一种微波等离子体原子氧模拟装置

介绍了一种新颖的原子氧模拟试验装置。该装置采用了微波电子回旋共振（ｅｌｅｃｔｒｏｎｃｙｃｌｏｔｒｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅ简称“ＥＣＲ”）的先进技术。最佳调试状态下，可获得１０（１５）／（ｃｍ２·ｓ）的束流。在该试验装置上，对航天器上常用的Ｋａｐｔｏｎ和石墨环氧材料进行了原子氧效应试验，首次在国内成功的获得了原子氧束流模拟试验的样品结果。对样品的表面形貌分析证明：试验结果完全与国外同类设备的试验结论一致，这标志着中国在原子氧地面模拟技术领域的研究已取得重要进展。     

紧凑型ECR等离子体原子氧束流源的研制

原子氧对低地球轨道航天器部件材料的侵蚀及其地面环境模拟日益受到国际航天界的重视.高速飞行的航天器与迎面的空间环境原子氧之间相互作用能量约为5eV,在此能量范围内,原子氧束流与材料表面相互作用的许多物理和化学问题尚待从实验上认真研究,因此必需建立地面环境模拟装置.本文根据电子回旋共振(ECR)原理,利用微波的同轴传输与耦合,采用永磁体构成轴向不对称磁镜场产生会切磁场,降低了常规设计的磁场强度,缩小了装置的尺寸,同时采用无电极放电,避免了重金属杂质导入等离子体,研制出紧凑型纯净原子氧中性束流源.该装置易与真空容器联接.联机运行结果表明该装置能够在10-1-10-3Pa的气压范围内稳定运行,通量密度达到3×1015atom/cm2@s,满足了原子氧环境地面模拟试验对装置小型化的要求.     

微小空间碎片与原子氧协同效应研究

利用等离子体驱动微小碎片加速器和潘宁源的原子氧模拟装置在中国首次开展了微小碎片撞击与原子氧协同作用对Kapton膜和镀铝Kapton膜的侵蚀效应研究. 实验结果表明, 碎片撞击能明显加剧原子氧对Kapton和镀铝Kapton膜的侵蚀效应, 对航天器的寿命及可靠性构成威胁, 制约中国长寿命高可靠性航天器的发展.      

微波电离型原子氧源的降能和中性化系统

在把微波电子回旋共振技术应用到离子源中,获得了１０＾１５个原子／（ｃｍ＾３．ｓ）束流的基础上,采用了结构新的降能和中性化系统,把高能氧离子转变为低能氧原子;成功地研制出了一种新颖的原子氧环境效应地面模拟试验装置。由该装置获得的粒子在能量和类型方面均与低地球轨道环境相一致,从而实现了对低地球轨道环境的真实模拟。     

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.      

原子氧对O型圈泄漏率的影响

使用原子氧效应地面模拟设备对硅橡胶材料O型圈进行了原子氧暴露实验;用测压法进行了O型圈在原子氧暴露前后的泄漏率比对实验,并对实验前后O型圈表面形貌特征作了扫描电镜分析.实验表明:原子氧对O型圈表面有很大的剥蚀效应;O型圈经过原子氧暴露后,质量减少、泄漏率明显增大;暴露时间越长,表面形貌受到的损坏越严重、质量减少量越多,泄漏率也就越大.      

原子氧对红外干扰材料消光性能的影响研究

为探索大气中的红外干扰材料可否应用于外层空间, 利用原子氧效应地面模拟装置对铜粉和石墨粉两种红外干扰材料样品进行了原子氧暴露实验, 并对样品进行了质量分析、XRD分析和红外透过率测试. 结果表明, 原子氧累积通量达到5.0×1019cm-2时, 铜粉样品质量增加0.004mg•cm-2,石墨粉样品质量损失0.117mg•cm-2; 原子氧暴露后, 铜粉对3~5μm与8~12μm红外质量消光系数由3.64 m2•g-1与2.74 m2•g-1变为3.14 m2•g-1与2.65 m2•g-1, 消光能力降低; 石墨粉对3~5μm和8~12μm红外的质量消光系数由6.54 m2•g-1和5.78 m2•g-1减小为2.38 m2•g-1和2.27 m2•g-1, 消光能力明显减弱.      

