空间Kapton材料的原子氧、温度、紫外效应试验研究

主要通过灯丝放电磁场约束型原子氧剥蚀效应地面模拟设备模拟空间环境,对空间常用材料Kapton进行了原子氧剥蚀效应、温度升高对材料原子氧效应的影响试验以及原子氧与紫外辐射复合效应试验,对试验前后试样的外观、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变化、紫外辐射对材料的原子氧效应的影响规律.同时测量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和透射率,并进行了比较.      

石墨烯用于提高材料抗原子氧剥蚀性能

提出新型二维纳米材料石墨烯在航天器上的应用.首先采用超声空化法制备得到石墨烯,然后将其添加到环氧树脂中,采用共混法制成纳米复合材料.热失重分析显示材料的热稳定性能有所提高.在地面模拟设备中对环氧树脂和纳米复合材料进行了原子氧效应试验,并对试验前后材料的质量损失、表面形貌和表面成分等进行了分析,结果表明纳米复合材料相对于纯环氧树脂,其抗原子氧剥蚀性能有明显提高.      

深空辐射条件下EDFA波分复用性能研究

随着对空间试验卫星光通信系统数据容量需求的逐年增加,空间波分复用技术将成为拓展通信容量的有效手段,需要研究掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)波分复用特性在深空辐射条件下的性能变化情况。研究了深空辐射及温度场对EDFA的性能影响、非均匀特性,建立了深空辐射条件下EDFA的波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技术信号之间的增益影响模型,给出了增益的非均匀变化影响的评估方法。并分别采用电子和中子作为辐射源,进行了地面模拟深空辐射环境的辐射电离效应和辐射位移效应实验,实验结果进一步验证了该模型正确性。利用该模型,可获得深空辐射环境中,不同辐射类型、不同温度下,EDFA在WDM应用时各波长增益的非均匀特性,可为深空光通信中EDFA的WDM应用提供参考。     

纳米复合相变材料熔化过程数值模拟

相变储能技术在航空航天等领域具有广泛的应用前景,但是相变材料导热性能差制约了其工程化应用。高导热的纳米材料能够有效提高相变材料的导热性能。为了对其相变现象进行更精细的模拟分析,基于Maxwell-Garnett等效介质理论（EMT）建立3种具有代表性结构的纳米复合相变材料详细物性参数,将流体体积（VOF）模型与焓-多孔介质模型相耦合,在考虑相变材料体积膨胀的情况下,数值模拟了纯石蜡、添加不同体积组分金刚石纳米粒子（ND）、单壁碳纳米管（SWCNT）和石墨烯纳米片（GnP）的纳米复合相变材料在定温边界条件下的固液相变过程。结果表明:相变材料熔化过程中对流效应主要分布在临近固液相界面、临近加热壁面及临近气液两相交界面这3个区域;3种纳米粒子中GnP的导热强化效果最佳,相比纯石蜡,添加体积分数为3%的GnP纳米复合相变材料固相导热系数提高了486%,相变材料的熔化时间缩短了69%;升高壁面温度能够有效缩短复合相变材料的熔化时间。      

空间材料Kapton的真空紫外与 原子氧复合效应研究

对空间常用聚合物材料Kapton开展了真空紫外辐射及其与原子氧复合效应的地面模拟试验研究,总结了试验前后试样外观、质量、表面形貌、光学参数和表面成分的变化规律,并对反应机理作了初步的分析.结果表明:在原子氧的作用下,Kapton的剥蚀主要是碳氮等元素的氧化所致.而在真空紫外辐射的作用下,Kapton表面会交联形成大分子,从而提高了试样的抗原子氧剥蚀性能.但是,随着原子氧累积通量的增大,这层大分子会逐渐被剥蚀掉,而真空紫外辐射,对Kapton的原子氧效应试验结果没有影响.      

CRRES卫星内部充电的模拟计算与验证

基于Geant 4软件建立一种用于计算航天器内部充电所产生电场的方法.分析载有IDM仪器的CRRES卫星当时所处的空间电子环境,使用该方法进行内部充电模拟,并将模拟结果与IDM仪器所测得的放电脉冲数据进行对比,不仅验证了该方法的有效性,更重要的是深入认识了引起航天器内部充电的空间环境特征以及材料特性对充放电效应的影响.介质内最大电场的模拟计算结果与CRRES卫星实际观测到的放电现象吻合;在材料的各项参数中,与辐射感应电导率有关的kp系数对稳态电场有很大影响,为了定量研究内部充电效应,需要在实验室精确地测定kp系数;材料的暗电导率、密度以及材料的分子构成等也与内部充电效应有关,对这些参数细致地研究有助于对内部充电效应的认识.      

