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低轨道航天器舱外材料或器件原子氧防护技术研究

时间:2013-12-06 07:46:14  来源:第三届空间材料及其应用技术学术交流会论文集  作者:李中华,赵琳,郑阔海

  摘要:低轨道航天器在轨运行期间,舱外材料或器件将经受原子氧的氧化剥蚀作用,导致材料或器件性能衰退甚至失效。原子氧防护技术是保证材料或器件在轨性能和寿命的重要手段,和平号空间站和国际空间站等低轨道长寿命航天器的原子氧防护结果表明,对舱外材料或器件进行原子氧防护是必须而且可行的。本文介绍了国内外开展的原子氧防护技术及舱外材料或器件的原子氧防护方法。
  关键词:低轨道, 原子氧, 防护
  
  概述
  低轨道航天器在轨运行过程中,表面功能材料或器件(如:热控涂层、太阳电池阵、光学材料和外露结构件等)将经受高层大气、原子氧、太阳电磁辐射、热循环、太阳宇宙线、微流星与空间碎片等多种空间自然环境因素及出气、污染等次生环境的作用(见图 1),会导致星用材料或器件的性能下降甚至失效(见图 2)[1]。
  对航天器表面材料及敏感器件采取防护措施是保障卫星在轨运行性能和可靠性的重要措施之一。国内外对空间原子氧的防护非常重视,NASA 专门制定了一个太阳电池阵环境防护计划(PAEP计划)[2],目的是要研制大尺寸的、能够防护原子氧剥蚀的薄膜及其沉积技术。目标就是要使在低地球轨道运行的航天器太阳电池阵垫能够在轨使用 15 年。前苏联和平号空间站(Mir)以及目前的国际空间站(ISS)之所以能够在低地球轨道运行十余年以上,原因之一是对这些长期运行的航天器表面材料采取了原子氧防护措施。近年来,我国研制发射的低轨道长寿命航天器越来越多,对原子氧防护也越来越重视。由于原子氧对材料的剥蚀是“渐进、累计”的过程,需要航天器在低轨道运行较长的时间,才会对舱外材料或器件的性能产生明显的改变。我国在“十一五”以前,没有在低轨道长期(5 年以上)运行的卫星,到目前为止,没有因原子氧的氧化剥蚀导致卫星材料或器件在轨性能下降或失效的事件。
  1 空间原子氧及其效应
  原子氧是低地球轨道残余大气的主要成分。虽然原子氧的密度不是很大(109~105cm-3左右),温度也不是很高(1000K~1500K 左右),但是由于卫星的高速飞行,增大了原子氧对卫星表面材料的撞击能量(约 5eV)及通量密度。如在 300Km 轨道高度,原子氧的年积分通量达到~1022AO/cm2。即使在400km的轨道,航天器迎风面的原子氧年积分通量也达到了1021AO/cm2以上[3]。
  由于原子氧是极强的氧化剂,会对卫星表面材料或器件产生严重的氧化剥蚀作用,是卫星表面材料或器件退化的主要因素之一。如:原子氧使有机结构材料厚度减薄,机械强度下降;使功能材料的太阳吸收率、发射率变化,影响热控性能;使太阳反射镜的反射率下降、漫反射增加,使光学成像质量下降;使活动部件外露部分的润滑剂(二硫化钼等)氧化,导致润滑性能下降或失效等。另外,原子氧与材料反应时放出的气体加重了附近元器件的污染;反应使表面涂层脱落而形成微小碎片等。原子氧对卫星表面材料的氧化剥蚀作用已经被空间飞行试验和地面试验所致证实。
  不同类型的材料,原子氧剥蚀率有较大差异,经过研究,一般认为:1)仅含有 C、H、O、N 等元素的材料,有较高的原子氧剥蚀率,一般在 2.5×10-24~3.0×10-24cm3/atom 之间;2)含氟和硅元素的聚合物比一般有机物(C、H、O、N 元素组成)剥蚀率低 50 倍;3)被填充的有机材料反应率依赖填充物的氧化稳定性。如,填充金属氧化物、硅等材料比填充碳的材料具有较低的反应率;4)除锇、银外,金属在原子氧环境中都是稳定的,而金属铜在原子氧环境中稳定性较差,原子氧作用后,表面会生成氧化物,但是被氧化剥蚀的速率比锇和银要低很多。
