空间用聚四氟乙烯材料的原子氧、温度、紫外辐射效应的试验研究

在 IFM原子氧剥蚀效应地面模拟设备中对空间常用材料聚四氟乙烯进行了原子氧剥蚀效应试验,试样温度升高对原子氧效应的影响以及原子氧与紫外辐射复合效应试验,对试验前后试样的质量及表面形貌进行了比较,得出了材料在设备中的反应特点以及温度升高、紫外辐射对材料的原子氧效应的影响规律。对原子氧与材料的反应机理也做了相应的分析。同时还测量比较了原子氧暴露试验前后、原子氧与紫外辐射复合作用前后试样的反射率、透射率等光学性质。     

纳米颗粒增强环氧树脂抗原子氧剥蚀性能机理研究

 为了提高航天器用树脂基材料的抗原子氧剥蚀性能，将不与原子氧反应的无机纳米二氧化硅颗粒添加到环氧树脂中，并对所制成的纳米复合材料试样进行原子氧效应地面模拟试验，分析了试验前后试样表面形貌、表面成分和表面化学结构的变化规律。结果表明，加入纳米颗粒后，环氧试样的质量损失和剥蚀率出现了明显的下降，抗原子氧剥蚀性能得到了大幅度的提高。同时，试验后的纳米复合材料表面仍然存在一些新的有机结构，它们和纳米二氧化硅颗粒一起，共同阻止原子氧对底层材料的进一步剥蚀。     

银膜的原子氧剥蚀效应及其防护的试验研究

 空间太阳电池板作为空间飞行器电源系统的重要组成部分,它的正常工作对飞行器的运行起着非常重要的作用,而作为互连片的银材料,可能会与空间环境中的原子氧发生反应,生成不导电的氧化物,从而影响空间太阳电池板的有效寿命。本文在原子氧效应地面模拟试验设备中,对银以及镀有不同防护层的银膜进行了原子氧效应地面模拟试验研究,对试验前后试样的外观、质量进行了比较,获得了银在设备中的反应特点,同时对不同防护镀层的有效性进行了验证,为银互连片在空间太阳电池板上的应用及其防护提供了设计依据。     

原子氧对Kapton／Al薄膜性能影响研究

模拟空间环境下原子氧辐照条件,通过采用固定的原子氧束流密度进行不同时间辐照试验,研究了温控涂层材料Kapton/Al薄膜的质量损失、光学性能、表面形貌和表面粗糙度的演化规律.试验结果表明,原子氧对材料的剥蚀量与原子氧的作用时间成正比例关系.材料辐照后太阳吸收率发生明显变化,而辐射率几乎不发生变化.辐照后试样表面的粗糙度,是影响太阳吸收率变化主要因素.随着辐照时间的增长,材料表面粗糙度增加,导致太阳吸收率增大.     

TiO2-有机硅热控涂层对空间聚合材料的防护

在原子氧 (AO)地面模拟设备中对空间材料Kapton及TiO2 有机硅热控涂层进行原子氧剥蚀效应试验。用LAMBDA 9分光度计、光电子能谱 (XPS)、红外光谱 (FTIR)和扫描电镜 (SEM )研究了原子氧 (AO)对Kapton侵蚀机理及对其表面涂覆的TiO2 有机硅热控涂层的防护作用进行了表征。AO对Kapton表现了较严重的侵蚀作用 ,而所施用的TiO2 有机硅热控涂层的表面形貌则变化甚少 ,实验表明 ,该涂层对AO辐照有较强的防护效果、较好的空间稳定性和热控性能。     

低轨载人航天器原子氧环境仿真分析技术

原子氧是影响低地球轨道航天器在轨性能的重要空间环境因素之一,其氧化性对航天器表面材料及舱外组件造成损伤,严重影响航天器在轨寿命。针对此问题提出了一种原子氧仿真分析方法,以此对长期低轨运行的载人航天器模型在轨期间表面遭受到的原子氧累积通量进行分析,仿真结果与NASA实测飞行数据比较,二者吻合很好。本仿真计算方法可用于低轨飞行器原子氧防护设计,仿真结果可作为试验依据。     

