防护涂层材料的原子氧掏蚀效应蒙特卡罗模型进行了分析,发现该模型中蕴含着几何相似律,并基于相似律提出了可用于表示掏蚀历程的特征量。数值模拟研究验证了相似律的正确性。     

热循环对原子氧与树脂基复合材料 交互作用的影响

文章选取M40/DFA-1和M40/AG-80两种碳纤维增强树脂基复合材料,进行了热循环对原子氧与这两种材料交互作用影响的研究。原子氧反应率的计算和层间剪切性能测试的结果表明,一定温度区间一定次数的热循环使得材料与原子氧交互作用减弱。该研究应用X射线光电子能谱仪（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）对样品表面成分和形貌进行了分析。根据分析结果,初步提出热循环对增强树脂基复合材料自身抗原子氧侵蚀能力的作用机理。     

硅有机物提高航天器树脂材料抗原子氧剥蚀性能

为了提高航天器树脂材料的抗原子氧剥蚀的性能，把氨丙基三乙氧基硅烷加入到环氧树脂中，并对所制成的环氧树脂试样进行原子氧效应地面模拟试验。对试验前后试样的质量损失，表面形貌、表面成分和结构的变化进行了对比和分析。结果表明，添加有机硅烷可以有效地提高环氧树脂的抗原子氧剥蚀性能，试样的质量损失和剥蚀率明显下降。60小时实验之后，添加11.8%有机硅烷材料的剥蚀率约为纯环氧树脂的34%。     

低地球轨道环境原子氧对航天器表面材料聚酰亚胺作用的数值模拟

在建立数学物理模型的基础上，对氏地球轨道环境和地面实验环境下，有无保护层的聚酰亚胺所受原子氧冲蚀作用进行了进行了成功的数值模拟，获得了具有工程应用价值的数值计算结果，并讨论了数学物理模型中各参数对基蚀曲线形状的影响。从数值模拟结果和美国太空实验结果的比较可以看出，本文数据模拟的结果是正确的。该项工作对航天器的设计具有重要指导意义。     

同轴源原子氧地面模拟设备实用性分析

文章简要叙述了原子氧地面模拟设备的基本要求,介绍了同轴源原子氧模拟设备的性能。从原子氧的能量及分布,通量密度的大小、均匀性、重复性,以及紫外辐照和原子氧同时作用、光学性能原住测量等方面,分析了设备的实用性。该设备以上性能和功能都接近空间实际,因而试验结果比较可靠。     

原子氧环境对空心阴极影响的地面模拟试验研究

为确定原子氧对六硼化镧型空心阴极的影响,将LHC-5型空心阴极放置于原子氧试验设备中反复点火,期间使用钨铼5-26热电偶测量阴极管温度。试验完成后检查空心阴极,发现阴极管出现膨胀开裂现象,其断面的XPS成分分析结果表明阴极管的断裂失效是由氧化导致的。因此,针对LEO使用六硼化镧型空心阴极的离子推力器、霍尔推力器和等离子体接触器等航天器部件,应制定正确的工作关机策略以保证阴极不受原子氧环境影响。     

空间用长寿命自浮动电连接器原子氧侵蚀效应仿真研究

低地球轨道原子氧与航天器表面材料相互作用,可导致材料因氧化剥蚀而发生性能衰退。文章针对空间机械臂用某型长寿命自浮动电连接器,采用自主编写的计算软件,结合地面模拟试验获得的材料剥蚀率数据,对原子氧侵蚀效应进行仿真分析。仿真结果可直观显示电连接器表面各部分所受原子氧侵蚀的厚度分布。地面试验验证表明,经注量为7.83×1022 cm-2的原子氧辐照后,电连接器室温下绝缘电阻大于1×105 GΩ,满足技术要求。研究结果可为空间站用电连接器的设计和寿命预测提供参考。     

飞航导弹分层变结构控制

飞航导弹模型可以处理成一种四层非线性、时变块对角结构，但其中一、二层模型不是仿射型模型，这在控制理论的应用上受到限制。本文应用优化线性理论，对这两层模型进行了仿射型处理，这样就得到了飞航导弹的四层非线性信射型模型。接着，本文提出了玫类非线性系统的变结构控制方法，从而对导弹进行了分层变结构控制器设计。仿真结果表明，所设计的系统具有很强的鲁棒性。     

带柔性部件卫星耦合动力学建模理论及仿真

本文利用Ｊｏｕｒｄａｉｎ速度变分原理和集中质量有限元法建立了太阳帆板变形运动与星体大范围刚体运动之间的相互耦合的程式化动力学方程；用数值方法仿真了系统的动力学性能，给出了三种卫星动力学模型并比较了三种卫星动力学模型之间的差异；指出了目前工程实际中所用动力学模型的不足，进而提出了合理的卫星耦合动力学模型。     

自由飞行空间机器人通用运动学模型及其仿真

本文了一种新的通用运动学模型。这一模型和以前方法不同，用通用方法导出能求机器人任一部分速度的通用方程式，同时这种通用模型由于运动学方程式表达式简单，所以计算速度很快，从而为空间机器人实时控制提供条件。本文首先在通用运动学模型所需的基本概念基础上推导出通用的运动学模型方程式，其次对该运动模型给以分析，最后通过仿真实验方法证明了本文提出的通用运动学模型比以往的几种运动学模型计算速度快的结论。     

含磷聚酰亚胺薄膜在原子氧环境中的降解研究

文章考察了自行合成的含磷聚酰亚胺（PI）薄膜在模拟原子氧环境中的降解行为。扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等测试结果表明:在原子氧辐照过程中,含磷PI薄膜表面的磷元素与氧元素含量增加,原子结合能也增大,意味着在PI表面形成了含磷钝化层。该钝化层进一步阻止了PI次表面层被侵蚀,使含磷PI薄膜表现出了抗原子氧侵蚀能力,其在模拟原子氧环境中的质量损失率远低于Kapton薄膜。