实验室模拟真空紫外辐照设备

人造卫星温控涂层研制中必须建立真空紫外辐照模拟设备.我组实验室制造的设备用旋片式机械真空泵、油扩散泵和在真空室前再加液空冷阱造成系统10~(-6)乇真空,选用GGZ-300高压汞灯作光源,光源和试件都放在真空室中.该设备具有简便实用的优点.另外还可以用于其它一些宇航材料的模拟真空紫外辐照试验,如人造卫星上的太阳电池和结构材料等.测量温控涂层在真空紫外辐照前后的太阳吸收率和热辐射率,根据它们的变化确定材料受辐射的影响.文中列出经真空紫外辐照不同阶段的五种不同温控涂层性能变化数据.     

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。     

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。     

低αs有机硅热控涂层及其空间防护作用研究

介绍了三种有机硅热控涂层的组成、工艺及性能，井讨论了影响涂层稳定性的因素。用LAMBDA—9分光度计和扫描电镜(SEM)对在模拟原子氧(AO)环境中的有机热控涂层太阳光吸收率(αs)的变化和防护作用进行表征研究。结果表明，这些涂层均有良好的空间稳定性，对AO辐照有较强的防护效果。该研究建立了空间材料新的防护体系。尤其是9—5涂层的αs最低，性能最优越。     

热控涂层紫外辐照试验方法的研究

几种有机热控涂层在真空下进行模拟太阳紫外辐照的试验。在真空条件和大气条件下测试涂层性能的变化,以比较热控涂层在进行紫外辐照时,原位测试和非原位测试的差异。     

高吸收、高辐射有机黑漆涂层

为制得高太阳光吸收率(α_s)、高红外辐射率(ε_n)的涂层,作者系统地研究了有机硅聚合物、有机氟聚合物、环氧树脂和聚氨酯等十多种有机材料的ε_n值;还研究了由高色素碳黑、氢黑和空氢黑等十几种颜料所制成涂层的α_s及ε_n值。此外,在涂层中加入消光剂硬脂酸铝和白碳黑制得了一些涂层,有的涂层外观呈平绒布状。在波长235-2597nm范围内的α_s在0.93—0.95之间。在327K下的ε_n值为0.96-0.97之间。对涂层在373-77K的突变性能、耐真空紫外辐照性能和耐粒子辐照性能,文中一一做了介绍。性能试验证明:这些涂层在空间或地面都可使用,性能上达到了用美3M-101-C10Velvet黑漆做成涂层的性能,是一些较好的抗反射、高辐射涂层。     

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。     

小型钛泵在真空—紫外辐照试验中的应用

为了解决放气量较大的涂层试验问题,建立了小钛泵真空-紫外辐照装置。本文描述了设备,操作过程,最初三次试验的情况及结果。根据试验结果,讨论了几种温控涂层的抗真空-紫外辐照性能;观察了辐照后试样放入大气中引起涂层△_α的“回复”现象;还发现了重抽真空后涂层△_α又有“回升”的现象。     

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。     

有机硅热控涂层在模拟空间环境下的原位性能

研究了热控涂层在地面模拟空间环境下的性能变化：原位测定了紫外、电子辐照过程中热控涂层的性能变化；考察了K2SiO3包覆ZnO情况对涂层性能的影响；用扫描电镜（SEM）对辐照前后涂层表面微观形貌的变化进行了观察。结果表明，无论是缩合型的硅树脂还是加成型硅橡胶，在加入ZnO填料后，耐紫外辐照的能力都有明显的提高；不同种类涂层在真空紫外辐照作用下表现出不同规律。硅酸钾包覆ZnO对于有机硅树脂和加成型硅橡胶作基料的热控涂层影响也不同。加成型硅橡胶制备得到的热控涂层有非常优异的抗电子辐照性能。     