灯丝放电磁场约束型原子氧效应地面模拟试验设备

介绍了用于原子氧剥蚀效应研究的灯丝放电磁场约束型地面模拟设备 ( IFM)的构成及工作原理,简单阐述了装置的运行测量结果,分析了等离子体参数随试验条件的变化趋势。并用 IFM设备对 Kapton空间用材料进行了地面模拟试验,试验结果与国外空间飞行暴露试验结果相似     

原子氧对Kapton侵蚀及ZnO-有机硅涂层防护效应研究

在原子氧(AO)侵蚀地面模拟试验设备中对聚酰亚胺(Kapton)和涂ZnO-有机硅防护层的样品进行原子氧剥蚀效应试验。用LAMBDA-9分光度计、光电子能谱(XPS)、红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)等对试验前后试样的表面形貌、质量及化学结构进行表征研究。AO对Kapton表现了较严重的侵蚀作用,其化学结构、元素百分含量和表面形貌都发生明显变化。而所施用的ZnO-有机硅涂层对AO辐照有较强的防护效果,并具有较好的空间稳定性。因腐蚀产物为SiO2,这对抑制AO的进一步侵蚀起到了关键作用。     

空间聚四氟乙烯的真空紫外辐射及其与原子氧的复合效应研究

聚四氟乙烯是航天器上常用的一种聚合物材料。在空间环境效应地面模拟试验设备中 ,对这种材料开展了真空紫外辐射、真空紫外辐射与原子氧复合效应的试验研究 ,总结和分析了试验前后试样外观、质量、光学参数和表面成分等方面的变化规律 ,并对真空紫外辐射及其与原子氧复合作用的过程和反应机理做了初步的分析。得出结论 :真空紫外辐射作用下试样表面积累了碳而发生暗化 ,原子氧又将其漂白 ,这两种因素的复合作用 ,可能会使Teflon材料产生更为严重的剥蚀。     

空间环境分子污染对航天器的影响

空间环境分子污染对航天器的影响,是目前高可靠性、长寿命航天器在设计时非常重要的问题之一。通过对国外航天器在轨飞行过程中所发生的分子污染现象的总结,从分子污染的来源、形成过程、与原子氧和紫外辐射等其他空间环境因素间的反应、对航天器敏感表面特性的影响等方面,对分子污染效应做了详细的介绍。并指出,材料的真空放气产物和原子氧剥蚀产物在航天器表面的沉积,是分子污染的主要来源。而在原子氧和紫外辐射的作用下,污染层会发生氧化、固结、暗化等现象,使其外观和成分发生了不同程度的变化,从而对航天器敏感表面的光、电、热控等性能带来了很大程度的影响。     

低地球轨道环境对材料的影响

综述了原子氧、空间辐射、热循环、高真空、微流星和空间碎片等低地球轨道环境因素对材料性能的影响；从地面模拟实验、材料研制与防护涂层的开发等方面提出了急需解决的问题，为空间站、人造卫星等低轨道航天器用材料的选择与研制提供了依据。     

航天器天基测控技术仿真研究

天基测控技术是航天测控系统的发展方向，是弥补地基（陆基＋海基）测控系统缺陷、缓解地基测控资源紧张的有效办法。本文提出了基于“北斗一号”系统的航天器天基测控技术仿真方法，设计并建立了相应的仿真系统。基于建立的仿真系统、按照设计的仿真方法对航天器天基测控技术进行了全面仿真。仿真结果表明，基于“北斗一号”系统的天基测控技术可行，性能指标可以满足中低轨道航天器实际测控需要。     

C/E表面镀Al膜的原子氧试验

为了提高C/E复合材料的导电性及耐空间环境的能力,应用电弧离子镀技术在C/E复合材料表面沉积了A l膜,研究了地面模拟原子氧环境对C/E复合材料表面镀A l前后的侵蚀、质损及A l膜的附着力、导电性的影响。通过XRD、SEM、FT-IR、万能拉伸测试仪、FZ-82数字式四探针测试仪等测试分析样品。结果表明:电弧离子镀A l膜微米级以上颗粒较多,但分布均匀,膜层致密,附着力达2 N/mm2以上;原子氧对C/E复合材料侵蚀明显,镀铝后具有明显的防护作用;原子氧侵蚀后的A l膜电阻率有所上升,但还是有较好的导电性;辐照后的A l膜附着力比辐照前反而增加,其机理尚待进一步研究。     

