CN102116731A - 用于长寿命航天器材料的抗原子氧性能的测试方法 - Google Patents

用于长寿命航天器材料的抗原子氧性能的测试方法 Download PDF

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李涛
姜利祥
郭亮
冯伟泉
刘向鹏
姜海富
秦玮
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Abstract

本发明公开了一种用于长寿命航天器材料的抗原子氧性能的测试方法，该方法包括样品裁剪步骤、预处理步骤、原子氧试验前的质量测量和标定步骤、原子氧试验步骤和试验后样品质量的测试和比较步骤。与现有技术相比，本发明的方法采用样品试验前低真空出气预处理的手段，减小了样品中的水气及其它可挥发性物质对试验结果的影响并通过对样品温度的控制、高真空条件控制以及通过对紫外/原子氧环境条件的限定，显著提高了抗原子氧性能的测试精度。

Description

用于长寿命航天器材料的抗原子氧性能的测试方法
技术领域
本发明涉及长寿命、低轨道的航天器性能测试领域，具体来说涉及一种能够对其外露材料进行合理、有效的原子氧环境适存性的测试方法。
背景技术
近地轨道(LEO)是指高度在200km～700km的轨道，由于航天器较高的运行速度和原子氧较大的氧化性，此轨道空间的航天器外表面暴露材料都会遭受到原子氧的严重威胁。原子氧在航天飞机轨道高度的数密度一般都在108cm-3。当航天器的速度为7.8公里/秒时，原子氧的束流密度最高可达1015atoms/cm2/s，这样一个速度使原子氧撞击的能量大约为5eV，考虑原子氧热运动的环境温度约为1000K，这使得原子氧与表面材料作用时的相对作用能量为3.9～7.0eV。原子氧的密度与许多因素有关，比如轨道高度、太阳活动、季节变化、地球磁场的变化、纬度、当地时间等，因此，空间实际状况时航天器遭受的原子氧环境是多变的。
空间飞行试验对于研究宇航材料的原子氧效应，测试材料在轨寿命期间的主要功能及性能的变化具有无与伦比的优势，但飞行试验成本极高、搭载机会少，因此，地面模拟试验仍具有极其重要的现实意义。
地面的原子氧加速试验过程复杂、影响因素较多，使用的模拟设备主要可以分为热等离子体型和定向束流型两大类。目前对于原子氧反应在化学机理方面尚存在异议的情况下，试验的随意性较大。在不可能研制出与LEO空间真实原子氧作用环境相同的地面模拟设备的前提下，研究人员基本都采用效应等效的办法。但地面加速试验带来的与实际空间环境的一系列差异，可能会影响到原子氧效应的等效性。这种差异主要包括以下几个方面：
1.地面加速试验可能会导致样品的不可控温升；
2.地面试验中材料的状态会与空间应用时不尽相同；
3.地面试验中可能会出现试验中断；
4.空间中存在较强的紫外辐射。
截至目前，原子氧地面模拟试验尚未形成标准的试验规范，这直接导致试验人员不得不在不同的试验方法和试验条件中进行选择。即使是非常有经验的研究人员，不同的试验过程也可能会影响到试验结果的重复性和有效性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于长寿命航天器用材料空间原子氧环境地面模拟试验的方法，该方法可对宇航材料进行全寿命的性能退化评估；并减小了由于非原子氧环境因素引起的试验误差，使得不同批次试验能够获得具有可比性的试验结果，从而建立可信度较高的试验数据库。
本发明的用于长寿命航天器材料的抗原子氧性能的测试方法，主要包括以下步骤：
1)对产品状态的航天器用材料进行裁剪，尺寸至少为10mm×10mm，每种材料样品数量至少为4个，其中保留1个样品作为真空对比样未进行原子氧辐照；
2)在空室内设置样品，并对所有样品进行真空条件下的预处理；预处理时真空室内压力应保持在20Pa以下，样品保存时间应大于48小时；
3)对预处理后的样品进行原子氧试验前的质量测量，并利用kapton标定材料进行设备原子氧束流密度标定，标定时原子氧积分通量至少为1×1019atoms/cm2；
4)按照步骤4)标定测得的原子氧束流密度来设定原子氧试验时间，试验时主容器内真空度应小于5×10-2Pa，试验中原子氧积分通量应高于1×1019atoms/cm2，样品温度应控制在50℃以下；
5)试验后对对应样品的质量进行测试，并对测试结果进行比较。
优选地，航天器用材料的裁剪尺寸为20mm×20mm。
优选地，当试验时间在24小时以上时，要采用间断试验的方法，间断期间应对样品予以真空保存，真空度应小于20Pa，间断时间小于10小时。
优选地，若航天器用试验材料要求进行紫外环境下进行抗原子氧能力测试时，则应选用综合环境试验条件进行试验，原子氧积分通量与紫外剂量之比应小于1×1019atoms/cm2·ESH；其中所述的综合环境试验条件是指距地球表面200-700km的轨道空间处存在的紫外原子氧环境，紫外环境中使用的紫外模拟装置选用真空紫外光源，样品位置处紫外辐照度范围应为0.1～10W/m2。
与现有技术相比，本发明的用于长寿命航天器材料的抗原子氧性能的测试方法具有如下特点：
