一种空间用抗原子氧复合膜_布的原子氧_温度_紫外辐射效应的试验研究

第22卷　第3期宇　航　学　报V ol.22N o.3 2001年5月JO U RN A L OF A ST RO N AU T ICS M ay2001一种空间用抗原子氧复合膜 布的原子氧、温度、紫外辐射效应的试验研究
赵小虎　沈志刚　王忠涛　邢玉山　麻树林
(北京航空航天大学流体力学研究所,北京　100083)
摘　要:在原子氧剥蚀效应地面模拟设备中对一种抗原子氧复合材料 布进行了原子氧剥蚀效应试验、试样温度升高对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研
究,对试验前后 布试样的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。

另外对这种材料与原子氧的反应机理进
行了分析,得出了一些有意义的结论。

关键词:原子氧效应;抗原子氧;地面模拟试验;紫外辐射
中图分类号:V257 文献标识码:A 文章编号:1000-1328(2001)03-0087-05
EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF ATOMIC OXYGEN, TEMPERATURE,ULTRAVIOLET RADIATION EFFECTS ON AN AO-RESISTANT SPACECRAFT COMPOSITE
MATERIAL-BETA CLOTH
Xiaohu Zhao　Zhigang Shen　Zhongtao Wang　Yushan Xing　Shulin Ma
(Institute of Fluid M echan ics,Beijng University of Aer on autics and Astronautics,Beijin g　100083)
Abstract:Bet a cloth is an AO-r esistant spacecraft compo site ma terial,on which exper iments ar e co nducted in t his paper to inv estig ate the at omic o x yg en effects,the impact o f the tempera-
ture change on t he ato mic o x yg en effects and the ultr aviolet r adiation effects with ato mic ox yg en
effects gr o und-based simulat ion facility.T he sample mater ial befo re and after the ex per iments is
compar ed in mass and sur face mor pho lo gy.T he r eact ion cha racter istics of the ma terial in the fa-
cility and the impact of temperat ur e chang e and ultrav io let r adiatio n on ato mic o x yg en effects
w ere acquir ed.T hr o ug h analyzing the reaction m echanism bet ween atomic o xy gen and bet a
clo th,it wa s co ncluded that the collision o f ener g et ic pa rticle w ill be an impor tant facto r.
Key words:A tomic ox yg en effects;A O-resist ant;G ro und-based ex periment;U ltr aviolet r a-diatio n
收稿日期:2000-04-07,修回日期:2000-10-08
作者简介:赵小虎(1974-),男,博士研究生,研究方向:空间环境中原子氧与材料相互作用的现象与机理及其地面模拟;流体力学在工程上的应用。

1　引言
低地球轨道环境(Low Earth Orbit,LEO)中存在大量具有强氧化性的原子氧(atomic ox yg en ,AO ),当空间飞行器在LEO 环境中以7—8km /s 的轨道速度运行时,原子氧撞击表面的能量可达4—5eV ,在这一过程中,原子氧与表面材料会发生复杂的物理、化学反应,造成材料的剥蚀和性能的退化,进而影响飞行器的寿命,更严重的会导致飞行任务的失效[1,2]。

目前原子氧效应的研究已成为空间LEO 环境效应研究的一个必不可少的组成部分。

先进的复合材料和工程用热塑材料被广泛应用于空间飞行器上,大部分材料(特别是碳基聚合物)在LEO 环境中原子氧的作用下,其结构、化学成分、性能都会发生较大的变化,因此发展可抗原子氧剥蚀的新型材料则成了目前努力的主要方向之一[3]。

布是一种抗原子氧复合膜,国外文献中是这样描述的: 布是一种应用在长寿命空间飞行器上的热控材料,在空间环境中可以抵抗原子氧剥蚀,其绝缘性、光学特性、力学性能都基本不变,组成为“Teflo n impreg nated glass fabric ”,在经长期空间暴露试验后(如LDEF),材料表面及内部的T eflon 同样有被剥蚀的可能[4,5]。

文献中没有给出具体的原子氧剥蚀率数据。

除原子氧效应外,飞行器在LEO 环境中运行还会受到热循环、紫外辐射等其它环境因素的影响,这些因素可能会影响材料与原子氧之间的相互作用。

本文对 布进行了原子氧效应、原子氧与紫外辐射复合效应以及试样表面温度升高对材料原子氧效应的影响的地面模拟试验研究。

2　试验设备
试验设备为我们自行设计与研制的IFM 原子氧效应地面模拟设备[6],该设备属于目前国外原子氧效应研究中最为常用的等离子体型设备,设备所获得的材料的剥蚀效果、氧化程度、表面形貌等都与国外空间暴露试验或地面模拟试验结果基本吻合。