Competing effects of surface catalysis and ablation in hypersonic reentry aerothermodynamic environment

Under hypersonic flow conditions, the complicated gas-graphene interactions including surface catalysis and surface ablation would occur concurrently and intervene together with the thermodynamic response induced by spacecraft reentry. In this work, the competing effects of surface heterogeneous catalytic recombination and ablation characteristics at elevated temperatures are investigated using the Reactive Molecular Dynamics (RMD) simulation method. A Gas-Surface Interaction (GSI) model is established to simulate the collisions of hyper-enthalpy atomic oxygen on graphene films in the temperature range of 500–2500 K. A critical temperature T_c around 900 K is identified to distinguish the graphene responses into two parts: at T < T_c, the heterogeneous surface catalysis dominates, while the surface ablation plays a leading role at T > T_c. Contradicting to the traditional Arrhenius expression that the recombination coefficient increases with the increase of surface temperature, the value is found to be relatively uniform at T < T_c but declines sharply as the surface temperature increases further due to the competing ablation effect. The occurrence of surface ablation decreases the amounts of active sites on the graphene surface for oxygen adsorption, leading to reduced recombination coefficient from both Langmuir-Hinshelwood (L-H) and Eley-Rideal (E-R) mechanisms. It suggests that the traditional Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation method, which relies on the Arrhenius-type catalysis model, would result in large discrepancies in predicting aerodynamic heat for carbon-based materials during reentry into strong aerodynamic thermal environment.     

Erosion of a Polyimide Material Exposed to Simulated Atomic Oxygen Environment

Oxygen plasma source generated by thermal cathode filament discharge has been used to study the erosion process of polyimide (PI) materials in atomic oxygen (AO) environment, and their mass loss, surface morphology and surface chemical compositions have been examined by scanning electron microscope (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) after exposure to incremental AO flux. The data indicate that the physical adsorption of AO at the samples' surface results in the increase of oxygen concentration when polyimide is exposed to AO flux. Then selective chemical reactions of groups of polyimide materials with AO yield volatile organic compounds, sample mass loss is on linear increase and carpet-like surface morphology forms. In the initial exposure to AO, the reaction occurs mainly between AO and carbon in specific location of aromatic ring, then the reaction rate of C=O groups gradually increases. After AO exposure, the oxygen concentration increases while nitrogen and carbon concentration decreases. Reaction rate of groups containing nitrogen is slower compared with carbon and oxygen.     

超低轨航天器气动特性快速预测的试验粒子Monte Carlo方法

超低轨(LEO)卫星气动特性的快速准确计算是对其进行轨道预测和控制的关键输入条件。基于真空技术领域中计算管道分子流率的试验粒子Monte Carlo(TPMC)方法,结合自由分子流理论,发展了一套快速准确预测低轨卫星气动特性的TPMC方法,给出了其模拟步骤及主要关键技术点,并采用该方法模拟了带电池翼超低轨卫星的气动特性和航天器典型构件之间的多次反射效应。结果表明:TPMC方法在计算超低轨航天器气动力、力矩时具有较高的可靠性和对工程复杂外形的适用性;该方法能够准确模拟自由分子流理论无法求解的多次反射问题,给出正确的气动力系数;该方法的计算速度比直接模拟Monte Carlo(DSMC)快3~4个量级,存储量要求也比后者低1~2个量级,是超低轨航天器气动特性快速准确预测的一个理想方法。     

双星定位系统及其备份星在近地卫星联合定轨建模中的应用

建立了基于双星定位系统距离和观测数据的近地卫星联合定轨模型,设计了相应的数值融合联合定轨算法;为进一步提高近地卫星定轨精度,考虑融合双星及备份星距离和观测数据,建立了基于双星和备份星的近地卫星联合定轨模型及实现算法,并针对不同仿真条件进行了联合定轨仿真实验。仿真计算结果表明,联合定轨方式较传统近地卫星精密定轨方式可以更好地抑制双星星历误差对近地卫星定轨精度的影响,近地卫星和双星的定轨精度均得到了一定程度的提高;同时,融合备份星观测数据的近地卫星联合定轨精度得到进一步改善,达到5.17m。