(1)本方法采用样品试验前低真空出气预处理的手段，减小了样品中的水气及其它可挥发性物质对试验结果，尤其是材料原子氧反应率测试结果的影响。
(2)本方法通过对样品温度的控制，减小了温度对材料损伤引起的原子氧反应率测试误差。
(3)本方法中的原子氧试验过程样品放置区保持了高真空条件，保证了原子氧及其它生成气体平均自由程大于试验设备最大尺寸，减小了粒子碰撞可能引起的原子氧反应率测试误差。
(4)本方法采用了协合试验的方法，通过对紫外/原子氧环境条件的限定，提供了模拟宇航材料空间应用时紫外因素对原子氧效应的影响的地面模拟试验手段。
附图说明
图1是用于长寿命航天器材料的抗原子氧性能的测试方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了用于长寿命航天器材料的抗原子氧性能的测试方法的流程图，根据图1可以看出，本发明的方法及步骤如下：
1)对产品状态的材料进行裁剪，尺寸至少为10mm×10mm，优选为20mm×20mm，每种材料样品数量至少为4个，其中保留1个样品作为真空对比样未进行原子氧辐照；
2)在真空室内设置样品，并对所有样品进行真空条件下的预处理；预处理时真空室内压力应保持在20Pa以下，样品保存时间应大于48小时；
4)对预处理后的样品进行原子氧试验前的质量测量，并利用kapton标定材料进行设备原子氧束流密度标定，标定时原子氧积分通量至少为1×1019atoms/cm2；
5)按照步骤4)标定测得的原子氧束流密度来设定原子氧试验时间，试验时主容器内真空度应小于5×10-2Pa，试验中原子氧积分通量应高于1×1019atoms/cm2，样品温度应控制在50℃以下；
7)试验后对对应样品的质量进行测试，并对测试结果进行比较。
当试验时间在24小时以上时，要采用间断试验的方法，间断期间应对样品予以真空保存，真空度应小于20Pa，间断时间小于10小时。
若试验材料要求进行紫外环境下进行抗原子氧能力测试时，则应选用综合环境试验条件进行试验，原子氧积分通量与紫外剂量之比应小于1×1019atoms/cm2·ESH；其中的综合环境试验条件是指距地球表面200-700km的轨道空间处存在的紫外原子氧环境，紫外环境中使用的紫外模拟装置选用真空紫外光源，样品位置处紫外辐照度范围应为0.1～10W/m2。(请进一步对一些细节或者关键步骤进行详细说明)
本方法采用系列试验条件控制措施，能够有效地减小试验过程中预处理、真空、试验间断及紫外条件等因素对试验结果带来的不确定性。使用本方法能够增加原子氧试验结果的准确性和可重复性，且具有较强的可实施性，能够给长寿命低轨道航天器的原子氧环境地面模拟试验提供一种准确可行的试验方法。
以下以具体实施例来对本发明进行进一步的说明：
实施例1：
在AOBISEE设备上应用本发明的方法开展某航天器用S781漆、F46/Ag薄膜紫外条件下抗原子氧能力评价试验。该设备原子氧辐照面积大于Φ150mm，主容器内最大束流密度约为5×1015atoms/cm2/s。
按照上述方法，试验时样品大小裁剪为20mm×20mm，数量为4个(3个进行原子氧辐照、1个作为真空对比件)，分别使用样品袋进行标识、保存。首先将样品安装在真空室内样品靶台上，抽真空至10-3Pa量级后关闭插板阀对样品予以真空保存48小时，并在此过程中监测真空度小于20Pa，若出现高于20Pa情况时重新开启真空系统。预处理后对试验样品及标定样品进行质量测量，测量后将标定样安装至辐照位置，并将其它试验样品放置于真空室内其它位置。原子氧束流密度标定时真空度选择为2×10-2Pa，标定样品温度低于40℃，标定时间为10小时，束流标定结果为样品放置位置处(距中性化板600mm)原子氧束流密度为(1±0.15)×1015atoms/cm2/s，辐照面积为Φ200mm。按照测试所得的束流密度，设定试验样品原子氧辐照时间为60小时，分4天进行(每天开机15小时，间断期间真空室内压力小于10Pa)。试验时紫外与原子氧同时作用，紫外灯在样品位置处产生的115nm～200nm之间的光谱辐照度为1.66W/m2，样品温度控制在40℃以下。试验后对样品质量进行测试，并计算原子氧反应率。
比较实施例1
未采用本试验方法中样品真空预处理措施时，同样的原子氧、紫外环境条件下样品质量损失离散性较高，最大可达50％。
未控制样品温度时，样品温度在试验时出现连续温升，最高可达80℃，F46/Ag薄膜出现发黑现象，且具部位置粘性增加。
未采用本试验方法中间断试验方式时，60小时试验需连续进行，人员消耗大。
未采用本试验方法中紫外与原子氧同时作用的方式，该试验中紫外条件影响下抗原子氧能力测试项目需通过递次试验的方法(先进性紫外辐照后在进行原子氧辐照)，材料质量损失测试结果偏低。
通过比较实施例1与实施例1进行对比，发现本试验方法合理、准确，提供得试验条件与空间原子氧的真实作用条件更接近，且具有实施成本低、试验结果可重复性高等优点，能够对低轨航天器用材料抗原子氧能力试验验证提供有效的试验方法。
尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (4)