为使设备能够进行原子氧效应、温度变化和紫外辐射效应试验,对设备进行了改造,增加了电加热系统和紫外辐射系统,
下面分别做简单的介绍。

图1　氘灯紫外辐射与太阳紫外辐射的能量谱线试样表面温度是通过一加热器来控制,并用热偶
温度计进行测量监控。

紫外辐射系统主要由紫外光源
氘灯和灯的电源两部分组成。

所用的紫外光源为日本
产的HAM AMAT SU L 613K 型氘灯(氘灯功率约
30W )。

氘灯的紫外辐射强度与太阳的辐射强度比较
曲线见图1。

需要说明的是试验时发现紫外氘灯的照射会使
样品温度升高到130℃,为了保证相对比的试验是在
同样的温度条件下进行的,在做用来与原子氧和紫外
复合效应试验进行比较的原子氧效应试验时,用电热
膜也将试样温度加至130℃。

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3　试验结果及分析
由于原子氧通量的准确测量问题目前尚未能解决,因此本文中仍用相同放电条件下标准材料Kapton的质量损失推算得到的等效通量作为计算 布剥蚀率的依据。

图2是不同放大倍数下暴露试验前 布的扫描电镜(SEM)照片。

可以看到,大量的非常细的纤维形成一束束的整体,如同草席一般被错落有致地编织在一起,纤维束之间还存在有孔隙,高放大倍数下还可以很清楚的看到一根根的纤维以及浸透充满孔隙及玻璃纤维之间的T eflon
材料。

(a)200X(b)1000X
图2　原子氧暴露试验前的 布试样
3.1　原子氧效应试验结果及分析
表1是IFM设备中 布试样的原子氧暴露试验结果,由试样与Kapton材料的质量损失比推算得到的平均剥蚀率为2.215×10-24cm3/atom,这种材料的空间与地面试验的剥蚀率数据在所看到的文献中没有提及。

空间飞行试验中Teflon的剥蚀率为0.03～0.5×10-24 cm3/atom[3,4],国外新研制的两种抗原子氧剥蚀的材料TOR T M和TOR-LM TM在空间和地面试验中的剥蚀率为0.1～0.2×10-24cm3/atom[7],因此估计抗原子氧复合膜 布的空间剥蚀率也大约为此量级,由此可知IFM设备中 布的剥蚀明显严重许多。

表1 布试样的原子氧暴露试验结果( =1.32g/cm3,暴露时间t=10小时)
样品号
参数
715
试验前质量/g0.052000.04945
试验后质量/g0.048450.04550
质量损失M2/g0.003550.00395同条件下Kapton材料的质量损失M1/g0.005150.00560等效瞬时通量/atoms/(cm2・s)8.51×10159.26×1015剥蚀率Ey/cm3/atom 2.19×10-24 2.24×10-24
平均剥蚀率/cm3/atom 2.215×10-24
图3、4是经不同通量的原子氧暴露试验后 布试样的SEM照片,可以看到,原子氧暴
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露试验后 布中的玻璃纤维变得非常清晰,纤维之间的T eflon 材料在小通量暴露后尚有一些,大通量下则几乎被完全剥蚀。

由此可见,抗原子氧复合膜 布在地面模拟设备中有较大的原子氧剥蚀率的原因在于其中的Teflon 在设备中剥蚀较为严重导致的,玻璃纤维在原子
氧的作用下看不出有什么变化。

图3　小通量原子氧暴露试验后的 布
(1000X ,累计通量=7.13×1019atoms /cm 2)图4　大通量原子氧暴露试验后的 布(1000X ,累计通量=3.07×1020ato ms /cm 2)
3.2　原子氧与温度复合效应试验结果
表2是 布的原子氧与温度、紫外辐射复合效应试验结果。

随温度的升高,材料的质量损失增大。

图5是原子氧与温度复合效应试验后 布的SEM 照片,与温度较低但原子氧通量相同的暴露试样SEM 照片图3相比,很明显表面形貌变化较大,剥蚀更严重。

表2 布材料的原子氧与温度、紫外辐射复合效应试验的质量损失结果(暴露时间t =10小时)参数
样品号
221921试验状态(温度/℃)
AO 暴露(70)AO 与温度复合(130)AO 与紫外复合(130)等效瞬时通量/atoms /(cm 2・s )
1.98×1015试验前质量/g
0.056700.054600.05205试验后质量/g
0.053050.050700.04780质量损失/g 0.003650.003900.00425
图5　原子氧与温度复合作用后的 布
(1000X ,累计通量=7.13×1019atoms/cm 2)图6　原子氧与紫外辐射复合作用后的 布(1000X ,累计通量=7.13×1019ato ms/cm 2)
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3.3　原子氧与紫外辐射复合效应试验结果
试样的原子氧与紫外辐射复合效应试验结果见表2,在同样的温度和原子氧条件下,UV 辐射对 布的原子氧效应有较大的影响,试样质量损失增大,剥蚀更严重。

