（航空宇航科学与技术专业论文）空间综合环境对航天器热控涂层性能退化效应研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 摘要 在中高轨道上，存在着带电粒子辐射、紫外辐照等组成的综合辐射环境。它 会导致航天器的表面材料性能发生极大的退化，例如热控涂层太阳吸收率上升、 薄膜材料机械性能变坏、变脆等等。这成为制约航天器长寿命高可靠发展的一个 重要因素。 本论文在总结国内外空间综合环境效应方面的研究现状的基础上，利用软件 计算了材料中的剂量深度分布以及拟合空间剂量深度分布的方法确定试验参数。 在此基础上，在低能综合环境模拟试验设备上对s 7 8 1 白漆、s r l 0 7 z k 白漆等5 种热控涂层进行了的低能质子、低能电子、紫外单一辐照试验以及综合环境辐照 试验，电子、质子的剂量相当于地球同步轨道1 5 年，紫外总辐照量为5 0 0 0 e s h ， 使用原位测量热控涂层的太阳吸收率，对太阳吸收率和光谱反射率的退化规律进 行了分析，并对太阳吸收率退化进行了拟合计算，初步探讨了进行热控涂层空间 综合环境下寿命预示的方法 主题词：热控涂层太阳吸收率原位测试空间辐射 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a b s t r a c t ac b m b i n e de n v i r o n m e n tw h i c hc 0 咀s i s t so fc h a r g e d p a n i c l c r a d i a t i o na n d u l t r a v i o l e t ( u v ) m d i a t i o ne x i s t si n 岫m e d i u m 卸d h 冲e a n l l o r b i t i tr c s u l t si ng r c a t d c 粤印幽t i o no ft h ep p c r i t i 幅o fs p 瓤期：r a f l 鞠r f h c cm a t e r i a l ss u c h 弱t l l es o l 盯 a b i p t a n c ei n c 坞笛e0 ft h e 锄a lc o n t r o l a t i n 莎，m e c h 卸j c a lp m p e n i e sd 锄a g co f m i nl i l m s ，e ta 1 t h i sb e 恤器am a j o ra d v c 陪c 白d o ri nt h ed w o l 印m e n to f l o n g - l i f c 柚dh i g h 坨l i a b i l i t ys p e 蹦t s t h i sm 髂i sb a g 卸、v i t ht h cr e v i e w0 fs p a c c 蝴b i n e de n v i 删瑚e n te 脏c ti n v e s t i g a t i t h cd e d e p t hp m m eo fd 擒瑁阋p a r t i d ei nt l l em a t e r i a l sw 弱c a l c u l a t e d ，a n da 6 t t i n g m c t h o do f s p a c ce n v i 啪蛐td o s e d 印t hp f o 丘l e w 勰 u s e df b rt t l e 血：t e r m i n a 虹o no ft e s tp a 糟m e t e 璐t h mf i v et y p c so f 也e r m a lc o n t r o lc o a t i n 梦w e r e a p o dt ol o we n e r g yp 1 0 n ，l o wc n c r g yc l e c 灯卸du vi n d i 、r i d u a l l y 叫 幽n u l t a 嘎i 惦l yi nal o we n c l j 科b 硼c 吖i m 哪c n tt 髂tf a d l i t y t kn u e n c eo f e l e 吣柚d p r o l 锄i s e q 岫l t o l 5 - y e 缸t a t a l d e o f g e o 1 童e t o 斌n u e n o f u v i s 5 晒s h h 龇t c s ti n s 她9 0 l 对出；0 l p 咖m 嘲眦m tw 弱c o n d u c l c d 髓c d c g r a d a t i o nl a wo fs o l a ra b 戳呱啦咂c e 柚ds p e c t m l n e 咖c co fm a t c r i a l sw 勰 锄a l y s e d af i t t i l l gc a 州a o f8 0 i a r 蜘t 跚w 嬲p c f 硒e d 拍dt t l cm e t h o do f l i f cp 嘲i