航天器材料KAPTON和F4.6薄膜充电性能研究

Kapton和F4.6是两种航天器上最常用的重要热控材料,但它们都是高绝缘的有机高分子聚合物,故在充分利用它们的优良物化性质时,不能不关心它们在空间亚暴环境下表面充电的性能。为此本文在简述了新增环境温度变化的条件后,详细讨论了这两种材料在模拟空间真空、空间亚暴时电子辐照、太阳辐照及其所处环境温度变化时,它们表面电阻率随环境变化响应规律,并由此预测其充电的状态。     

星用两种表面涂料电导性能评价

本文简略讨论了两种星用表面涂料956灰漆和绿漆的制备工艺;实验研究了这两种涂层室温下在模拟空间真空、电子辐照和太阳辐照环境中其电导性质随空间环境的变化。由此可以预测它们在空间轨道上运行时表面的充电状态及应用于高轨道的可能性。     

CeO_2含量对铈玻璃镜的光学性能和空间环境中稳定性的影响

含CeO_2玻璃在空间环境中具有良好的稳定性,因此已广泛应用于人造卫星第二表面镜温控涂层、硅太阳能电池防辐照保护片和某些光学部件。本文根据第二表面镜温控涂层的使用要求,系统地研究了镜玻璃的CeO_2添加量对镀铝铈玻璃镜的光学性能、抗电子、质子和真空紫外辐照性能的影响,为合理确定镜层玻璃的CeO_2含量提供依据。     

CEA型光学阳光反射镜的研制

光学阳光反射镜(Optical Solar Refector简称OSR)是一种组合结构体,它是由性能截然相反的两种材料组合而成。一种材料具有良好的光反射能力且有很高的电导率,另一种材料则有极好的透过率且是绝缘体。将具有适当性能的材料匹配组合,可使它们具有所要求的优异性能。其主要特点是:α_s/ε_H值较低,在真空热震,长期真空紫外辐照,高能粒子辐照等宇宙空间环境下,涂层性能稳定,宜作长期飞行卫星的外表温控涂层。在本文中,讨论了CEA型光学阳光反射镜(以下简称为铈镜)的构造原理、光性、空间稳定性、加涂工艺、粘贴方法以及工艺因素对某些性能的影响。     

氧化锌色素在真空紫外辐照下降解机理的研究

研究氧化锌色素在真空紫外辐照下的降解机理,目的是为设计在宽间环境下稳定的氧化锌热涂层提供理论依据。仔细研究了自由电子在氧化锌中的吸收特性及真空紫外辐照对氧化锌电导的贡献,认为真空紫外辐照引起氧化锌色素表面化学吸附氧的解析,同时在氧化锌色素表面产生大量的氧空位,氧空位提供了导带中的自由电子,自由电子在导带内跃迁吸收近红外光子引起氧化锌色素光学性能的退化。     

模拟地球同步轨道辐照环境对光学太阳反射镜性能的影响

研究了模拟地球同步轨道辐照环境对卫星用温控涂层-光学太阳反射镜(OSR)性能的影响。对所研制的两类OSR 片进行的辐照试验项目有,真空紫外辐照、低能电子和两种能量的质子辐照。此外还进行了等离子体环境条件下的表面充/放电效应试验。经过相当于安装在地球同步轨道卫星南北极位置处,在空间七年所受到的电子、质子和紫外辐照总剂量的辐照后,导电型OSR 的太阳光谱吸收率α_s 由0.068增加到0.078,法向发射率ε_n 由0.83降低到0.72;而非导电型OSR的α_s 由0.066增加到0.085,ε_n 由0.82降低到0.76。表面充/放电试验的结果表明:导电型OSR 的充电电位仅在15～40V 之间,而非导电型OSR 的充电电位则可高达13kV。因此导电型OSR能有效地控制表面的充/放电现象。     

航天器用新型聚酰亚胺薄膜性能研究

原子氧是低地球轨道环境中对航天器影响较为严重的因素之一. 为了提高聚酰亚胺薄膜抗原子氧侵蚀的性能, 依据结构与性能的关系, 设计合成了新型的聚酰亚胺薄膜. 采用这种新型聚酰亚胺薄膜制备了二次表面镜, 利用地面模拟设备对热控涂层进行原子氧暴露试验, 结果表明其具有优异的耐原子氧侵蚀性能. 此外, 真空elax-elax紫外、真空elax-elax质子、真空elax-elax电子辐照等空间环境模拟试验表明, 这种耐原子氧聚酰亚胺薄膜二次表面镜热控涂层具有良好的空间稳定性.      

