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.     

利用OH夜气辉反演原子氧数密度时输入参数的不确定度对反演结果的影响

借助OH夜气辉辐射的光化学模式,由OH夜气辉辐射反演中间层-低热层区域的原子氧数密度时,输入参数的不确定性将导致反演得到的原子氧数密度具有不确定性.以在sudden death猝灭模式下通过OH(8-3)振动带体辐射率反演原子氧数密度为例,分别研究了大气参数和OH气辉辐射率的不确定度引起的反演不确定度、化学反应速率常数的不确定度引起的反演不确定度,以及所有输入参数的不确定度共同引起的反演不确定度,找出其不确定度对反演结果影响最大的参数.结果表明,三种反演不确定度均随着高度的升高而增大,温度和体辐射率的不确定度对第一种反演不确定度的贡献最大,反应速率常数b(8)和A(8-3)、的不确定度对第二种反演不确定度的贡献最大.     

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.     

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.     

氧化物涂层对航天器材料原子氧剥蚀的防护

采用磁控溅射方法在航天器常用材料聚酰亚胺(Kapton)表面沉积无机氧化物涂层(TiO₂和SiO₂),来提高材料的抗原子氧剥蚀性能.通过选择试验材料和参数,优化了沉积涂层的工艺,以克服容易产生裂纹的缺点.对材料进行了原子氧效应地面模拟试验,结果表明,在Kapton上沉积涂层后,质量损失下降了2个数量级.另外,有涂层的Kapton表面基本没有变化并且没有出现裂纹.其中,TiO₂由于热膨胀系数更接近Kapton,比SiO₂的防护效果更好.     

原子氧环境对聚合物及其复合材料性能的影响

在选择卫星结构材料时,必须要对所选材料在宇宙空间环境中的可靠性进行评定,重要的是了解空间环境对材料性能的影响。文章阐述了空间低地球轨道环境中原子氧对聚合物及其复合材料性能的影响;介绍了模拟评定试验材料性能的方法;分析了作用原理、防护措施及选择聚合物复合材料应考虑的原则。     

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.     

原子氧对航天器表面材料作用的数值模拟

对氏地球轨道环境对航天器表面材料的影响和航天器表面材料的低地球轨道环境寿命评定方法进行了介绍;并对低地球轨道环境和地面试验环境下,有无保护涂层的业胺所受冲蚀作用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。该工作对航天器的设计具有指导意义。     

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。     

LEO原子氧对空间材料侵蚀的数值模拟

提出了吸附作用(包括物理吸附和化学吸附)是引起空间材料原子氧腐蚀的主要机理.以此为依据,建立了相应的腐蚀量的反应-扩散方程.应用分子动力学经典碰撞理论的估算表明了方程中的物理作用项对于扩散效应为一小量,从而进一步简化了方程.在所建立的模型方程中,选用了基于Eyring绝对速率理论的扩散系数.对空间表面材料Kapton在近地轨道LEO(Low Earth Orbit)环境受原子氧侵蚀的过程进行了数值模拟,计算结果与飞行试验数据在误差允许的范围内符合得较好.     

原子氧及紫外线对O形圈泄漏率影响的研究

运用地面模拟设备对硅橡胶材料O形圈进行了原子氧暴露、紫外线辐射实验研究；利用测压法进行了O形圈在原子氧暴露及紫外线辐射前后的泄漏率比对实验，并对实验前后O形圈进行了扫描电镜分析。实验表明：原子氧和紫外线辐射对O形圈的表面状况及泄漏率均有明显影响。     

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。     

同轴源原子氧地面模拟装置及其性能

叙述了同轴源原子氧模拟装置的基本工作原理和装置的各组成单元及其功能;介绍了装置性能的测量方法及结果。结果表明：装置产生的原子氧能量可以控制在５ｅＶ～１０ｅＶ;原子氧的束流强度约为４×１０１５个／ｃｍ２·ｓ;原子氧束中氧离子的含量小于０．１％。     

空间环境对漫反射板的影响

光学系统在空间环境条件下的衰变对卫星遥感仪器探测精度有重要影响.漫反射板是星载光学遥感仪器辐射定标的重要工具.本文通过对ADEOS/TOMS和Earth Probe/TOMS仪器馒反射板漫反射率衰变特性的比较,分析研究了原子氧和太阳紫外辐射对漫反射板的影晌.结果表明,太阳紫外辐照和原子氧剥蚀引起的漫反射板反射率衰变系数分别为0.00049/h和1.2 × 10^-17cm²,但在卫星入轨初期,太阳紫外辐照的影响可增加约4倍.