c l i o f t h e 加a l 代咀i 仪娜i n g si nt h cc 【m l b i n c d 即v i n m c n tw 醛d i s c l l 豁e d p 豫l i m i n a r i l y k e yw o r d s ：t h e r m a ic o n 仃o ic o 删n g ss o 时a b s o 帧n c e i n s 鼬m e 舔u 悖m e ms p a r a d i a l i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表3 1 表3 2 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 表5 8 表5 9 表5 1 0 表5 1 2 表5 1 2 表5 1 3 表目录 地球同步轨道a p 8 质子积分能谱分布。2 6 地球同步轨道a e 8 电子积分能谱分布。2 6 质子辐照及暴露大气后太阳吸收率测试结果3 7 电子、质子+ 紫外辐照下涂层太阳吸收率退化 。4 2 电子和质子辐照对材料太阳吸收率的退化比较4 3 单一质子以及质子+ 紫外辐照下涂层太阳吸收率退化比较4 3 紫外辐照下太阳吸收率退化及暴露大气后的回复4 6 紫外辐照和a s 退化试验对照表4 7 模拟综合辐照环境下太阳吸收率退化5 1 材料在三种单一环境下的退化与综合环境退化比较5 2 质子辐照太阳吸收率退化拟合参数5 5 电子辐照太阳吸收率退化拟合参数5 6 紫外辐照太阳吸收率退化拟合参数5 7 综合辐照太阳吸收率退化一阶指数衰减拟合参数5 8 综合辐照太阳吸收率退化二阶指数衰减拟合参数5 8 第l v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图目录 图1 1 地球辐射带结构2 图1 2 地球同步轨道电子和质子微分能谱3 图1 3 太阳同步轨道电子能谱4 图1 4 太阳同步轨道质子能谱4 图1 6 在轨太阳能谱分布5 图1 6 空间太阳紫外辐照能谱5 图2 1p 7 8 - 2 卫星示意图1 0 图2 25 m i l 的戤r 肿样品在轨太阳吸收率变化1 0 图2 32 m i l 的t c n 样品在轨太阳吸收率变化1 1 图2 - 4 美国鲫c 3 综合环境模拟试验系统1 2 图2 5 法国s e m 泌m i s 综合环境试验系统1 2 图2 6a z t e c h 综合环境试验设备1 3 图2 7 两种拟合方式结果比较1 6 图2 8 一种自漆的太阳吸收率退化拟合结果1 6 图3 1s o k e v 质子在s 7 8 l 白漆中的剂量深度分布2 4 图3 2l k c v 质子在脚t o l l 材料中的剂量深度分布2 4 图3 35 0 k e v 电子在s 7 8 l 白漆中的剂量深度分布。2 5 图3 4 1 0 眦c v 电子在勋p - 嘶材料中的剂量深度分布2 5 图3 - 5 地球同步轨道上5 年质子在i ( 1 i p t o n 材料中的剂量深度分布2 7 图3 6 地球同步轨道下5 年电子在哦o n 材料中的剂量深度分布2 7 图3 7 模拟空闽轨道实际剂量深度分布2 8 图3 8 模拟空间剂量深度分布2 9 图4 _ l 样品基座结构示意图3 1 图4 之西8 0 0 空间综合辐照环境模拟试验设备3 2 图4 3 地球同步轨道十五年剂量深度分布及模拟( k a 嘞f ) 3 3 图4 4 太阳吸收率原位测试装置3 5 图4 一s 便携式光谱反射率测试仪3 6 图5 - 1 热控涂层在质子辐照下太阳吸收率退化曲线3 8 图5 - 2s 7 8 l 白漆质子辐照下光谱反射率变化。3 9 图5 - 3s r l 0 7 一z k 白漆质子辐照下光谱反射率变化3 9 图5 4a c r 1 白漆质子辐照下光谱反射率变化。4 0 图5 5 f 4 6 镀银第二表面镜质子辐照下光谱反射率变化4 0 图5 6 导电玻璃型o s r 质子辐照下光谱反射率变化4 1 第v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图5 7 热控涂层电予、质子+ 紫外辐照下太阳吸收率退化4 2 图5 8s 7 8 1 白漆电子、质子+ 紫外辐照下光谱反射率变化4 4 图5 9s r l 0 7 z k 白漆电子、质子+ 紫外辐照下光谱反射率变化4 4 图5 1 0a c r 1 白漆电子、质子+ 紫外辐照下光谱反射率变化。4 5 图5 1 1f 4 6 第二表面镜电子、质子+ 紫外辐照下光谱反射率变化4 5 图孓1 2o s r 样品电子、质子+ 紫外辐照下光谱反射率变化。4 6 图5 1 3 热控涂层紫外辐照下太阳吸收率退化4 7 图5 1 4s 7 8 1 白漆紫外辐照下光谱反射率变化4 8 图5 1 5s r l 0 7 z k 白漆紫外辐照下光谱反射率变化4 8 图5 1 6a c r 1 白漆紫外辐照下光谱反射率变化4 9 图5 1 7f 4 6 第二表面镜紫外辐照下光谱反射率变化。