图6为原子氧与紫外辐射复合作用试验后试样的SEM 照片,与同样温度及原子氧条件下的SEM 照片图5相比,可以看到紫外辐射对试样的表面形貌影响不大。

3.4　带电粒子的影响
表3是几种空间材料在氩气放电产生的氩等离子体中的暴露试验结果。

布在Ar +作用下与Kapto n 相比有较大的质量损失,说明 布对环境中的离子要敏感的多,原因之一在于对充满玻璃纤维之间的T eflon 材料而言,高能离子的碰撞不仅可能会使Teflon 的化学键断裂形成小分子的挥发性产物,也为材料与原子氧的反应提供了更多的机会[8,9],再就是由于 布材料的纤维束之间存在孔隙(见图2),从而导致高能离子与材料的反应更容易发生,这也是地面模拟设备中 布剥蚀比空间严重的另一个原因。

但是即便如此,Ar +碰撞带来的质量损失与氧等离子体中的结果相比还是小不少,因此我们认为虽然离子的作用不可忽视,但原子氧的化学作用才是决定性的因素,离子的碰撞可能会促进氧化反应的更进一步发生。

表3　几种空间材料在氩等离子体中的试验结果(暴露时间t =4小时10分)参数
样品
Kapton 聚四氟乙烯 布气压/Pa
1.0×10-1放电电压/V
120放电电流/mA
160离子通量/ions /(cm
2・s ) 5.47×1014试验前质量/g
0.022350.084550.05355试验后质量/g
0.022350.084200.05300质量损失/g 0.00.000350.00055(注:聚四氟乙烯也称为PT FE Teflon,polytetrafluoroethylene)
图7　氩等离子体作用后的 布试样(1000X )图7是氩等离子体作用后试样的SEM 照
片,与暴露前试样相比,很明显有一些变化,但与
图3的原子氧暴露试验结果相比又有较大差距,
说明虽然高能离子的碰撞也会对材料的表面形
貌带来一些影响,但原子氧的化学作用才是材料
表面形貌变化的主要原因。

4　结论
1.抗原子氧复合膜 布在IFM 设备中并没
有表现出其抗原子氧剥蚀的特点,究其原因可能
是由于其中的T eflon 在等离子体型设备中容易剥蚀以及其特殊的结构特点造成的,设备中存在的大量高能离子的碰撞,不仅可能会使Teflon 材料的化学键断裂形成小分子的挥发性产物,也为材料与原子氧的(下转第104页)91
第3期赵小虎等:一种空间用抗原子氧复合膜 布的原子氧、温度、紫外辐射效应的试验研究　
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找到满足要求的参数。

如果设计者在一定经验的基础上给定取值区间,可使算法较快的搜索到能满足各项约束条件的标准返回轨道的设计参数。

遗传算法对返回轨道的参数寻优具有一定的优越性。

它将标准返回轨道设计与再入制导规律结合在一起进行设计,达到最优设计的目的。

同时实现自动设计返回轨道的目的。

因此,遗传算法对工程设计有一定的参考价值。

[参　考　文　献]
[1]　赵汉元.飞行器再入动力学和制导.长沙:国防科技大学出版社,1997年
[2]　Sten der J,Hilleb rand E,Kingd on J.Genetic Algorithms in Optimization,Simulation an d M odeling.IOS Press,1994
[3]　李士勇.模糊控制・神经控制和智能控制系统.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1996年
[4]　赵振宇,徐用懋.模糊理论和神经网络的基础与应用.北京:清华大学出版社,1996年
[5]　何力,赵汉元.飞船三自由度标准返回轨道设计与无制导开伞点位置误差分析,中国1995飞行力学学术年会论文
集(成都),1995年10月
(上接第91页)反应提供了更多的机会。

2.随温度的升高,试样的质量损失增大,表面形貌变化较大,剥蚀更为严重。

3.试样在原子氧与紫外辐射复合作用下剥蚀更为严重,质量损失有较大变化,表面形貌变化不大。

4.离子在 布的剥蚀效应中的作用不可忽视,但原子氧的化学作用才是材料剥蚀及表面形貌变化的决定性因素。

[参　考　文　献]
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