  2 空间原子氧防护方法
  为了满足低轨道长寿命的使用要求,需要对经受大累计通量的、原子氧剥蚀率高的材料或器件(如:太阳电池阵垫、互联片、热控材料、光学材料等)进行原子氧防护。但是航天器表面材料的本征性能各不相同,防护方法也要求不一样。如太阳电池阵垫(Kapton)是绝缘的,要求原子氧防护涂层也必须是绝缘的;而热控薄膜、外表面包覆材料、薄膜展开天线等表面材料需要一定的导电性能,要求防护涂层既要耐原子氧作用,还要具有适当的表面方阻;另外,对于光学曾透涂层,要求防护涂层具有曾透和防原子氧的双重功能。
  原子氧防护的基本原则是防护材料或防护涂层既要提高基底材料的耐原子氧性能,又不能改变基底材料原有的功能,即防护涂层不能改变基底材料的热控、透光、导电等性能。目前,主要的原子氧防护措施有:
  a)研制耐原子氧剥蚀的新材料。即用自身耐原子剥蚀的材料代替容易被原子氧剥蚀的材料。如:通过在聚酰亚胺材料中加入含硅(Si)成分,使材料在原子氧作用下,表面生成具有良好耐原子氧作用的 SiOx 层,达到防原子氧的目的。目前,研制较多的耐原子氧材料有 AOR Kapton、POSS(低聚倍半硅氧烷)等。但是研制自身耐原子氧又具有良好的机械、光学、电学性能的新材料具有较大的技术难度,一般较少采用。
  b)用金属箔层或玻璃丝布包覆。除银、锇等金属外,大部分金属是耐原子氧作用的。因此,在敏感表面包覆一层金属箔可以起到很好的防原子氧作用。如:波音公司用阳极化的铝箔包覆复合材料管,有效地保护了基材不受原子氧的剥蚀;β布主要由玻璃丝与含氟材料编制而成,具有较好的防原子氧性能,在航天器表面广泛使用。
  但包覆会改变基底材料的功能,特别是有光学、热控等功能材料的表面不可采用包覆的办法。另外,包覆法仅能适用于规则表面,而且如果粘接不当,会引起脱落、剥离。因此,包覆法具有较大的局限性。
  c)研制防护涂层。这是目前采用较多的一种方法,主要是在基底材料上涂敷一层耐原子氧作用的涂层。涂敷的方法有电镀、阳极化镀、真空气相沉积镀膜(溅射沉积、蒸发镀、等离子体化学镀)等。
  国内外在原子氧防护涂层的选择、涂敷工艺等研究方面做了大量工作。目前研制的原子氧防护涂层主要有: MgF2、ITO-MgF2、Si3N4、Al2O3,SiO2,SiOx,SiOx-PTFE,聚硅氧烷涂层等。和平号空间站和国际空间站上的原子氧防护主要使用了 SiO2、SiOx、SiOx-PTFE、 SiOx-PFE 等防护涂层。目前国际空间站上使用的原子氧防护涂层见表 1[4]。
  3 舱外材料或器件的原子氧防护
  对舱外材料或器件进行原子氧防护,需要综合考虑卫星轨道、运行的年份、材料种类、表面特性、材料或器件在卫星上的使用部位等因素。相同轨道高度的卫星运行在不同的年份,由于太阳活动状态不同(太阳辐射流量 F10.7 不同)[5],导致空间原子氧密度差别很到。太阳活动高的年份的原子氧密度比太阳活动低的年份原子氧密度高出近一个数量级(见图 7)[6]。
  因此,2005 年前后我国研制发射的某低轨道卫星(轨道高度约 500Km、寿命约 4 年)并没有考虑原子氧防护。在轨运行也没有出现因原子氧导致卫星舱外器件的性能下降或失效。但是,2010 年我国研制发射的某低轨道卫星,在轨运行过程中将经受太阳活动高年,卫星表面材料经受的原子氧通量将达到 2.58×1021atoms/cm2以上。原子氧的氧化剥蚀问题引起了设计部门的高度重视。但是由于国内原子氧防护技术还不成熟,对舱外的太阳电池阵垫、有机热控材料等并没有采取原子氧防护措施,存在一定的风险。
  3.1 太阳电池阵垫原子氧防护