4 9 图5 1 8o s r 样品紫外辐照下光谱反射率变化5 0 图5 1 9 综合环境辐照下热控涂层太阳吸收率退化5 1 图5 2 0 四种辐照试验后s 7 8 1 白漆光谱反射率退化比较5 2 图5 2 l四种辐照试验后s r l 0 7 z k 白漆光谱反射率退化比较5 3 图5 2 2 四种辐照试验后a c r 1 白漆光谱反射率退化比较5 3 图5 2 3 四种辐照试验后f 4 6 第二表面镜光谱反射率退化比较5 4 图5 2 4 四种辐照试验后o s r 样品光谱反射率退化比较5 4 图5 2 5 质子辐照试验结果拟合曲线5 6 图5 2 6 电子辐照太阳吸收率退化拟合结果5 7 图5 2 7 紫外辐照太阳吸收率退化拟合结果5 8 图5 2 8 综合辐照太阳吸收率退化一阶指数衰减拟合参数曲线5 9 图5 2 9 综合辐照太阳吸收率退化二阶指数衰减拟合参数曲线6 0 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含 为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 空闽绫佥叠擅盟蓝丞墨垫整途星性能望丝熬廑盟塞 学位论文作者签名：j 之! 刍= 3 日期：2 。5 年1 1 月23 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可 以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 空间绫佥巫境盘航丞墨垫控途星性能望韭熬座盈塞 学位论文作者签名：驾望! 型1日期：炒年，月- ) 矿日 作者指导教师签名 日期：a 帼辱胁日 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章引言 1 1 空间综合环境及其效应 航天器在轨运行期间，会受到多种空间辐射环境的作用，包括带电粒子、 太阳电磁辐射等环境的影响。在各种空间环境的作用下，航天器表面功能材料 的性能会发生退化，影响航天器的正常运行。 1 1 1 带电粒子辐射环境及效应 1 1 1 1 轨道带电粒子辐射环境 空间粒子辐射环境主要是指在轨道上航天器遭遇的各种能量的带电粒子环 境，由两大类组成：一大类为天然粒子辐射环境，另一类为高空核爆炸后所生成 的核辐射环境。天然粒子辐射的主要成分为电子和质子，具有能谱宽、强度大的 特点，主要包含三方面来源：地球辐射带粒子、太阳宇宙射线和银河宇宙射线。 1 ) 地球辐射带 由于地球存在磁场，空间的带电粒子被磁场捕获，聚集到地球周围空间中， 将这一存在着大量地磁捕获的带电粒子的区域称为地球辐射带，也称为“范阿 伦”带。辐射带结构如图卜l 所示。 由于带电粒子空间分布不均匀，比较集中地形成了2 个辐射带：内辐射带 和外辐射带。 内辐射带在赤道平面上空6 0 0 1 0 ，o o o 蛔高度，纬度边界约为4 0 。，强度 最大的中心位置距离地球表面3 0 0 0 k m 左右嗍。内辐射带粒子成分主要是质子和 电子，质子能量一般在几兆电子伏到几百兆电子伏，通量为l o j m 2 s ，能量大 于0 酬e v 的电子通量约为1 0 5j m 2 s 。外辐射带的空闻范围很广，在赤道平 面高度大约从l o o o o k m 一直延伸到6 0 0 0 0 i 【l ，中心位置约在2 0 0 0 0 2 5 0 0 0 c i i i 左 右，纬度边界约为5 5 。7 0 。其主要成分为低能质子和电子，能量低于l m e v ， 最大通量达1 0 j m 2 s 。 2 ) 太阳宇宙射线 太阳色球经常发生局部区域短时间增亮现象，称为太阳耀斑，往往伴随着 大量高能粒子的喷发，主要为高能质子，也包括少量的a 粒子和重离子，质子 能量为l o 1 0 0 0 m e v 。喷发会造成粒子通量的增加，通常会持续几个小时到一 周以上，但典型情况下持续2 3 天【3 】。 3 ) 银河宇宙射线 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 它是来自太阳系之外的带电粒子流，主要成分为高能质子( 约占8 8 ) 以 及少量的q 粒子和重离子，粒子能量为1 0 0 1 0 1 4 m e v ，通量为2 4 ，( c m 2 s ) 。 圈1 1 地球辐射带结构 4 ) 人工辐射带 这是由高空核爆炸形成的辐射环境。 由以上多种来源，在航天器轨道上形成了大量的带电粒子分布，地球同步 轨道电子和质子的能谱分布见图卜2 所示。而太阳同步轨道的电子和质子微分 能谱分布见图卜3 、卜4 所示。 1 1 1 2 粒子辐照环境对航天器的影响 当空间辐射粒子与物质相互作用时，将在物质内部引起电离、原子位移、 化学反应和各种核反应，从而造成物质的损伤。粒子辐射环境对航天器的效应 主要包括以下几方面： 1 ) 单粒子效应 高能粒子入射到器件中，例如随机存储器、微处理器、电压变换器等等，经 常会在器件内部敏感区形成电子空穴对。