航天器表面材料充电性能研究—关于RTV-Ⅱ和13-17涂层的评价

本文报道了RTV-Ⅱ黑漆和13-17白色涂层二种航天器温控材料的电导在综合空间环境条件下的实验结果。实验表明RTV-Ⅱ涂层材料的电导从1984年到1986年,几乎每年下降一个量级,因而充电状态明显改变。13-17涂层材料的电导对空间真空环境响应不明显,但对电子辐照和光辐照响应显著,尤其对光辐照存在强烈的记忆效应。预测该涂层在轨道上由光照区进入星蚀区也不会出现明显充电现象。     

真空紫外辐射对空间有机防护涂层的降解研究

对环氧树脂、醇酸树脂、聚氨酯及有机硅树脂防护涂层在真空紫外线作用下的表面层变化进行了研究。发现在所采用的氘灯真空紫外光源的作用下,环氧树脂、醇酸树脂、聚氨酯质损较大,且表面出现“暗化”现象;有机硅树脂质损相对较小,在连续辐照过程中涂层表面颜色不发生改变,抗紫外老化能力强。光电子能谱(XPS)、红外光谱(FTIR)对试验前后样品进行表征研究,探索真空紫外效应的影响规律,对真空紫外与涂层的反应机理也做了相应的分析:结构不同的有机涂层对真空紫外(VUV)的敏感程度不同,含环氧环、C-N和支链的有机涂层,最易受到VUV破坏而裂解;Si-O、苯环、C=O,在VUV辐照环境下相对稳定。     

防原子氧与抗辐射环境薄膜性能研究

金属氧化物薄膜具有良好的光学,电学特性,因此是卫星表面热控材料防静电积累的重要材料之一。实验研究发现这些金属氧化物薄膜还是具有优良的防原子氧和抗空间辐照环境的能力,而且这种能力与成膜方法及工艺过程直接相关。经模拟原子氧环境的氧等离子体作用后,溅射镀氧化锡样品的质损明显小于蒸镀氧化铟锡薄膜的质损,而氧化铟锡薄膜的质损又小于未镀薄膜试样质损。     

丁腈橡胶磨损失效机制及其表面碳薄膜改性技术

针对航天伺服机构密封件因磨损失效导致的泄漏难题,分析了大气及氮气环境下丁腈橡胶磨损失效机制。在此基础上,提出了其表面硬质类金刚石碳薄膜（DLC）改性技术,分析了改性后丁腈橡胶密封实件综合性能。结果表明：大气环境、恒定载荷（小载低速）条件下,丁腈橡胶主要以分层剥落方式磨损（疲劳磨损）。随着摩擦速度（或载荷）增大,其磨损失效主要表现为粘着磨损。对于氮气环境,氮气能够有效避免摩擦界面氧化作用,即降低了粘着磨损效应;此外,改性后橡胶密封实件在机械性能、质密性和密封性等方面较原始密封件未发生明显变化。经过4000次台架磨合试验后,油端密封圈表面光洁,无异常磨损;气端密封圈表面存在轻微磨损,能够满足使用要求。     

高速气膜镶装式浮环密封的开启特性

针对应用于航空发动机的高速气膜镶装式浮环密封, 探究密封在不同结构参数、启动方式、材料结合等多因素下的开启性能。建立镶装环-石墨环-跑道的固体域模型和气膜流体域模型, 得到了工作气膜厚度、气膜流场压力分布；计算密封受力, 得到了密封上浮力、闭合力和开启转速等密封开启性能参数。分析镶装环与石墨环的厚度比和宽度比、镶装环-石墨环配对材料、镶装环-跑道配对材料等因素对密封开启转速的影响。搭建浮环密封试验台和浮环位移监测系统, 通过试验验证了数值模拟结果。研究结果表明:浮环的镶装结构能有效改善升温时石墨环与跑道间隙减小而导致密封失效的问题；镶装环材料是影响密封开启性能的敏感参数, 密封开启性能随材料线膨胀系数的升高而快速降低；镶装环与跑道的材料配对情况是影响密封开启性能的重要因素, 镶装环与跑道材料相同时, 石墨环与跑道处于“恒间隙”状态, 在复杂温度工况下密封的开启性能更加稳定；不同的工作机组启动方式对密封开启性能影响较大, 发动机采用将转速增加至工况转速再增压的启动方式时密封开启性能最好；浮环密封在高转速、高压力工况下因转速、压力变化产生的密封扰动值更大, 浮环密封应避免在较高压力和转速下长时间调节工况参数。研究结果为航空发动机镶装式浮环密封的结构设计、材料选用、系统设计的研究提供了参考。      

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.      