1.一种用于长寿命航天器材料的抗原子氧性能的测试方法，主要包括以下步骤：
1)对产品状态的航天器用材料进行裁剪，尺寸至少为10mm×10mm，每种材料样品数量至少为4个，其中保留1个样品作为真空对比样未进行原子氧辐照；
2)在真空室内设置样品，并对所有样品进行真空条件下的预处理；预处理时真空室内压力应保持在20Pa以下，样品保存时间应大于48小时；
3)对预处理后的样品进行原子氧试验前的质量测量，并利用kapton标定材料进行设备原子氧束流密度标定，标定时原子氧积分通量至少为1×1019atoms/cm2；
4)按照步骤4)标定测得的原子氧束流密度来设定原子氧试验时间，试验时主容器内真空度应小于5×10-2Pa，试验中原子氧积分通量应高于1×1019atoms/cm2，样品温度应控制在50℃以下；
5)试验后对对应样品的质量进行测试，并对测试结果进行比较。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述航天器用材料的裁剪尺寸为20mm×20mm。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，当试验时间在24小时以上时，要采用间断试验的方法，间断期间应对样品予以真空保存，真空度应小于20Pa，间断时间小于10小时。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中，若航天器用试验材料要求进行紫外环境下进行抗原子氧能力测试时，则应选用综合环境试验条件进行试验，原子氧积分通量与紫外剂量之比应小于1×1019atoms/cm2·ESH；其中所述的综合环境试验条件是指距地球表面200-700km的轨道空间处存在的紫外原子氧环境，紫外环境中使用的紫外模拟装置选用真空紫外光源，样品位置处紫外辐照度范围应为0.1～10W/m2。
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