电子空穴对会形成能打开联结的信 号，包括器件内不太活跃的区域和通常不连接到任何电路的部分( “虚拟”转换) 。 这些故障称为单粒子现象( s e p ) 。s e p 通常按效应来分类：单粒子翻转( s e u ) ， 电子器件工作状态的瞬时改变，这种改变是可逆的；单粒子锁定( s e l ) ，电子 器件工作状态改变并且需要断电后才能重建以前的( 或正确的 状态；单粒子烧 毁( s e b ) ，器件发生不可逆的故障而失效。 2 ) 总剂量效应 带电粒子通过电离作用、原子位移作用对航天器造成辐射损伤，从而导致航 天器上的各种材料、电子器件的性能变差，严重时会损坏。例如：玻璃材料在带 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 电粒子辐照后会变黑、变暗，胶卷变得模糊不清；太阳能电池输出降低，各种半 导体器件性能衰退，如增益降低、工作点漂移，甚至完全损坏。 3 ) 充放电效应 带电粒子入射到航天器表面后，电荷会累积在表面的材料中，使得表面具有 一定的负电位，电位值达到几十伏，在最坏情况下可达到几千伏甚至上万伏。因 此，在外形复杂、材料性质不同的航天器表面会出现不等量的电位，当电位差高 达一定数值时，就会发生放电，它既可造成电介质击穿、元器件烧毁、光学敏感 面被污染等直接的有害效应，也可能以电磁脉冲的形式给航天器内外的电子元器 件造成各种有害的干扰以及问接的有害效应，即航天器充放电效应。主要危害有： 形成静电场，影响探测结果，污染环境；产生放电脉冲，造成信号失真，影响材 料性能和太阳电池光电转换效率：增大阻力，影响飞行姿态；造成高压太阳电池 阵的电流泄露和弧光放电等。 r i m 一毫1 础脚- 耐p t 咖n 棚球f 柚h 址珥y 即曲 图1 2 地球同步轨道电子和质子微分能谱 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 f l p f n l 日t nm 舶n n h n o 口印神t r 圈1 - 3 太阳同步轨道电子能谱 f i 聃n - p r o o dd m c n nt 肿喈ye 岬t r 图l - 4 太阳同步轨道质子能谱 第4 页 一主，t0。5x三ljs譬岩崔口 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 1 1 2 紫外辐照环境及效应 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 o o o 5 0 0 o 2 0 0 0 3 0 0 04 0 0 05 d m h - h 图l - 5 在轨太阳能谱分布 100 4 幽1 - 6 空间太阳紫外辐照能谱 航天器处于轨道上时，由于失去大气层的保护，所有波段的太阳电磁辐射都 第5 页 ee，q耋星，j二l吼 岔葛。暑巷8曼霉i嚣h 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 能够照射到航天器的表面。太阳辐射强度用太阳常数来表示，太阳常数值为 1 3 5 3 w m 2 ，能谱分布参见图1 5 【鄂。紫外辐射的波长范围为1 0 0 4 0 0 n m ，参见 图1 6 i q ，其辐射的能量约占太阳常数的9 ，紫外辐射虽然只占太阳辐射总能 量的一小部分，但由于其光子能量较高( 波长为2 0 0 n m 的光子能量为6 2 e v ) ， 航天器表面受它们的作用后，会发生光电效应，使航天器表面带电，这将影响航天 器内电子系统与磁性器件的正常工作。光子作用于材料，将导致材料内的分子产生 光致电离和光致分解效应，尤其会破坏航天器上高分子材料的化学键l _ ”，使材料化 学键和功能团发生断裂或交联嘲，使材料性能变坏。紫外辐射对无保护层的聚合 物材料具有极强的破坏作用，试样的颜色发生改变，有明显的质量损失和析气现 象发生，试样的尺寸和力学性能也发生了很大变化1 9 】，可凝挥发物还会影响航天 器上光学器件和电子器件的正常工作，乃至使其失到l o 】。紫外辐照对热控涂层的光 学性质有较大的影响，使材料表面逐渐变暗，对太阳辐照的吸收率显著增加，影 响航天器的温度控制。 ，3 空间环境综合效应 航天器在轨运行时，各种空间环境包括粒子辐射、太阳电磁辐射、真空、 温度等同时作用在航天器表面上，对航天器表面的各种外露件的性能造成很大 的损伤。除了电予和质子环境外，其它空闻环境因素对航天器外露件的影响也 必须引起关注，如：太阳发射的各种电磁辐射和其它辐射效应对外露件表面损 伤不可忽视，空闻深冷背景及太阳和地球对外露件产生高低温环境也是所有部 件中最严重的，总之，航天器外露件与空问环境相互作用产生污染效应、带电 效应、粒子辐射损伤协合效应、紫外辐射损伤效应、冷焊效应等都应该引起重 视。所有这些环境对外露件的作用都不是独立的，有的是同时作用，有的是顺 序作用，这些环境的综合作用使卫星各部分外露件性能加速退化( 个别也有减 弱) ，协合效应定量阎甄目前在全世界范国都没有解决，因此只有靠综合环境试 验才能确定。