研究原子氧对空间材料效应的氧等离子体试验装置

介绍我所研制成的一台评价原子氧对空间材料效应的高频放电氧等离子体试验装置的结构和性能.对Kapton试样的测试表明:用这种装置试验的结果与美国洛克希德公司装置的测试结果相当.其作用强度相当于200km高度轨道中原子氧作用强度的4倍以上.     

聚酰亚胺/无机氧化物复合薄膜的制备与耐原子氧性能

分别以锆酸四丁酯、钛酸四丁酯和正硅酸乙酯为氧化物前驱体,利用溶胶凝胶法制备了一系列聚酰亚胺/无机氧化物复合薄膜,在原子氧地面模拟设备中进行了原子氧暴露实验,原子氧累计通量约为3.1×10²⁰ atom/cm².分别考察了无机氧化物种类和含量对复合薄膜力学性能和耐原子氧性能的影响.结果表明,无机氧化物在聚酰亚胺基体中的分散形态对其力学性能影响很大;原子氧暴露后,聚酰亚胺薄膜表面分别形成了富锆、富钛和富硅的保护层,质量损失率减小,耐原子氧性能明显提高.     

微珠提高玻纤/环氧树脂抗原子氧剥蚀的研究

采用一种新的抗原子氧剥蚀技术来提高航天器用玻璃纤维/环氧树脂复合材料抗原子氧剥蚀的性能,即在玻璃纤维/环氧树脂中加入不与原子氧反应的超细空心微珠颗粒制备出能抗原子氧剥蚀的复合材料.通过对空心微珠/玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备和原子氧剥蚀效应地面模拟试验,发现空心微珠的加入可以有效提高玻璃纤维/环氧树脂抗原子氧剥蚀的性能,在60 h的原子氧试验中,加有空心微珠的复合材料的原子氧剥蚀率可以减小到未添加空心微珠材料时的11％.      

碳纤维/环氧复合材料的原子氧剥蚀效应试验研究

碳纤维/环氧树脂用在空间飞行器上时,面临着空间环境中各种因素特别是原子氧效应的影响,因而在地面模拟设备中对这种材料进行了原子氧剥蚀效应试验研究,并且考察了温度变化的影响.通过比较试验前后试样的质量及表面形貌,得出了材料在设备中的反应特点以及温度变化对材料原子氧效应的影响规律.同时,还对设备中存在的离子氧在材料的质量损失中所起到的作用进行了定性的研究.     

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.      

含磷聚酰亚胺的合成与抗原子氧性能

利用自行合成的含磷芳香族二胺单体--二(3-氨基苯基)苯基氧化磷(DAPPO),制备了一系列含磷聚酰亚胺薄膜.在原子氧地面模拟设备中对该薄膜进行了原子氧暴露实验,并采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和X射线光电子能谱(XPS)等分析手段对原子氧暴露前后薄膜表面的聚集态结构和化学结构演化进行了分析.结果表明,原子氧暴露后,引入含磷二胺单体的聚酰亚胺薄膜表面形成了富磷保护层,剥蚀率减小,抗原子氧性能明显提高, 磷质量分数为5.47%的聚酰亚胺薄膜在原子氧作用20h的总剥蚀率分别降低为Kapton^和Upliex-R型聚酰亚胺的13%和20%.     

