低地球轨道航天器原子氧环境试验技术讲座

2009年12月14日,北京卫星环境工程研究所邀请加拿大多伦多大学J. Kleiman教授作了有关低地球轨道(LEO)航天器原子氧环境试验的技术报告。     

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。     

低地球轨道原子氧?太阳远紫外协合效应地面试验条件探讨

低地球轨道航天器表面聚合物材料受中性大气原子氧和太阳远紫外辐照的同时作用,表现出不同于单一因素分别作用的协合效应。文章在总结现有地面试验设备参数和不足的基础上,分析原子氧注量、远紫外曝辐照度随在轨时间变化的计算方法和输入数据特性,并以正立方体卫星为例计算得到典型轨道不同太阳活动环境下迎风面和非迎风面的原子氧注量和远紫外曝辐照度,以及远紫外曝辐照度/原子氧注量之比（注量比）随在轨时间的变化后,提出将该注量比参数作为有关地面试验条件制定的依据之一,以提高航天器外露材料原子氧?远紫外协合效应地面试验模拟的有效性。     

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     

空间原子氧环境对太阳电池阵的影响分析

空间原子氧是危害低地球轨道（LEO）航天器在轨性能的最主要空间环境因素之一,其强氧化性能够对包括太阳电池阵在内的航天器外表面暴露材料和组件造成危害。文章分析了某载人航天器在轨原子氧环境、原子氧对不同结构太阳电池阵所用材料的影响以及对太阳电池阵组件电性能的影响,结果表明原子氧对材料的作用能够引起太阳电池阵基板强度降低、电连接可靠性下降及电缆线护套失效等风险,材料的损伤会导致太阳电池组件电性能的下降。鉴于以上结果,作者建议在今后LEO长寿命航天器太阳电池阵研制中,应对原子氧环境条件进行详细设计;同时开展组件级试验,以对电池阵原子氧防护设计的有效性进行验证。     

低地球轨道空间环境下航天器表面原子氧通量密度和积分通量分布的数值模拟

基于蒙特卡罗方法和区域分解法,建立低地球轨道空间环境航天器表面原子氧通量密度和积分通量的数学模型。模型考虑了航天器表面几何构型、原子氧数密度和分析热运动、地球自转对航天器速度的影响以及轨道运行参数。通量密度分布的求解是通过其微分方程的对于独立变量分子运动速度和与表面速度矢量合成的积分得到,积分通量是通过沿轨道时间积分来实现。与此同时,得到了沿入射攻角变化原子氧分布的最大值和最小值。计算结果表明:通量分布伴随入射攻角增大而急剧下降,在迎风面达到最大值,背风面最小值。入射攻角是影响分布计算结果的重要因素。计算误差与NASA-LDEF飞行试验实验结果吻合较好。     

空间原子氧环境对航天器表面侵蚀效应及防护技术

文章阐述了空间原子氧环境及其对航天器表面的侵蚀机理、损伤效应、防护方法,介绍了北京卫星环境工程研究所在原子氧防护技术研究方面取得的进展。过去5年里,该所采用物理气相沉积、溶胶-凝胶化学等方法制备了原子氧防护涂层,并对涂层样品进行了环境适应性评估试验,获得了初步的研究结果。结果表明这些样品均表现出很好的抗原子氧性能。     

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。     

原子氧与航天器表面辉光现象

低地球轨道上的原子氧环境效应不仅造成航天器表面材料的退降,还产生表面辉光现象。文章对辉光现象进行了描述,并介绍了它的起因、可能的机理及对航天器造成的有害影响。     

原子氧对航天材料的影响与防护

文章综述了低地球轨道（LEO）中原子氧（AO）环境对航天材料影响的研究现状。首先介绍AO对材料的危害及作用机制等。然后重点阐述了国内外学者关于AO与Al、Ag、Cu、Ni等金属材料以及半导体材料作用的研究成果。最后总结了AO的防护方法,及其对不同材料抗AO侵蚀能力的改善结果。     