空问综合环境对航天器外露件的主要损伤效应有： a 热控涂层太阳吸收率增加，这是卫星入轨以后温度升高的主要原因； b 热控涂层机械性能会变差，一般是变脆，强度下降，有的材料在剂量 大到一定程度时会变成粉状，彻底丧失机械性能，美国哈勃望远镜的外露f e p 薄膜在空间综合环境作用下发生严重的破裂，以至于宇航员必须出舱进行更换； c 太阳电池光电效率下降，使卫星寿命后期电源功率严重不足，有的会 永久失效，导致帆板报废； d 卫星表面各种敏感器寿命下降，因为这些敏感器的核心都是半导体材 料，带电粒子辐射对半导体性能影响非常大； e 卫星表面透明窗口透射比下降，特别是表层光学薄膜的损伤更为严重， 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 接收信号大大衰减； f 卫星相机的前光学系统一般由反射镜卡赛格林系统组成，属于开启状 态，带电粒子可以直接作用于这些反射镜，引起反射镜反射率下降，导致系统 性能下降； g 带电粒子在卫星绝缘材料的沉积引起卫星内放电，内放电会造成伪指 令和干扰信号，使卫星短期丧失工作能力，有的伪指令会引起卫星姿控系统失 控，损失大量燃料，缩短卫星寿命。 总之，空间综合环境对航天器表面的外露件具有相当大的损伤作用，会导 致其性能下降甚至报废，对航天器外露件的空间环境作用必须使用空问综合环 境进行模拟，才能得到更真实的空间综合环境效应。 1 2 热控涂层在热设计中的作用 航天器为什么必须进行温度控制? 这个问题可以简单地解释如下：一个典型 的航天器要经历交变的温度环境，它的工作时间长达几天甚至几年之久，而卫星、 飞船的结构及设备往往无法承受如此恶劣的温度环境变化。因此，任何类型的航 天器都要进行精心的温度设计，否则必将导致飞行的失败。1 9 7 3 年美国发射的 太空实验室，由于发射时外表面热控涂层的破坏，入轨后，工作舱内的平均温度 高达5 0 以上，被迫改变进一步实验的计划。日本第一颗人造卫星，由于热设 计不周，星内电子设备温度上升到6 0 以上而停止工作。美国探险者4 号，因 在轨道上温度过低而中断了正常工作。为了保证航天器在轨道正常工作，航天器 的温控系统非常重要“。 热控涂层是航天器重要的功能性材料。被动式热控航天器就是用它们来保 持外表面能量吸收和辐射的平衡，以获得理想的工作温度。卫星表面的太阳吸 收率和发射率是两个重要的可控热辐射性能参数。采用不同太阳吸收率o 。和发 射率e “的热控涂层，可决定暴露于空间环境中航天器表面热平衡温度水平。假 定在空间有一等温物体，它只受到太阳的直接照射，没有地球反照、地球红外 辐照，以及内热源等影响，接收太阳辐照面积为s ，则在达到稳定状态时，它 所吸收太阳光的热量应等于它辐射的热量，即 口。月。s 。傩么。瓦 ( 卜1 ) 其中： 彳。物体表面在垂直于太阳光的平面上的投影面积 a 。物体表面的辐射面积 t 。物体表面的平衡温度 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 物体表面的热平衡温度t 。可由下式求得 t = ( 卷厂 m z ， 由上式可见，物体表面的热平衡温度与太阳吸收率n 。和半球发射率e 。的 比值a 。( 简称吸收一发射比) 的1 4 次方成正比。因此，通过在物体表面 上选用不同热辐射性质的热控涂层，可以得到不同的热平衡温度“”。 热控涂层除了可调节卫星表面的热平衡温度外，还可以起到下面几个方面的 作用：“2 1 1 ) 调节卫星表面蒙皮的温度梯度； 2 ) 调节卫星进入地球阴影后的降温速度； 3 ) 加强卫星蒙皮之间或仪器之问的内辐射； 4 ) 调节卫星蒙皮( 壳) 与仪器( 或舱) 之间的辐射传热。 1 3 开展本课题对提高航天器长寿命、高可靠技术的意义 热控涂层是航天器重要的功能性材料，长期暴露在航天器表面，受空间环 境效应退化影响严重，热控涂层太阳吸收率将发生变化，造成航天器温度将偏 离设计值，轻则造成一些部件工作不正常，重则会导致飞行任务早期失败。为 保证航天器在轨道上正常工作，掌握热控涂层在空间辐射环境中的退化规律和 防护措施具有重要意义。 目前，国外卫星最长寿命已达到1 5 年以上，而国内也正在研制地球i 可步轨 道长寿命卫星，空间综合环境对航天器的影响将日渐突出，将成为制约我国航 天器长寿命、高可靠的重要因素。因此，开展本课题研究对满足我国空间技术 发展的需求，满足我国航天器长寿命、高可靠技术的需求具有非常重要的意义。 同时，该项研究还会为“十一五”进一步开展空闻辐射环境效应研究提供重要 的工程技术和理论研究基础。 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章国内外研究现状 2 1 国外研究现状 国外对空间综合辐射环境对航天器表面功能材料的影响研究开展很早，进行 了大量的地面模拟试验以及空间飞行试验，对材料在空间环境下的性能退化进行 研究，取得了较多的成果。 2 1 1 空间飞行试验研究 为了了解热控涂层在空问环境下的性能退化，国外进行了大量的空间飞行试 验，在卫星上搭载热控涂层试验装置进行研究。 