  由于 Kapton 材料强度高、柔性好、耐紫外、红外穿透性好,常被用作航天器的柔性太阳电池阵的主要材料,作为支撑太阳电池和电路的结构薄膜。然而, Kapton 这样的聚合物材料容易被低地球轨道原子氧的剥蚀。由于低轨道卫星以 7.8km/s 的速度飞行,相当于大气分子以 3.5~5.5eV 的能量向空间站撞击,这个能量足以破坏大多数的化学建并引起化学反应。由于原子氧与 Kapton 的反应系数很高,达 3×10-24cm3/atoms,太阳电池阵垫在约 6 个月的时间内(轨道高度 340km)氧化为CO 等气态物质,这将导致太阳电池阵垫结构强度降低。
  目前,最常用的办法是在 Kapton 表面上沉积一层 SiOx、96%SiOx-4%PTFE、硅氧烷等涂层等防护涂层,这些涂层对原子氧具有良好的防护作用,和平号空间站、国际空间站等低轨道长寿命航天器的太阳电池阵垫都采用了这些涂层进行原子氧防护。
  国内真空低温技术与物理国家重点实验室开展了小面积的 SiOx-PTFE 防护涂层的制备工艺研究,在镀铝 Kapton 基底材料上沉积了 SiOx-PTFE 防护涂层,并进行了原子氧试验,结果证实该防护涂层具有良好的耐原子氧性能。
  3.2 太阳电池互联片原子氧防护
  金属银由于导电性好,在航天器上广泛应用,大多数互联片使用金属银。但银在原子氧环境中极易被氧化,使导电性能变差,焊接点松动或脱落。所以,在低轨道卫星太阳电池上使用银互联片需要采取防护措施。
  对银互联片采取的防护措施有:
  措施之一:改用耐原子氧的材料作为电池连接线。如用金属钼/铂/银作为电池的互联片,用溅射的方法沉积厚度大约为 15μm 的金属钼用作原子氧防护。铂(0.5μm)/银(5μm)提供良好的焊接,保证导电性能。
  措施之二:在银连接线的表面增加金防护层。
  3.3 光学材料或器件原子氧防护
  为了增加航天器观察窗、照相镜头、电池盖片等玻璃的透过率,常常在玻璃表满镀覆一层 MgF2增透膜。但是在低地球轨道,原子氧密度大,原子氧的强氧化作用会导致 MgF2向 MgO 转化,使增透膜变成反射膜,严重影响光的透过率(见图 12),导致观察或照相效果下降,太阳电池的效率大大降低[5]。
  和平号上搭载的 OPM(Optical Properties Monitor)系统,经空间暴露后,其中表面 MgF2涂层中的氟(F)原子百分含量减少,而氧(O)原子的含量增加。说明 MgF2在原子氧环境中,发生了置换反应:
  地面模拟试验也证实,MgF2经原子氧作用后,表面氧原子(O)含量明显升高。MgF2是太阳电池盖破片上主要的曾透涂层。在 1000km 轨道高度以上使用,其性能是稳定的。但是在低地球轨道,单一成分的 MgF2就不能用作曾透涂层。为了能够在原子氧环境中能够具有稳定的通光性能,可以采用 SiOx-TiOx 作为曾透型原子氧防护层。
  3.4 导线原子氧防护
  卫星舱外大多数导线的外皮都包覆一层有机绝缘层,原子氧容易剥蚀这层绝缘层,导致电线裸露。如:GORE(黑色)导线在原子氧作用下剥蚀严重(见图 14)。需要对导线及其连接器采取防护处理措施(见图 15)。
  4结束语
  原子氧具有极强的化学活性,能够对低轨道航天器表面材料或器件产生严重的氧化剥蚀效应,导致材料或器件性能下降或失效。由于航天器舱外材料本征性能不同,防护方法不同。原子氧防护的基本原则是要求防护措施既要显著提高基底材料的耐原子氧性能,又不能改变基底材料或器件原有的功能。针对具体材料或器件的使用要求采用相应的原子氧防护措施,以提高材料在轨的使用性能和寿命。
  参考文献略

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