二维层状材料过渡金属硫化物

过渡金属硫化物（TMDCs）纳米材料优异的性能有利于它在纳米电子学、光电子学和自旋电子学等领域广泛地应用。主要介绍了TMDCs材料最新的进展,概述了TMDCs的制备方法、性能以及纳米结构形态。纳米TMDCs层状材料边缘态对材料性能会产生重要的影响,着重介绍了低维纳米材料边缘态对性能（化学性能、电子性能和磁性能）的影响以及边缘态最新的研究进展,特别是TMDCs材料边缘态的磁性能为其在磁性和自旋领域潜在性的应用提供了可能,并且引起了广大研究者们的兴趣,从实验和理论2个方面总结了该领域的研究成果,为二维层状TMDCs材料的研究提供了支持。      

碲化铋基热电半导体晶体空间生长

碲化铋基热电半导体是中低温区高性能热电材料,在热电致冷、电子器件精确控温领域获得了重要应用,且在更多领域具有广泛应用前景.碲化铋基材料通常采用区熔法制备,材料的性能优值ZT约为0.8.应用要求进一步提高其ZT值.合金化和掺杂优化是提高碲化铋基材料性能的有效途径,但会使得材料的化学成分越来越复杂.重力条件下区熔的固有问题是,重力导致的浮力对流和壁附效应凸显,使区熔碲化铋基材料成分和性能波动较大.空间微重力可以消除重力导致的浮力对流和壁附效应,有望提高碲化铋基材料的成分均匀性和热电性能.本文根据碲化铋基材料空间微重力下区熔生长研究状况,对实践十号科学实验卫星和天宫二号空间实验室将开展的碲化铋基材料空间微重力区熔生长研究进行了分析.      

星载反射阵天线形变对其辐射特性的影响

高增益、低剖面、低质量的平面反射阵天线广泛应用于卫星通信及空间探测领域.目前虽有多种新型星载反射阵天线设计，但尚未大规模实际应用.反射阵天线在加工、组装过程中出现的误差以及在空间高低温环境中产生的形变误差都会对其电特性产生影响.为验证反射阵天线大规模实际应用于空间探测的可行性，研究了反射阵天线可能出现的形变误差对其辐射特性的影响，从理论上分析了反射阵单元发生位移、旋转、变形时反射相位的变化规律，并且从反射阵天线设计实例出发，利用科学计算和电磁仿真软件对天线的方向图、增益等特性进行仿真分析，研究形变对反射阵天线电性能的影响.      

材料粗糙度变化对卫星光谱红化效应的影响

在轨人造目标的地基观测光谱存在红化效应，影响对目标反射光谱的理解应用.目标在进入空间环境后外露材料表面粗糙度发生变化.本文结合材料的光谱散射特性、卫星轨道和观测条件，仿真分析了卫星表面材料粗糙度变化对红化效应的影响.基于文献中实验数据，设计不同粗糙度的卫星表面材料样本，模拟空间环境中材料表面粗糙度的变化.利用双向反射分布函数，建立不同粗糙度材料样本的光谱散射模型.理论模拟结果表明，材料表面粗糙度的变化会影响其光谱散射特性，散射光谱形态和散射分布取决于粗糙度及入射-反射几何关系.引入网格剖分和可见面片，利用材料双向反射分布函数，仿真计算卫星表面材料在不同粗糙度状态下，整个卫星在可见光波段的反射光谱信号.仿真结果表明，随着卫星表面材料粗糙度的增加，其反射光谱在600nm之后随波长增加而呈现上升趋势，这表明空间环境中外露材料表面粗糙度变化是卫星产生红化效应的原因之一.      

新一代星敏感器遮光罩—— 碳纳米管遮光罩技术研究

针对目前星敏感器遮光罩普遍存在的尺寸和质量较大、杂光消除能力受限等问题,从提高吸光涂层吸光率入手,提出碳纳米管遮光罩新概念,研制一套钛合金基底生长碳纳米管涂层的新技术,使得涂层吸光率达到99%以上,并成功制作出可等效替代现有飞行产品遮光罩的碳纳米管遮光罩.通过真空原子氧、紫外辐照、高能粒子辐照、热真空、力学环境等各项空间环境实验,证明其空间环境适用性.与现有星敏感器遮光罩产品的杂光比对试验结果表明,使用碳纳米管遮光罩的星敏感器杂光灰度降低了56%,显示出杂光消除性能的优势.本文创新成果突破了碳纳米管技术在杂光消除领域实际应用的瓶颈技术,对促进星敏感器技术的提高具有重要的工程价值.     

A material experiment for small satellites to characterise the behaviour of carbon nanotubes in space – development and ground validation

Over the last years, Carbon Nanotubes (CNT) drew interdisciplinary attention. Regarding space technologies a variety of potential applications were proposed and investigated. However, no complex data on the behaviour and degradation process of carbon nanotubes under space environment exist. Therefore, it is necessary to investigate the performance of these new materials in space environment and to revaluate the application potential of CNTs in space technologies.Hence, CiREX (Carbon Nanotubes – Resistance Experiment) was developed as a part of a student project. It is a small and compact experiment, which is designed for CubeSat class space satellites. These are a class of nanosatellites with a standardized size and shape. The CiREX design, electrical measurements and the satellites interfaces will be discussed in detail. CiREX is the first in-situ space material experiment for CNTs.To evaluate the data obtained from CiREX, ground validation tests are mandatory. As part of an extensive test series the behaviour of CNTs under solar ultra violet light (UV) and vacuum ultraviolet light (VUV) was examined. Single-walled carbon nanotubes (SWNT), multi-walled carbon nanotubes (MWNT) and MWNT/resin composite (ME) were exposed to different light sources. After the exposure, the defect density was investigated with Raman spectroscopy. There is a clear indication that UV and VUV light can increase the defect density of untreated CNTs and influence the electrical behaviour.     

