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.     

分子筛氧浓缩器非等温吸附模型

介绍了机载分子筛产氧系统OBMSOGS(OnBoard Molecular Sieve Oxygen Generating system)的工作原理和变压吸附PSA(Pressure Swing Adsorption)的基本理论,建立了分子筛氧浓缩器MSOC(Molecular Sieve Oxygen Concentrator)的数学模型.模型考虑了筛床的传热传质、压力变化和吸附热引起的吸附等温梯度的变化等因素对吸附性能的影响.动力方程采用线性推动力方程,采用混合Langmuir吸附等温理论计算吸附量.用所建立的数学模型对MSOC的吸附过程进行了模拟并对结果进行了分析.     

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.     

氮化硼纳米片作为抗原子氧腐蚀填料的应用

对氮化硼纳米片(BNNS)作为填料提高聚合物的抗原子氧腐蚀性能进行了实验研究.利用液相剥离在聚乙烯醇(PVA)水溶液中制备了稳定分散的BNNS,采用基于离心技术的尺寸筛选方法,获得了具有3种不同横向尺寸的BNNS,其平均面积分别约为21.4,4.1, 1.0 μm2.采用浇注法,将PVA/BNNS分散液原位复合成复合薄膜.原子氧腐蚀实验表明:3种 BNNS均能提高PVA的抗原子氧腐蚀性能,添加约1.0 wt%的BNNS(平均面积为21.4 μm2) 可使质量损失降低87%.BNNS对原子氧的成键和壁垒效应,是其提高抗原子氧腐蚀性能的主要原因.      

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.      

溶胶-凝胶法提高树脂抗原子氧性能的试验

为提高航天器用树脂基材料的抗原子氧剥蚀性能,将正硅酸乙酯(TEOS,Tetraethyl Orthosilicate)加入环氧树脂溶液中,采用溶胶-凝胶法,制备出SiO₂／环氧杂化材料.在空间环境原子氧效应地面模拟设备中,对材料试样开展了抗原子氧剥蚀性能评估试验,总结了试验前后试样的质量、表面形貌和表面成分的变化特点,并分析了溶胶-凝胶所得杂化材料抗剥蚀性能提高的机理.分析认为:溶胶-凝胶反应过程中在树脂基体内生成的聚硅氧烷和SiO₂,以及原子氧作用下杂化材料表面生成的SiO₂保护层,是杂化材料抗剥蚀性能得以提高的主要原因.     

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.     

氧在钒中基本热力学行为的第一性原理研究

钒(V)是核聚变反应堆结构材料的重要候选材料。实验表明杂质氧(O)会对V的结构和力学性能产生极大的影响。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了O在V中热力学稳定性、扩散特性以及与缺陷空位的相互作用。O在V中易于占据八面体间隙位,其溶解能为-4.942 eV。O在间隙位的最佳扩散路径为八面体间隙位→四面体间隙位→八面体间隙位,扩散激活能为1.728 eV,在此基础上对不同温度下的扩散系数在文中给出了详细分析。O在V中与空位存在很强的吸引相互作用,1个O原子和2个O原子被空位捕获时的捕获能分别为-0.484 eV和-0.510 eV。当O原子的数量超过3,其捕获能变为正值0.382 eV,因此单空位最多能够结合2个O原子,这意味着"O_1-vacancy"和"O_2-vacancy"团簇在V中很容易形成。这些研究结果将对V基合金在核聚变反应堆中的最终应用具有一定的参考价值。     

空间材料Kapton的真空紫外与 原子氧复合效应研究

对空间常用聚合物材料Kapton开展了真空紫外辐射及其与原子氧复合效应的地面模拟试验研究,总结了试验前后试样外观、质量、表面形貌、光学参数和表面成分的变化规律,并对反应机理作了初步的分析.结果表明:在原子氧的作用下,Kapton的剥蚀主要是碳氮等元素的氧化所致.而在真空紫外辐射的作用下,Kapton表面会交联形成大分子,从而提高了试样的抗原子氧剥蚀性能.但是,随着原子氧累积通量的增大,这层大分子会逐渐被剥蚀掉,而真空紫外辐射,对Kapton的原子氧效应试验结果没有影响.      

