航天器迎风面不同位置原子氧掏蚀效应的数值模拟研究

Kapton作为基底的热控涂层被广泛应用于航天器的外表层设计中。近地轨道航天器的飞行方向与航天器表面法线之间的夹角(在本文中简称为ANI)对原子氧掏蚀效应有较大的影响。文章利用Monte Carlo方法研究了航天器迎风面(即0°≤ANI≤90°处)上ANI与掏蚀效应之间的关系。结果表明,束流和撞击能量不变时,ANI的增加会引起原子氧掏蚀空腔发生同向倾斜,空腔的深度不断减小,而宽度将急剧增加;当保护层厚度一定时,ANI的增加还会引起缺陷处入射的原子氧的反应率降低。     

离轨薄膜帆帆面材料原子氧侵蚀的数值模拟研究

用于空间碎片减缓的增阻离轨薄膜帆在离轨过程中,帆面材料要长期暴露在较为恶劣的空间环境中,在低地轨道,原子氧对帆面薄膜材料的侵蚀最为严重。离轨帆帆面轻薄,对缺陷敏感,帆面材料为双面镀铝的聚酰亚胺或聚酯薄膜,帆面厚度几微米,镀层厚度几百纳米。为了合理的评估离轨薄膜帆帆面材料的寿命,本文基于对帆面孔隙、裂纹、折痕等缺陷的试验表征结果,采用蒙特卡洛数值模拟方法,分析不同缺陷尺度下原子氧对帆面材料的掏蚀情况。由于离轨帆帆面在叠收拢以及发射过程中均不可避免地会产生较为密集的缺陷,缺陷密度与薄膜膜厚具有可比性,因此重点研究了帆面薄膜材料的原子氧掏蚀缺陷密度效应。离轨帆从750km轨道经历38个月时间的离轨过程中,经历原子氧累积通量约为4.67E20atoms/cm2。帆面500nm和1μm宽度缺陷在原子氧掏蚀作用下破坏深度约1.2μm和1.4μm,宽度约为600nm和1.1μm。通过将仿真结果与NASA的长期暴露试验结果进行比对,验证了模型的有效性。该模型可为离轨帆寿命评估提供初步的理论依据。     

苯基硅橡胶热控涂层材料抗原子氧腐蚀能力的研究

为了评估材料的抗原子氧腐蚀能力,首先在地面模拟设备上通过激光爆破法产生平动能约为4.5 e V的原子氧束源,然后利用此高能氧束源对苯基硅橡胶热控涂层材料进行暴露实验。材料受高能原子氧轰击而导致的影响,分别通过质量、X射线光电子能谱和扫描电镜进行表征。结果显示,原子氧累积通量9.5×10~(19)atoms/cm~2及8.5×10~(20)atoms/cm~2暴露实验后,材料表面微观形貌没有明显腐蚀,质量有少许增加,表面化学组成发生明显变化,分析认为是形成非挥发性物质SiO_x。实验结果表明,苯基硅橡胶热控涂层材料具有优越的抗原子氧腐蚀能力,推测其机理是形成的SiO_x钝化层作为保护层对其下方的材料进行保护,阻止原子氧对材料进一步腐蚀。     

原子氧对航天器热控材料影响试验研究

原子氧对航天器热控材料的影响是航天器热控设计必须考虑的因素之一。文章对航天器舱外常用热控涂层和外用复合膜两类材料进行了地面原子氧及原子氧+远紫外辐照试验,试验获取了不同原子氧积分通量下涂层和复合膜的影响数据,并对热控材料实施部位性能退化的关系进行了分析,研究结果将为航天器热控设计与分析提供数据支持。     

原子氧环境及其试验研究

原子氧对低地球轨道(LEO)卫星表面的剥蚀已为众多的飞行试验所证实,它对热控涂层、光学表面的损伤是明显的.随着LEO卫星性能的提高和工作寿命的增长,应把原子氧对材料的剥蚀试验作为LEO卫星表面用材料的筛选试验,推荐原子氧对材料的剥蚀试验条件为 1.0×1020～3.0×1020个/cm2.试验设备应配有紫外,二者协合能更好地模拟轨道上的效应.开展LEO卫星上的搭载飞行试验,确定原子氧环境对材料的影响,逐步建立起原子氧效应数据库,对加速载人航天和空间站技术的发展是必要的.     