Degradation of thermal control materials under a simulated radiative space environment

A spacecraft with a passive thermal control system utilizes various thermal control materials to maintain temperatures within safe operating limits. Materials used for spacecraft applications are exposed to harsh space environments such as ultraviolet (UV) and particle (electron, proton) irradiation and atomic oxygen (AO), undergo physical damage and thermal degradation, which must be considered for spacecraft thermal design optimization and cost effectiveness. This paper describes the effect of synergistic radiation on some of the important thermal control materials to verify the assumptions of beginning-of-life (BOL) and end-of-life (EOL) properties. Studies on the degradation in the optical properties (solar absorptance and infrared emittance) of some important thermal control materials exposed to simulated radiative geostationary space environment are discussed. The current studies are purely related to the influence of radiation on the degradation of the materials; other environmental aspects (e.g., thermal cycling) are not discussed. The thermal control materials investigated herein include different kind of second-surface mirrors, white anodizing, white paints, black paints, multilayer insulation materials, varnish coated aluminized polyimide, germanium coated polyimide, polyether ether ketone (PEEK) and poly tetra fluoro ethylene (PTFE). For this purpose, a test in the constant vacuum was performed reproducing a three year radiative space environment exposure, including ultraviolet and charged particle effects on North/South panels of a geostationary three-axis stabilized spacecraft. Reflectance spectra were measured in situ in the solar range (250–2500 nm) and the corresponding solar absorptance values were calculated. The test methodology and the degradations of the materials are discussed. The most important degradations among the low solar absorptance materials were found in the white paints whereas the rigid optical solar reflectors remained quite stable. Among the high solar absorptance elements, as such the change in the solar absorptance was very low, in particular the germanium coated polyimide was found highly stable.     

Radiation chemistry of ices of planetological interest at low temperature.

We present the results of recent experiments on some physico-chemical effects induced by fast ion colliding with solids of relevance for the physics of planetary objects. The production of molecular solids, polymer-like materials and amorphous carbon by irradiation of frozen hydrocarbons and pentacene is discussed. We also report on a set of experimental results obtained irradiating methanol and water-methanol mixtures. Because of bombardment different species form. The techniques used for the analysis are "in situ" infrared (IR) and Raman spectroscopy. The experimental results are finally discussed in the light of their relevance for planetary physics.     

The influence of microgravity on the growth of metals and alloys—The project of Czechoslovak experiment

The crystal growth under near-zero gravity conditions may lead to materials of better crystalline and compositional perfection [1]. Unidirectional solidification of metals is a part of Czechoslovak programme on space research within the framework of Interkosmos [2]. On the model-like systems of metals grown in the space we want to study the effect of foreign atoms on the surface tension and the lattice defects density. The objectives of our ground-based and space experiments are discussed.     

含孔隙缺陷三维五向编织复合材料偏轴拉伸力学性能分析

针对孔隙缺陷对材料力学性能的重要影响,在材料细观模型中引入随机分布的孔隙缺陷,研究了含孔隙缺陷三维五向编织复合材料的偏轴拉伸力学性能。基于2种典型编织角试件,讨论了孔隙率对材料正轴力学性能的影响,通过与实验数据对比,确定了材料的孔隙率。结合周期性边界条件施加偏轴拉伸载荷,获取了不同偏轴角度下材料的应力-应变曲线,并预测了材料的强度性能。模拟了典型偏轴角度下材料的细观损伤起始、演化过程,分析了材料的失效机理,为其他复合材料结构孔隙缺陷问题及偏轴载荷问题数值分析提供了一定的参考。      

粒子辐照对碳纤维复合材料力学性能影响

对部分碳纤维复合材料粒子辐照前后的力学性能进行了测试和比对,分析了粒子辐照对该材料力学性能影响的部分机理和一些变化规律,进行了微观理论上的探讨。     

天文导航在航天工程应用中的若干问题及进展

导航作为航天器核心技术之一,是确保航天任务成败的关键。天文导航以其连续性好、自主性强、实时性优、导航精度高等优点,逐渐成为航天器导航的有效手段。基于国内外天文导航理论及应用的现状,结合近地卫星、深空探测任务特点,探讨了天文导航在航天工程应用中的理论问题与技术问题,如导航目标源观测量精确建模问题、高精度感知与检测问题等,并对新型天文导航技术进行了展望,指出了未来天文导航理论与技术的发展方向,为解决航天工程中的连续自主、实时高精度导航问题提供了有效途径,为学术与工程界进一步深入开展航天器天文导航理论与技术研究提供参考。