美国a e r o s p a c e 公司对1 6 种热控涂层进行了长达l o 年的在轨性能测试“”。 在p 7 8 2 卫星上搭载了一个污染试验装置m l l 2 以及三个热控涂层试验装置( 代 号l 1 2 3 、扎1 2 4 、札1 2 5 ) ，参见图2 1 ，其中m l l 2 - 3 、札1 2 4 上各携带了8 个直径1 2 5i n c h e s 的热控涂层样品，地1 2 5 上主要携带了用于监测热控涂层 耦合温度的电子线路。热控涂层包括了跏4 0 1 c l o 黑漆、t e f l o nf e p a g 、 k a p t o n a l 、n s 4 3 g 黄漆等。p 7 8 2 卫星于1 9 7 9 年1 月3 0 日发射升空，对热控涂 层的性能监测共进行了l o 年，得到了热控涂层在g e o 轨道上太阳吸收率退化的 大量数据。图2 2 、2 3 分别给出了5 i n i l 厚的k a p t o n 和t e f l o n 样品在轨太阳吸 收率变化情况。 镀银t c n o n ( g 佣兰p ) 是在空间应用中广泛使用的一种被动热控材料。这种 材料在低温工作环境下有非常小的al e 。( 0 1 ) ，并且能制作成不同的f e p 厚 度。在多次飞行试验中研究了a 刚p e p 的性能退化情况，例如长期暴褥装置 ( 脚) 1 1 5 1 、太阳峰值卫星1 1 6 l 、高轨航天器放电( s a 豫a ) i 川以及其它飞行 试验【1 8 l f l 9 】。在u ) e f 上进行的 咖啜，的试验结果表明样品变得模糊或浑浊，部 分区域太阳吸收率增加到0 2 5 【删，机械性能也发生了很大的变化，u ) e f 后部的 样片的拉伸强度减小了约三分之一，伸长率也减少了约2 0 1 2 ”。而在太阳峰值 卫星上进行的试验中，部分区域的a g 门f e p 的太阳吸收率退化到0 2 8 o 4 0 1 1 6 1 。 在s c 舢任务中，得到的结果显示在轨5 年后，在电子和质予辐照下a 刚毛p 的太阳吸收率退化到o 2 4 以上旧。 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 s c l2 s c l l l f td f n 1 z s c l j ，s ： 羔弘7 5 蝴 图2 1p 7 8 2 卫星示意图 l 仇咖髓n d s ) d a y ss i n c e1 f 1 7 9 图2 - 2 5 m i i 的l ( | l m 蛳样品在轨太阳吸收翠变化 m e e p 试验是俄罗斯和美国联合在“和平”号空间站上开展的一项空间环境 暴露试验，无源光学试样组件p o s a i 和p o s a h 是试验的研究内容之一，此外还 包括轨道碎片收集器( 0 r b i t a ld e b r i sc 0 1 1 e c t o r ) 和抛光金属板微流星体和碎 片试验( p 0 1 i s h e dp 1 a t em i c r o m e t e o r o i d sa n dd e b r i se x p e r i m e n t ) 。其中p o s a 是作为国际空间站的候选材料，于1 9 9 6 年3 月2 5 日放在和平号对接舱上的，并 于1 9 9 7 年9 月2 6 日被回收，共在空间暴露了1 8 个月。p o s a 中有4 0 0 个试样， 包括热控涂层、聚合物薄膜、光学材料和多层绝缘毡等。试验发现，硅聚合物的 放气产物在原子氧和紫外辐射作用下，形成了不均匀的硅污染层，其厚度约为 0 0 2 1um 。白色温控涂层在空间环境的作用下，表面变成了淡黄色，给温控涂 层的太阳吸收率带来了较大的影响i z “。 第1 0 页 耐刚矧 馘洲 础一 乩嚣渺 |耋魄嘞窑 u。nidosiivlos 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 0 h o u 鞠哪s l 0 a y ss l n c e1 1 f 7 9 图2 - 3 知砌的t c n 锄样品在轨太阳吸收率变化 2 2 地面模拟试验设备 由于空间飞行试验受发射计划和轨道条件的限制，并且花费昂贵，因此进行 地面模拟试验是经济方便的途径，其成本低、参数易于测量和控制，并可以进行 加速试验，定性了解空间综合环境各要素对对材料性能的影响。目前，美国、欧 洲和俄罗斯的航天试验部门都建立了多套空间综合环境模拟试验设备，用于对航 天器用材料进行地面模拟评价试验。 美国n a s a 的马歇尔空问飞行中心有两套高能综合环境系统c e e t c 2 和 c e e t c 3 ，这两个系统分别在1 9 9 0 年和1 9 9 6 年完成并投入使用。 c e e t c 3 综合环境模拟系统( 参见图2 4 ) 的真空抽气系统采用离子泵。使用 了两台静电加速器来产生高能量的电子和质子，1 台电子枪来产生1 5 0 k e v 的 电子。使用汞氙灯来产生近紫外辐照，氘灯来产生远紫外辐照啪1 。