有机硅烷提高航天器树脂材料抗原子氧剥蚀

为了提高航天器树脂材料的抗原子氧剥蚀的性能,把缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷加入到环氧树脂中,并对所制成的环氧树脂试样进行原子氧效应地面模拟试验,对试验前后试样的质量损失、表面形貌、表面成分和结构的变化进行了对比和分析.结果表明,添加有机硅烷可以有效地提高环氧树脂的抗原子氧剥蚀性能,试样表面在原子氧的作用下生成了一种三维网状结构,该结构有效地阻止了原子氧对底层材料的进一步剥蚀,使试样的质量损失和剥蚀率明显下降.50h实验之后,添加了质量分数为25.0%的有机硅烷,该材料的剥蚀率约为纯环氧树脂的25%.      

Kapton表面复合氧化硅涂层抗原子氧性能研究

通过溶胶-凝胶工艺以正硅酸乙酯(TEOS)和γ-(甲基丙稀酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MEMO)为前躯体在聚酰亚胺薄膜(Kapton)基体上制备了有机/无机复合氧化硅涂层,地面模拟原子氧暴露试验表明涂层防护使基体的原子氧侵蚀速率下降了一个数量级,暴露前后基体的光学性能基本没有改变,加入MEMO相对量为0.2时涂层抗原子氧性能较好。扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外衰减全反射光谱(FTIR-ATR)和X射线光电子能谱(XPS)分析表明原子氧暴露后Si-O-Si基团特征峰均向纯氧化硅的硅氧键吸收峰处偏移,而由MEMO产生的Si 2p价态峰减弱,因此涂层趋向于转化为稳定的纯氧化硅结构。     

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.      

星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航

为解决星座仅依靠星间链路测量进行自主导航时的整体旋转和漂移问题,提出一种星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航方法.通过星间观测相机和磁强计,获得同轨道相邻卫星视线矢量与地磁场方向之间的角距和地磁场模值,为低轨星座引入空间基准信息.在非秩亏性分析的基础上,分别建立状态方程和量测方程,利用扩展卡尔曼滤波方法进行整星座的最优状态估计.仿真结果表明,星座卫星自主导航位置精度优于20m,速度精度优于0.05m·s-1,自主导航运行时间维持180天,能够满足低轨卫星星座自主导航的应用需求.      

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％.      

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。     

天气尺度到气候尺度太阳风变速对中高纬大气环流的影响

通过对冬季太阳风短时(天气尺度)降速与北大西洋涛动和北极涛动等北半球中高纬度环流指数的时序重叠分析,结合对1963年以来48个冬季太阳风平均速度与北极涛动等指数的相关分析发现,从短时太阳风降速到向亚极光带沉降的辐射带高能电子通量显著下降,北极涛动也有迅速的响应,这预示着从太阳风到大气环流存在天气尺度的短时关系链,在这一时间尺度现有理论中仅有“空间粒子-大气电-云微物理”联系机制能较好地解释;太阳风速度与北极涛动的正相关信号在气候尺度上也有显著体现,太阳风可能通过高能电子沉降与北半球冬季中高纬度环流相联系,这表明太阳风通过大气电-云微物理过程驱动的过程是太阳活动影响气候变化的不可忽视的途径;开展太阳风起源、空间环境与大气(环流、电场)和地磁系统的联合观测及数值模拟是揭示日地天气与气候联系的重要研究内容之一.      

LEO/MEO双层卫星网的分层动态路由算法

由低轨LEO(Low Earth Orbit)和中轨MEO(Medium Earth Orbit)卫星构成的双层卫星网络具有较好的组网通信性能.利用MEO和LEO卫星在长、短距通信中的优势,提出一种分层、分布式的双层卫星网动态路由算法.通过控制链路状态信息的洪泛,LEO卫星只需掌握局部拓扑即可完成短距业务通信,长距通信业务则由MEO卫星承载.将星间链路的剩余生存时间因素引入路径权重中,路由计算的路径是综合考虑了时延与持续时间双重因素的最优路径.仿真结果表明该算法在时延、路由开销、网络业务流分布等方面都具有较好的性能,并且易于系统实现.