低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法 |
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| 申请号 | CN201610911406.4 | 申请日 | 2016-10-19 | 公开(公告)号 | CN106644907A | 公开(公告)日 | 2017-05-10 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学; | 发明人 | 李兴冀; 杨剑群; 刘超铭; 吕钢; 刘勇; 董尚利; 马国亮; | ||||
| 摘要 | 低地球轨道 航天器 用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，涉及空间环境效应领域。本 发明 是为了解决现有低地球轨道航天器用暴露材料地面模拟试验方法不能够全面实现暴露材料空间综合环境效应研究的问题。本发明所述的低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，将待实验样品置密封腔体内，对待实验样品进行粉尘模拟试验，对待实验样品进行 原子 氧 环境及紫外环境试验，对密封腔体抽 真空 ，进行热循环试验，根据待试验样品的厚度t，选择入射 电子 及质子的 能量 ，对待实验样品进行带电粒子辐照试验，进行低地球轨道航天器用暴露材料性能测试。本发明适用于空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用中。 | ||||||
| 权利要求 | 1.低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法 技术领域[0001] 本发明属于空间环境效应领域，尤其涉及低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验。 背景技术[0002] 低地球轨道距离地面100km～1000km，是对地观测卫星、气象卫星、载人飞船、空间站、航天飞机等航天器的主要轨道。低轨道区主要的空间环境包括地球中性高层大气、等离子体(电离层和沉降等离子体)、地磁场、地球辐射带、银河宇宙线、太阳宇宙线、太阳电磁辐射、流星体与碎片等环境。由于低轨道空间环境很恶劣，它对航天器的影响一直为人们所关注。空间实践表明：空间环境是诱发航天器故障和异常的主要原因之一。国内外的卫星故障统计分析表明，空间环境诱发的故障约占总故障的40％。低地球轨道中的原子氧对材料表面的腐蚀可导致材料性能的退化，空间辐射使有机材料性能劣化，热循环造成材料尺寸的不稳定和机械性能下降，微流星体和空间碎片的撞击造成材料机械损伤甚至破坏，而超高真空则会导致有机材料分解蜕变、放气。值得注意的是，这些因素往往协同作用，加速了材料的破坏，产生许多意想不到的结果。研究材料的低地球轨道环境效应，开发满足航天器性能要求且对空间环境有较好的适应性和耐久性的材料已成为一个热点课题。空间环境与航天器之间相互作用发生在太空，直接实验研究难度大，搭载试验所需成本费用高。解决问题的最基本途径是在地面模拟空间环境。通过地面模拟试验的研究，揭示空间环境与材料相互作用的基本规律，阐明材料空间环境效应的基本特征与机理，并将所获得的研究成果用于指导空间应用。因此，为了有效地展开空间材料科学技术研究，十分需要建立低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法。 [0003] 低地球轨道空间环境很复杂，目前主要研究的是热循环、太阳紫外、粉尘、原子氧、空间带电粒子辐射及高真空对材料的影响。目前，人类积累了许多空间单因素环境下低地球轨道航天器用暴露材料地面模拟试验方法，成为人类探索认识空间材料科学问题的重要依据，也为各国航天事业的发展作出了不可替代的贡献。但是，这些研究均未能全面实现低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应研究。 发明内容[0004] 本发明是为了解决现有低地球轨道航天器用暴露材料地面模拟试验方法不能够全面实现暴露材料空间综合环境效应研究的问题，现提供低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法。 [0005] 本发明所述的低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法包括两种方案： [0006] 第一种方案：低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，该方法包括以下步骤： [0007] 步骤一：将待实验样品置密封腔体内，对待实验样品进行粉尘模拟试验，然后执行步骤二； [0008] 步骤二：对待实验样品进行原子氧环境及紫外环境试验，然后执行步骤三； [0009] 步骤三：对密封腔体抽真空，进行热循环试验，然后执行步骤四； [0010] 步骤四：根据待试验样品的厚度t，选择入射电子及质子的能量，使得电子及质子的入射深度大于2t，对待实验样品进行带电粒子辐照试验，当辐照粒子的总注量或总剂量达到试验的要求时，进行低地球轨道航天器用暴露材料性能测试，完成低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验。 [0011] 第二种方案：低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，该方法包括以下步骤： [0012] 步骤一：将待实验样品置密封腔体内，对待实验样品进行粉尘模拟试验，然后执行步骤二； [0013] 步骤二：对待实验样品进行原子氧环境及紫外环境试验，然后执行步骤三； [0014] 步骤三：对密封腔体抽真空，然后执行步骤四； [0015] 步骤四：根据待试验样品的厚度t，选择入射电子及质子的能量，使得电子及质子的入射深度大于2t；对待实验样品同时进行热循环试验和带电粒子辐照试验，当辐照粒子的总注量或总剂量达到试验的要求时，进行低地球轨道航天器用暴露材料性能测试，完成低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验。 [0016] 上述低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，密封腔体内设有温度控制装置，温度控制装置的引线通过密封腔的真空插头连接电源，温度控制装置的调节范围为-180℃～150℃。 [0017] 上述低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，粉尘模拟试验中，粉尘尺寸为0.01μm～500μm，粉尘速度为1km/s～100km/s。 [0018] 上述低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，原子氧环境试验中，原子氧能量为3eV～9eV，原子通量为1e10atoms/cm2s～1e19atoms/cm2s； [0019] 紫外环境试验中，紫外波长0nm～400nm，强度为0.1suns～10suns。 [0020] 上述低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，步骤三中，密封腔体抽真空，使密封腔体内的压强为10-1Pa～10-5Pa。 [0021] 上述低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，热循环试验中，升温及降温速率为0.01℃/min～50℃/min，且保温时间能够使得待实验样品表面与待实验样品内部的温度相同。 [0022] 上述低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，其特征在于，带电粒子辐照试验中，质子的入射方向垂直于待实验样品表面，电子的入射方向与待实验样品法向的夹角在45°角以内； [0023] 质子及电子的辐照均匀度大于10％； [0024] 质子及电子的辐照面积大于等于待实验样品表面积的1.5倍，且能够将样品完全覆盖住。 [0025] 本发明是基于地面单因素和多因素模拟环境，建立一种可以模拟低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应的地面模拟试验方法。本发明的应用不同类型地面单因素及多因素环境，步骤简单，易于操作。本发明所提出的技术途径能够大幅度降低试验的费用，对低地球轨道航天器用暴露材料空间环境效应地面模拟试验和研究具有重大意义。在空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用中，有着明显的优势和广泛的应用前景。附图说明 [0026] 图1是速度为9km/s、尺寸为10um的粉尘撞击光学玻璃时的示意图； [0027] 图2是电子和质子在Teflon(聚四氟乙烯)材料中的射程曲线图，A表示电子，B表示质子； [0028] 图3是5MeV质子、1MeV电子及热循环共同作用在Teflon材料上的试验结果曲线图； [0029] 图4是粉尘、原子氧及1MeV电子共同作用在Teflon材料上的试验结果曲线图。 具体实施方式[0030] 低地球轨道航天器用暴露材料主要受到真空、热循环、太阳紫外、粉尘、原子氧及带电粒子辐照等空间环境因素的影响。本发明基于真空、热循环、太阳紫外、粉尘、原子氧、电子辐照及质子辐照同时或顺序作用，通过选择控制真空度、热循环温度范围区间、太阳紫外强度、粉尘尺寸大小及速度、原子氧能量及通量、电子能量及通量、质子能量及通量，以及控制同时或顺序综合作用，来达到低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟的目的。 [0031] 具体来说，为了达到上述技术目的，本具体实施方式采用以下具体方法： [0032] 本实施方式所述的低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，该方法包括以下步骤： [0033] 步骤S1：将温度控制装置放置在密封腔内，温度控制装置引线利用密封腔的真空插头进行连接；调节温度区间到所需要的范围为：-180℃～+150℃； [0034] 步骤S2：准确测试待试验样品的厚度t，并测试其初始性能参数，然后进行粉尘模拟试验，粉尘尺寸选择为0.01μm～500μm、速度为1km/s～100km/s； [0035] 步骤S3：进行原子氧环境及紫外环境试验。原子氧能量为3eV～9eV、原子通量为1e10atoms/cm2s～1e19atoms/cm2s；紫外波长0nm～400nm，强度为0.1suns～10suns； [0037] 步骤S5：质子的入射方向应垂直于样品表面，电子的入射方向与样品法向的夹角应在45°角以内。并且，质子及电子的辐照不均匀度应小于10％；质子及电子的辐照面积应至少是样品面积的1.5倍，且可将样品完全覆盖住； [0038] 步骤S6：将密封腔体进行抽真空，压强大小为10-1Pa～10-5Pa，开始热循环试验。热循环试样升温及降温速率为：0.01～50℃/min；保温时间应保证样品表面及内部的温度相同； [0039] 步骤S7：完成不同次数的热循环后，可原位进行辐照试验；或者在进行热循环试验的同时，进行带电粒子辐照试验； [0040] 步骤S8：带电粒子辐照试验时，可基于电子及质子同时辐照进行空间综合辐射环境试验研究，或者通过电子及质子顺序辐照试验进行综合辐射环境试验研究。当辐照粒子的总注量(或总剂量)达到试验的要求时，进行综合环境试验后的低地球轨道航天器用暴露材料性能测试。 [0041] 为了在科学上实现空间综合环境与低地球轨道航天器用暴露材料作用基本理论和方法研究，揭示空间综合环境下低地球轨道航天器用暴露材料性能退化的基本规律与各种空间环境综合效应的物理本质，建立空间综合环境下低地球轨道航天器用暴露材料地面模拟试验的方法。 [0042] 本实施方式所涉及的综合环境效应地面模拟试验方法，可以在低地球轨道航天器用暴露材料中产生空间综合环境效应的试验方法，其应用对象包括各类低地球轨道航天器用暴露材料。本实施方式基于选择控制真空度、热循环温度范围区间、太阳紫外强度、粉尘尺寸大小及速度、原子氧能量及通量、电子能量及通量、质子能量及通量，以及控制各环境因素的作用次序，可对低地球轨道航天器用暴露材料产生相同的损伤效果，达到低地球轨道航天器用暴露材料空间综合环境效应地面模拟。 [0043] 对于上述环境的综合，粉尘尺寸大小及速度，电子和质子的能量选择特别关键。因为如果空间粉尘能够使得材料表面发生损伤或破裂，会对其他空间环境因素的作用产生至关重要的影响。并且，需要电子及质子能够完全穿透低地球轨道航天器用暴露材料样品。此外，需要保证电子及质子辐照，在低地球轨道航天器用暴露材料样品中产生均匀的损伤。为此，需要选择合适的电子和质子能量，使其射程超过低地球轨道航天器用暴露材料样品厚度的2倍以上。速度为9km/s、尺寸为10um的粉尘撞击光学玻璃时的示意图，如图1所示。电子及质子在Teflon材料中的曲线如图2所示。 [0044] 为了进一步说明上述方式的合适性，将试样选择为Teflon材料，其厚度为100μm、面积为1cm×3cm。试验条件为真空条件下，真空度为10-3Pa。图3给出了5MeV质子、1MeV电子及热循环共同作用的试验结果。图3中热循环条件为：温度范围为-100℃～+50℃、循环次数为200次、升降温速率5℃/min。辐照条件为：1MeV电子辐照通量1e10e/cm2s、辐照面积20cm×50cm、辐照不均匀度小于5％；5MeV质子辐照通量1e8p/cm2s、辐照面积2cm×20cm、辐照不均匀度小于5％。电子和质子采取顺序辐照方式，且与热循环采用顺序和同时作用方式。由图3可以看出，不论顺序作用还是同时作用，对聚合物材料造成的损伤程度相同。 [0045] 图4给出了粉尘、原子氧及1MeV电子共同作用的试验结果。图中，1MeV电子的条件与图3相同；粉尘物质为Al球，其直径为30μm，速度为8km/s；原子氧能量为5eV，辐照通量为1e15atoms/cm2s。粉尘、原子氧及1MeV电子采取顺序作用的方式。由图可见，粉尘和原子氧作用后，再进行电子辐照时，会加剧电子辐照所造成的损伤。会造成加剧，和质子采取顺序辐照方式，且与热循环采用顺序和同时作用方式。并且，与先原子氧环境试验再粉尘环境试验相比，先粉尘环境试验再进行原子氧环境试验后，进行电子辐照时所造成损伤程度更大。 |
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