该设备技术指 标如下： 真空度：5 1 0 “t o r r ： 电子辐照：l 5 0 k e v ，2 0 0 k e v 2 5 m e v ； 质子辐照：5 0 k e v 1 m e v ： 辐照面积：5 5 c m 2 ： 近紫外辐照( 汞氙灯) ：1 0s c ： 远紫外( 氘灯) ：1 0s c ； 退化原位测量：太阳吸收率、反射率和透射率 c e e t c 2 综合环境模拟试验系统采用两台v a nd eg r a f f 加速器来产生电子和 质子，使用太阳模拟器来产生近紫外辐照。技术指标与c e e t c 3 很接近，只是质 子能量高、电子能量低一些，没有原位测试，具体技术指标如下。”： 真空：1 0 叶t o r r ： 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 电子辐照： 质子辐照： 辐照面积： 近紫外辐照( 太阳模拟器) ： 1 0 0 4 0 0 k e v ： 5 0 0 k e v 2 5 m e v 1 0 1 0 c m 2 ： 2 5s u n 。 图2 4 美国a 朔3 综合环境模拟试验系统 法国0 n e r a 有两套高能综合辐射环境模拟系统，都是在九十年代建成的，其 中s 蹦i r a m i s 综合模拟试验系统( 参见图2 5 ) 技术指标如下： 真空度： 1 0 1t o r r 电子辐照： 2 0 0 k e v 2 5 m e v 质子辐照： 2 0 0 k e v 2 5 m e v 辐照面积： 1 2 c m 1 2 c m 紫外辐照： o 5 5s u n 温度环境： 一5 0 + 8 0 污染原位测量： v c m 效应测量：太阳吸收率、反射率和透射率。 图2 - 5法国s e m i r 舢订l s 综合环境试验系统 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 o n e r a 的另两台综合环境模拟试验设备的技术指标为：s i r e n e 综合模拟试 验设备真空1 0 “t o r r ，电子能量2 2 0 k e v ，单能质子辐照1 0 1 5 0 k e v ：m i r a s i t u 综合模拟试验设备技术指标：电子辐照2 0 0 k e v 2 5 m e v ，质子辐照2 0 0 k e v 2 5 m e v ，紫外辐照0 5 5s u n ，温度环境一1 2 0 十1 2 0 ，污染v c m 原位测量。 而美国a z t e c h 、a e r o s p a c e 等单位则有空间低能综合辐照环境模拟试验设 备，a z t e c h 公司设备的技术指标如下： 电子辐照： 5 0 k c v 质子辐照：5 0 k c v 近紫外源：2 5 k w 汞氤灯 远紫外源：一只1 5 0 w 氘灯 温度控制：一3 0 + 1 0 0 辐照面：1 0 0 啪2 光学原位测量：有 真空环境：l 旷p a a z f k h 的设备照片参见图2 - 6 。 图2 击戍n 鼢综合环境试验设备 总的来看，国外进行空间辐射环境的地面模拟研究时，多采用空间综合环境 模拟试验装置，可以进行空间多种环境( 包括太阳电磁辐射、带电粒子、真空、 高低温等) 的模拟，可进行单一环境因素或多因素的综合辐照试验，而不仅仅是 某种单一辐照环境的效应。 2 1 3 空间综合环境效应地面模拟试验研究 利用地面空间环境模拟试验设备，国外进行了大量的材料地面模拟试验，研 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 究材料在空间综合环境下热光性能、电性能等的退化情况。 w a l t e r a w a p p a u s 等人对金属化的5 m i l 的f e pt e f l o n 第二表面镜热控涂层 进行了一系列辐照试验，研究其太阳吸收率对电子、质子和紫外( u v ) 剂量的稳 定性。使用了能量为5 k e v 及2 5 k e v 的带电粒子和强度为5 个太阳常数的紫外来 辐照镀银和镀铝的f e pt e f l o n 涂层。对紫外和带电粒子同时辐照这些涂层的综 合效应也进行了研究。幽1 结果显示镀银和镀铝的涂层在2 5k e v 质子下比在2 5k e v 电子下更不稳定。 紫外加上带电粒子的综合效应在更高的剂量下产生了比带电粒子单独辐照的效 应更大的不稳定性。在真空使用5 个太阳常数的紫外辐照1 2 0 小时后，f e pt e f l o n 涂层的稳定性事实上不受影响。涂层在5 k e v 电子辐照环境下也保持稳定。 由几种色素和粘合剂组成的一系列热控涂层经受了5 0 4 0 0 k c v 之间四个特 定能量的质子辐照。在外辐射带和太阳耀斑事件中能量低于1 m e v 的质子的通量 相当高。在这一范围内，所有能量交换都发生在漆的薄层内，因此所有入射能量 都被吸收。试验结果表明：每一种材料在0 伽0 4 3 0 pm 范围内计算的退化量 几乎正比于吸收的能量质子的动能乘以所有集成通量的积。