空间太阳电池板银互连片原子氧效应模拟试验

空间太阳电池板可作为空间飞行器的动力源,但由于原子氧在空间太阳电池板银互连片上的腐蚀作用,可能影响空间太阳电池板的有效寿命.因此,在北航流体所设计的原子氧效应地面模拟试验设备中,对空间太阳电池板的银互连片进行了抗原子氧效应地面模拟试验研究.获得了银箔和不同防护镀层材料在原子氧环境中的不同剥蚀结果,这为进行银互连片表面的原子氧防护提供了必要的应用和设计依据.     

纳米ZnO-有机硅复合涂层的抗原子氧剥蚀性能

为了进一步提高有机硅涂层的抗原子氧剥蚀能力,采用经硅烷偶联剂处理的纳米ZnO微粒,在聚酰亚胺薄膜基材表面制备出纳米ZnO-有机硅复合涂层.通过原子氧地面模拟试验,研究了纳米ZnO-有机硅复合涂层的质量损失、表面形貌及化学成分的变化规律.结果表明:经表面处理的纳米ZnO微粒可以均匀分布在有机硅涂层中,有效消除有机硅树脂成膜过程中产生的微裂纹.经过原子氧辐照试验,没有保护涂层的聚酰亚胺基材的质量损失较大,而涂覆纳米ZnO-有机硅复合涂层具有良好的抗原子氧剥蚀性能,其质量损失和微观表面形貌变化很小,并且随着涂层中纳米ZnO含量的增加,其抗原子氧剥蚀的能力进一步增强.     

低轨恒速平板型轨道分子屏与大气的撞击作用

以经典的气体分子运动论计算了低轨道（３００ｋｍ）恒速飞行的５ｍ直径平板型轨道分子屏所受的环境大气的撞击作用。大气分子和轨道分子屏的相互作用取完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞这两种极端形式,由此可认为轨道分子屏所受的撞击作用就介于这两者之间。计算结果表明,六种主要的大气成分中,原子氧的撞击作用最大,约占总的撞击动量的８０％,Ａｒ的撞击作用最小,要比原子氧小４个数量级,作用于分子屏的总的作用力为０．０４１Ｎ～０．０８２Ｎ。这些数据将有助于更详尽的了解轨道分子屏在空间飞行时的行为。     

高层大气原子氧的半年周变

地球高层大气成分的长期变化受太阳黑子周、太阳活动程度和地磁活动程度等诸多因子所控制．本文利用国外有关高层大气成分的数据,分别讨论受上述控制因子影响的高层大气成分长期变化,讨论范围仅限原子氧半年周期变化．选用LDEF在轨飞行器1984年4月—1990年1月高度470km附近的长期资料进行统计分析,结果表明,高度470km附近原子氧在年平均太阳黑子数＜20、太阳活动程度相对低而平稳期间,半年周期的变化尤为明显,相对变幅约为40％—60％、井随平均太阳黑子数增加而增大．而年平均太阳黑子数峰值的1989年期间（＞120）,半年变化的相对变幅可达87％左右．     

Counterstreaming hydrogen and oxygen ions observed in the magnetosphere on ISEE-1

Counterstreaming ions or ions travelling simultaneously both parallel and antiparallel to the magnetic field direction have been briefly noted in the literature but have not been studied previously in depth. We have studied over 60 counterstreaming ion (CSI) events observed on the ISEE-1 satellite. They were found to occur at altitudes of about 2 to 8 Earth radii on L shells of about 5 to 12 in the evening-to-morning sector from about 1700 - 0900 LT. Often both oxygen and hydrogen ions at a number of energy levels are counterstreaming but some events show only either oxygen or hydrogen ions involved. One particularly interesting event shows only counterstreaming oxygen ions with 417 eV energy; oxygen ions of lower energy (215 eV) and above (630–17000 eV) and all the hydrogen ions between 215–17000 eV energy have lower fluxes and/or nearly isotropic pitch angle distributions. This event correlates well with wave activity in the 17–100 Hz band and is also accompanied by 200 eV downgoing and 400 eV upgoing electrons. Details of this event and the other counterstreaming events are presented.