KM6载人航天器空间环境试验设备

KM6载人航天器空间环境试验设备是中国最大的一台空间环境模拟试验设备 ,是国际上五大典型空间环境试验设备之一。已建成的有 9个分系统 ,模拟室由三舱组合 ,主模拟室直径 1 2 m、高 2 2 .4m,极限真空度 4.5× 1 0 - 6Pa、热沉温度 1 0 0 K,主要性能达到国际先进水平。文章对其技术指标、系统组成、功能、特点进行了介绍 ,并给出了试验结果 ;对研制过程中的重要技术问题进行了分析     

高速干摩擦机械密封的端面变形及摩擦磨损

针对机械密封在高速干摩擦状态下,因设计不当产生端面过度变形和磨损而引起的密封失效问题,建立了热-结构耦合数值计算模型,分析了密封的温度场和端面变形。试验测试了静环温升,分析了动静环端面特征,探讨了高速干摩擦状态下的磨损机制。研究结果表明：建立的有限元模型能准确地预测密封的温度和端面变形,计算值和试验值相差小于11%;密封端面峰值温度对转速更敏感,随着运转时间的延长,温度先迅速增加后逐渐变缓;静环易产生锥度变形,造成端面接触压力和磨损不均匀,静环座的“匡正”作用能够改善这类变形;摩擦转移膜的存在状态对密封的温升、端面粗糙度起关键作用,动环表面喷涂Cr₂O₃等金属氧化物,能较好地保持致密的石墨转移膜,减轻密封的磨损。研究结果为机械密封的设计、优化和应用提供了基础。     

基于BP神经网络的GEO等离子体环境参数反演分析

空间等离子体环境诱发的表面充电效应会对航天器运行产生干扰，严重时将导致太阳电池等部件失效。通过神经网络反演方法，以GEO环境中介质表面充电电位曲线作为输入，在双峰麦克斯韦分布假设下，可以逆向得到高能峰的等离子体参数。分析了GEO等离子体环境参数对表面充电电位曲线的影响，表明高能峰在充电过程中起决定性作用；其次通过MATLAB搭建BP神经网络，采用COMSOL计算得到多组充电曲线进行网络训练和反演计算，得到等离子体密度反演的平均相对误差为0.42%，温度反演的平均相对误差为0.03%，整体误差在0.1%～5.6%。结果表明，采用神经网络对等离子体环境进行反演具有可行性，该方法可以作为空间等离子体环境探测结果的对比参考和航天器非探测点表面电位计算的输入条件。     

中型空间环境模拟器真空系统的设计与模拟

探讨了用于舱外航天服性能实验的中型空间环境模拟器真空系统的设计和模拟。通过对低温泵的真空度及其抽速与液氦低温板温度的关系进行模拟,验证了真空系统设计的合理性。对中型环境模拟系统预冷采用开放式液氮以简化系统结构;对系统的主要部件液氦低温板和辐射挡板进行了构造分析和热负荷计算;分析了液氦低温板的凝结层对低温泵性能的影响。通过对液氦低温板温度场进行模拟及分析,对液氦低温冷凝面进行了优化设计与性能验证。通过对航天员氧消耗量的分析合理估算了航天员自身代谢产热,据此确定了中型空间环境模拟系统热负荷及液氦供应量。     

月尘/月壤环境效应地面模拟方法研究

月壤/月尘会附着并污染航天器、月球车的表面,如果不及时清除,还会进一步诱发部件过热、机械机构卡死、密封失效、材料磨损等一系列问题.本文综述了关于月尘特性、月尘与航天器系统的互相作用机理、月尘环境模拟方法等方面的研究成果,提出了一种小型月尘环境模拟系统的设计方案.该系统将使关于月尘特性的实验研究成为可能,并可作为登月飞船及月球车材料选择、机械机构可靠性试验、除尘策略试验的平台.      

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.     

Survival of microorganisms in space protected by meteorite material: results of the experiment 'EXOBIOLOGIE' of the PERSEUS mission.

During the early evolution of life on Earth, before the formation of a protective ozone layer in the atmosphere, high intensities of solar UV radiation of short wavelengths could reach the surface of the Earth. Today the full spectrum of solar UV radiation is only experienced in space, where other important space parameters influence survival and genetic stability additionally, like vacuum, cosmic radiation, temperature extremes, microgravity. To reach a better understanding of the processes leading to the origin, evolution and distribution of life we have performed space experiments with microorganisms. The ability of resistant life forms like bacterial spores to survive high doses of extraterrestrial solar UV alone or in combination with other space parameters, e.g. vacuum, was investigated. Extraterrestrial solar UV was found to have a thousand times higher biological effectiveness than UV radiation filtered by stratospheric ozone concentrations found today on Earth. The protective effects of anorganic substances like artificial or real meteorites were determined on the MIR station. In the experiment EXOBIOLOGIE of the French PERSEUS mission (1999) it was found that very thin layers of anorganic material did not protect spores against the deleterious effects of energy-rich UV radiation in space to the expected amount, but that layers of UV radiation inactivated spores serve as a UV-shield by themselves, so that a hypothetical interplanetary transfer of life by the transport of microorganisms inside rocks through the solar system cannot be excluded, but requires the shielding of a substantial mass of anorganic substances.