材料的太阳吸收 率的数据则指出注量相同时更高能量的质子比低能量的质子对材料的退化更大。 在研究的通量范围( 1 l o 埔l 1 0 1 2 ，s ) 内，发现损伤几乎与通量无关， 这表明存在把结果外推到空间实际通量的可能性l 碉。 r r b 彻釉等人对z - 9 3 白漆、s 1 3 白漆、s 1 3 g 白漆、i p t h 矗l i n 等材 料进行了单一电子、单一紫外以及电子+ 紫外的综合辐照试验，通过对试验结果 的分析，表明：1 ) 对大多数漫反射涂层，5 0 i 【c v 电子辐照造成的反射率最大退 化在红外区。紫外辐照在可见光区造成更大损伤，特别是在一些存在的紫外吸收 边缘；2 ) 在5 0 k c v 电子辐照后，大多数涂层在暴露空气后经历了相当大的反射 率回复，而在紫外辐射后，只有部分涂层回到相当接近于它们各自的辐照前反射 率值；3 ) 综合环境的辐照顾序相当大地影响退化结果，电子紫外综合环境辐照 的反射率变化小于单一辐照的结果迭加，而在电子辐照后进行紫外辐照，会在一 些涂层中导致反射率的部分回复，说明综合辐照顺序会影响材料的退化结果。汹1 对s g l 2 l f d 白漆进行进行了等效地球同步轨道2 0 年总剂量的质子辐照，并进 行了性能测试：反射率测量、s e m 和光学观测、交流阻抗和直流电导率测量。辐 照后观测到白漆变黄。反射率测试显示存在两个吸收带：5 0 0 n m 附近和近红外。 试验最终太阳吸收率增加0 4 。交流阻抗和直流电导率测试结果表明辐照后材料 的电导率下降。还研究了温度对电阻率的影响，结果表明温度大于7 0 时辐照样 片电导率大于未辐照样片网。 初期，人们对空问环境对航天器表面材料的性能退化的研究主要还集中在单 一辐照环境对材料的性能退化上，随着人们对空间环境和航天器相互作用了解的 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 加深，特别是单一环境辐照模拟试验数据与空间飞行试验数据的差异，使人们认 识到航天器在轨道上遭受的不是单个环境因素的简单迭加，而是多种环境因素相 互作用、相互影响产生的协合效应。因此后来加强了对多种环境共同作用下的材 料退化效应的研究。 同时，对于将要在航天器上使用的材料，进行空间综合环境地面模拟试验， 以验证其性能是否能够满足空间综合环境下的稳定性要求。 对将在某一航天器上使用的热控涂层进行低能电子、低能质子和紫外的辐照 试验，已确定是否能够满足轨道环境下的性能要求闭。热控涂层包括白漆以及 高发射率的聚合物和金属反射镜，辐照环境包括4 0 k e v 电子、4 0 k e v 质子以及紫 外( 约两个太阳常数，即2 s c ) 。试验结果表明z 9 3 一p 白漆在辐照中相当稳定，可 以进一步使用，而其它材料中太阳吸收率退化最大为0 0 7 ，大部分材料退化小于 o 0 2 。 2 1 4 材料在空问环境作用下的性能退化机理研究 随着对材料在空阃环境下的性能退化研究的深入，对材料在空间环境下的退 化机理也进行了研究。 对漆和聚合物热控涂层在紫外和电子辐照下的退化机理进行了研究f 嚣、3 0 1 。 所选择的颜料为金红石( 钛的氧化物) 和钛酸锶( s 币0 3 ) 。利用色谱法和电导 率测试仪研究了漆在不同气体环境下加热到高温的效应。发现了这些处理所导致 的表面特性改变。对无粘合剂的颜料和硅树脂颜料在紫外辐照、带有能量的电子 辐照、以及电子和紫外同时辐照下的反射率退化进行了比较。在无粘合剂的颜料 的试验中发现了电荷捕获导致的缺陷中心的稳定性的证据。这种缺陷稳定性的机 理在硅树脂颜料中不普遍，因为粘合剂在一定程度上显然地钝化了颜料表面。通 过比较无粘合剂和有粘合削的颜料的结果后可得到如下结论：1 ) 对两种样片， 紫外产生的损伤数量级在可见光波段比红外波段大得多：无粘结剂的样片达到饱 和所需的辐照量小一半，而最终两种样片达到几乎一样的饱和状态：2 ) 在给定 的注量下电子辐照对t i 倪一r t v 产生的退化比无粘合剂的大。有粘合剂的样片没 有出现对注量的饱和现象，而无粘合剂的样片在注量低于5 1 0 “e c m 2 时就饱和； 3 ) 连续进行电子和紫外辐照时，有粘合剂的样片没有出现无粘合剂的样片出现 的饱和现象。在无粘合剂的样片中观测到的协合效应不明显，而在有粘合剂的样 片中存在；4 ) 对硅树脂颜料，注量对退化率的效应很大，而注量率的效应就不 明显。 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 2 1 5 材料在空间环境下性能退化的模型以及寿命预示 利用空间飞行试验和地面模拟试验数据，建立材料性能退化的模型，并利用 数学模型推导出材料性能退化的公式，用于利用地面模拟试验数据进行材料在空 间环境下的寿命预示。 利用p 7 8 2 卫星上长达l o 年的1 6 种热控涂层太阳吸收率监测数据，对各种 涂层提出了退化的物理模型，并利用得到的数据对模型进行了验证“。例如对 f e p 涂层，分另| j 使用两种拟合公式进行了数据拟合，图2 7 给出了两种公式盼拟 合结果，在最初