LEO原子氧剥蚀太阳电池阵Ag互连材料的试验研究

暴露在低地球轨道(LEO)上的太阳电池阵,会与大量具有极强氧化性的原子氧发生碰撞,导致太阳电池阵中对氧原子敏感的Ag互连材料受到剥蚀。文章依据原子氧剥蚀Ag材料的机理,选取了约400 km高度轨道上1年时间内原子氧的累积通量作为最高剂量,进行了原子氧剥蚀不同厚度Ag互连材料的地面模拟环境试验。试验表明:Ag在原子氧作用下在宏观上会经历"氧化—剥落"的循环剥蚀过程。根据反应方程简化推导了Ag互连片的剥蚀厚度公式,同时结合试验结果计算出了不同厚度Ag互连材料的厚度损失率。该研究成果可为LEO太阳电池阵原子氧防护设计提供技术支持。     

空间原子氧环境效应模拟方法

原子氧是近地轨道中一种极为恶劣的空间环境,地面模拟与数值模拟是进行原子氧环境效应研究的常用方法。文章调研分析了国内外在空间原子氧地面模拟与数值模拟方面的最新进展及所采用的关键技术,提出国内今后在地面模拟方面应着力建立有效的试验方法与寿命预示方法,为今后航天器选材试验提供技术基础;在数值模拟方面应以工程应用为指导,以试验结果为基础,逐步建立起合理有效的数值模拟方法。     

三硅醇苯基POSS复合聚酰亚胺薄膜的制备与抗原子氧侵蚀性能研究

低地球轨道上运行的航天器表面材料尤其是聚合物材料极易受到原子氧侵蚀。以三硅醇苯基笼型聚倍半硅氧烷（TSP-POSS）为填料,以PMDA-ODA型聚酰亚胺（PI）为基体,通过机械共混法制备一系列复合薄膜,系统研究TSP-POSS的引入对复合薄膜耐热性能、光学性能以及抗原子氧侵蚀性能的影响。结果表明：TSP-POSS与PMDA-ODA型聚酰胺酸（PAA）具有良好的相容性,复合溶液均匀,储存稳定性优良;PAA/TSP-POSS复合溶液热酰亚胺化后形成的PI/TSP-POSS复合薄膜在TSP-POSS含量（质量分数）低于25%时可保持良好的均匀性;TSP-POSS的加入可在一定程度上提高复合薄膜的光学透明性,且对复合薄膜耐热性能的影响较小;引入TSP-POSS可以显著提高PMDA-ODA薄膜的抗原子氧性能,经受累积注量达4.02×1020 atoms/cm2的原子氧侵蚀后,TSP-POSS含量为25%的复合薄膜的原子氧剥蚀率为2.2×10-25 cm3/atom,仅为不含TSP-POSS薄膜的7.33%。     

空间原子氧环境对常用热控涂层的影响

空间原子氧（AO）是影响低地球轨道（LEO）航天器在轨性能的主要空间环境因素之一,其强氧化性能够对热控涂层和组件造成危害。文章分析了空间AO及相关综合环境对白漆、黑漆、有色有机漆、薄膜、织物、二次表面镜等各类常用热控涂层在LEO长期使用时可能引起的环境效应和危害,提出了相关使用建议,以期为今后我国以空间站为代表的LEO长寿命航天器论证及研制提供技术参考。     

碳/氰酸酯复合材料原子氧效应试验研究

选取具有良好应用前景的M40/DFA-1、M40/DFA-N3（添加TiO2纳米颗粒）碳纤维增强氰酸酯基复合材料为研究对象,开展航天器在轨原子氧环境地面模拟试验,通过表面/断口形貌观察、质量损失测试、层间剪切强度测试以及表面成分分析等方式,分析探讨了上述2种碳/氰酸酯基复合材料的原子氧损伤效应。结果表明,在原子氧的作用下,2种材料表面树脂均受到了一定程度的剥蚀,添加纳米颗粒的M40/DFA-N3质损率及原子氧剥蚀率相对更高,但层间剪切强度下降幅度相对较小,这可能是由于其氧化反应更加剧烈,生成的碳氧双键比例更高的结果。