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。     

原子氧环境对有保护Kapton材料基蚀作用的研究

研究了低地球轨道原子氧环境对有环境Kapton材料的基蚀作用。采用蒙特卡罗方法模拟了原子氧Kapton材料的作用过程，模拟结果与长期暴露装置（LDEF）试验数据基本符合。结果表明，保护层缺陷尺寸对基蚀形状影响较大，决定了基蚀深度的大小，同时，考虑了非理想镜面反射作用对基蚀形状的影响。     

长寿命载人航天器热控白漆退化性能试验研究

针对长寿命载人航天器热控白漆在空间环境下的性能退化评估需要,文章对KS-ZA白漆热控涂层进行了地面原子氧、近紫外远紫外和电子质子辐照试验,获取了涂层的空间环境退化数据,得到了涂层与原子氧的反应率,分析了涂层的长期原子氧剥蚀情况。利用经验模型对涂层的紫外辐照性能进行了数据拟合和退化预示,评估了涂层长期紫外辐照退化性能。结果表明,KS-ZA白漆具有良好的空间环境稳定性,可以满足长寿命载人航天器的热控需要。研究结果将为载人航天器热控设计与分析提供试验和退化数据支持。     

温控白漆原子氧、紫外综合环境效应退化影响初步研究

文章主要介绍了对S781、SR107-ZK两种国产温控白漆进行地面单一原子氧环境、原子氧/紫外综合环境效应模拟试验的情况.试验条件为短期环境暴露试验,原子氧积分通量、紫外辐照积分量按照STS-8轨道条件设计.采用SEM、XPS、光谱计、微量天平等对试验前后的样品进行了表面形貌、表面成分、太阳吸收率、质损分析,对这两种国产温控白漆原子氧、紫外环境效应退化规律有了初步认识.     

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。     

ITO/Kapton/Al薄膜材料空间微小碎片与原子氧综合作用试验研究

空间微小碎片与原子氧作用对带防护涂层材料的性能有较大影响。文章针对ITO/Kapton/Al薄膜进行了微小碎片与原子氧综合作用的试验研究。结果表明:微小碎片与原子氧作用后,薄膜表面损伤严重,质量损失明显;综合作用和单独碎片撞击造成材料太阳吸收比的退化程度一致;综合作用造成ITO/Kapton/Al表面In、Sn含量降低,C含量低于单独碎片作用样品。     

Kapton抗原子氧侵蚀的Al2O3涂层研究

在原子氧侵蚀地面模拟设备中对Kapton和利用反应溅射制备的Al2O3涂层进行了原子氧暴露实验，并采用XPS和SEM等分析手段对暴露前后试样表面的物理和化学变化进行了研究。结果表明，Kapton试样遭受了严重的侵蚀，质量损失较大；Al2O3涂层质量变化很小，对基体提供了良好的保护作用。XPS分析结果表明，Kapton的羰基与原子氧作用时形成CO2，随后CO2气体脱附。反应溅射的Al2O3涂层是富Al的，初始暴露时由于氧化反应而质量有少许增加，随时间延长，涂层变得完全符合化学计量。     

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。     

地面模拟空间环境下磷酸盐涂层的摩擦学行为

针对有机类固体润滑防护涂层长期暴露在空间环境下涂层表面降解、致密性下降、润滑作用失效等问题,设计开发了改性磷酸盐黏结固体润滑防护涂层。通过地面模拟空间综合环境设备系统,分析了改性磷酸盐黏结固体润滑防护涂层在长时间紫外、原子氧、高能质子和电子辐照后的结构变化和真空摩擦学性能。结果表明:紫外和高能粒子辐照对改性磷酸盐黏结固体润滑涂层的力学和真空摩擦磨损性能均无影响;原子氧对涂层表面的二硫化钼具有一定的氧化作用,但并未影响涂层的摩擦磨损性能,涂层经过各种辐照后仍然表现出良好的润滑作用。该涂层有望应用于航天飞行器相关运动部件的润滑与防护。     

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。