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。     

密封材料空间环境失效分析

对空间环境造成载人航天器密封材料的各种失效机理进行了分析。材料低温脆化,高温时表面脆化;真空时材料内挥发成份的溢出,使材料渗透性增大;辐照使密封件失去弹性：这些是空间环境中温度、真空和辐照使密封失效的主要原因。真空条件下,密封件挥发成份中的可凝物在光学元件表面的凝聚从而破坏表面光学特性,是密封设计中一个值得重视的现象。     

空间用反应烧结碳化硅反射镜坯体制备技术研究

采用凝胶注模(gel-casting)成型工艺并结合一种先进的消失模技术, 制备了具有各种不同轻量化结构形式的碳化硅(SiC)陶瓷素坯, 目前制备的背部半封闭素坯最大尺寸为1080 mm×820 mm; 素坯经过脱模、干燥、脱脂和反应烧结等, 可得到空间用SiC反射镜坯体. 对反应烧结碳化硅(RB-SiC)反射镜坯体的表面进行了光学加工, 并且测试了其各项性能. 结果表明, 所制备的RB-SiC陶瓷内部结构均匀致密; 力学性能和热学性能优异, 弹性模量、抗弯强度、断裂韧性和热膨胀系数分别达到了330 GPa, 340 MPa, 4.0 MPa•m1/2和2.6×10-6 K-1; 镜体经抛光后的表面粗糙度RMS值优于3 nm, 可作为空间用反射镜的候选材料.      

低能质子对卫星热控涂层太阳吸收率的影响

空间低能质子由于沉积能量在表层对卫星外露热控涂层太阳吸收率参数有较大影响,文章首次对地球同步轨道卫星6种热控涂层进行低能质子辐照试验研究,试件是S781有机白漆、SR107-ZK有机白漆、ACR-1有机白漆、OSR二次表面镜、F46二次表面镜和Kapton二次表面镜。试验采用能量48keV的质子,在真空条件下累积辐照360h,累计注量达到2×10~(15)p/cm~2。在辐照过程中原位测量热控涂层的太阳吸收率参数。这些热控涂层的太阳吸收率参数都有不同程度的明显上升。其中,有机白漆类热控涂层的太阳吸收率参数上升最快,其次是塑料薄膜类热控涂层(F46二次表面镜和Kapton二次表面镜),最稳定的是玻璃类热控涂层(OSR二次表面镜)。对试验前后试件的SEM分析和XPS分析表明,热控涂层中的颜料结构和聚合物结构在辐照下发生变化,形成不饱和链发色团和色心,使原来透明聚合物和高反射的颜料对太阳光产生吸收,从而引起热控涂层太阳吸收率参数上升。     

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。     

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.      

碳化硅反射镜柔带磨削方案设计与验证

碳化硅材料比刚度高、导热性好、热稳定性好,是一种优良的反射镜材料,在空间光学遥感器是有着广泛的使用。同时,它具有硬度高、脆性大的特点,给反射镜加工带来困难,且加工周期长。本文比较了碳化硅材料不同加工技术的优缺点,选择了机器人柔性砂带磨削技术作为研究对象。针对某1550mm直径碳化硅反射镜坯加强筋的去除要求,设计了一套新型机器人柔带磨削系统,利用有限元方法对加工中的镜体应力进行了分析,并完成了某镜坯加强筋的去除,残余筋高度0.5mm～1mm。反射镜镜坯在完成镜面精磨、镀膜等处理后,利用干涉仪测试面形RMS 为0.0157λ（λ=632.8 nm）,满足使用需求。遥感器于2020年发射,反射镜在轨运行表现良好。     

空间详查相机摇摆头反射镜轻量化分析研究

对空间详查相机摇摆头扫描式反射镜镜体多种轻量化方案(各种斜切角、减重掏孔位置、孔径变化、加肋厚度变化的组合情况),建立有限元数学模型;并分别对其进行了自重情况下的刚度分析计算,得到其位移场分布和变化;最后确定在其满足力学、光学性能和加工工艺前提下结构质量最轻的综合最优方案。     

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.     

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。