CN104374688A - 确定热控涂层空间辐射环境效应试验总注量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定热控涂层空间辐射环境效应试验总注量的方法，该方法根据热控涂层太阳吸收率在轨和地面试验退化等效的原则得到空间连续能谱辐射粒子的束流密度换算为某一能量下辐射粒子束流密度时的等效公式，同时开展两组带电粒子辐照试验，根据热控涂层性能退化数据与辐照时间的数据进行的曲线拟合可确定等效束流密度公式中的参数，进而确定地面模拟试验总注量。与现有技术相比，本发明的方法可以在地面模拟试验设备中采用单一能量电子或质子模拟轨道空间电子或质子对热控材料的损伤作用，实际可操作性强。

Description

确定热控涂层空间辐射环境效应试验总注量的方法

技术领域

本发明涉及空间辐射环境效应试验技术领域，具体涉及一种确定热控涂层空间辐射环境效应试验总注量(即辐射粒子数量)的方法，适用于航天器热控涂层材料空间辐射环境效应地面模拟试验参数的设计及材料性能评价。

背景技术

热控涂层材料(包括Kapton等膜类、OSR等二次表面镜类、S781等漆类)是航天器用来与外界进行热交换的主要材料，用于保证航天器的结构部件、仪器设备在空间环境下处于合适的温度范围，使其能够正常工作。航天器热控涂层材料的太阳吸收比(α_s)是表征热控材料热交换性能的最重要的参数，但在空间辐射(本专利专指带电粒子辐射，包括空间质子和空间电子)环境作用下，热控涂层的α_s会发生变化，偏离设计指标，造成航天器热控系统达不到设计要求，进而影响航天器的可靠性。为了正确设计航天器的热控系统，设计师须首先了解热控涂层材料在空间运行过程中性能退化情况，从而进行正确的热控设计。目前，获得热控涂层材料在空间运行过程中因空间辐射环境而产生的性能退化数据的途径主要是空间辐射环境效应地面模拟试验的方法。

空间电子、质子辐射环境为复杂的连续能谱分布，能量范围在千电子伏(keV)到兆电子伏(MeV)之间，且各能量下电子、质子的束流密度各异，导致地面模拟试验设备不可能复现空间辐射环境。因此地面试验通常只采用一种能量的电子、质子模拟空间辐射环境，进而选择合适的电子、质子总注量，以达到等效模拟热控涂层在轨期间实际辐射总注量的效果。过试验或欠试验都会导致热控涂层在轨性能退化情况的误判，从而给航天器的热设计工作带来隐患。

本专利提出一种基于热控涂层α_s退化效应等效的方法来计算地面试验中总注量的方法，该方法将空间连续能谱分布的带电粒子辐射作用效果归一化为地面试验单一能量粒子的作用效果，可准确计算出地面试验中总注量参数，从而正确评价热控材料在轨性能退化情况。

发明内容

本发明的目的是为了准确设置航天器热控涂层材料空间辐射效应地面试验中的总注量参数，从而为热控系统的设计提供可靠的热控涂层在轨性能退化数据，保障航天器在轨运行的可靠性水平。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种确定热控涂层空间辐射环境效应试验总注量的方法，包括如下步骤：

1)选定地面模拟试验粒子的能量范围为10keV到MeV之间，记为E₀；

2)根据热控涂层α_s在轨和地面试验中退化效应等效原则，存在以下关系式：

式中：Δα_s为α_s的退化值，是热控涂层在轨工作一段时间后的α_s与初始α_s的差值；为空间连续谱辐射粒子束流密度换算为能量为E₀的辐射粒子束流密度时的等效式；为轨道中带电粒子的积分能谱，通过公开数据查到。

(1)式中公式左侧为地面模拟试验中，采用能量E₀、束流密度的带电粒子进行试验时所得到的热控涂层的α_s退化值，公式右侧为空间连续能谱分布环境下热控涂层的α_s退化值。

同时确定热控涂层α_s随辐照时间性能退化的经验公式：

式中：a，β是与粒子能量无关的固定参数，b_(E)是与能量有关的参数，均可通过已有的试验数据确定。

将公式(2)带入(1)中，可以得到：

利用泰勒展开，并只取一阶项，b_(E)写成如下形式：

b_(E)＝AE^γ   (4)

式中：A、γ是与粒子能量无关的参数，均可通过已有试验数据确定，因此有：

根据定义，试验总注量为辐射粒子束流密度与在轨时间的乘积，因此有：

式中：Φ₀为地面模拟试验总注量；t为航天器在轨时间，由发射任务确定。

3)开展两组带电粒子辐照试验，粒子能量分别为E₁、E₂，其他试验条件相同，将热控涂层性能退化数据与辐照时间的数据带入公式(2)中进行曲线拟合可获得如下公式：

由(7)、(8)式可获得待定参数β，同时推导出参数γ：

$\mathrm{\γ}=\left[\ln (b_{\left(E_1\right)}/b_{\left(E_2\right)})\right]/\left[\ln (E_1/E_2)\right]---\left(9\right)$

将γ、β带入公式(6)，即可计算出Φ₀。

与现有技术相比，本发明的方法可以在地面模拟试验设备中采用单一能量电子或质子模拟轨道空间电子或质子对热控材料的损伤作用，实际可操作性强。

附图说明

图1为Kapton热控涂层的Δα_s随辐照时间的变化图。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

下面以15年GEO轨道环境下Kapton膜热控涂层材料的电子辐照效应为例，确定地面试验中电子等效的总注量。

首先，分别利用能量为20keV、40keV的电子进行两组辐照试验，其中Φ₀任选，得到Kapton热控涂层材料Δα_s随时间的退化情况如图1所示。

将试验数据代入公式中，利用最小二乘法得到两组拟合公式如下：

a)20keV：Δα_s＝0.195×[1-exp(-0.75×t^0.51)]

b)40keV：Δα_s＝0.195×[1-exp(-1.16×t^0.51)]

从而得到α＝0.195，β＝0.51，b(20keV)＝0.75，b(40keV)＝1.16。

将所得数据带入公式(9)中可得：

γ＝[ln(0.75/1.16)]/[ln(20/40)]≈0.62

根据GEO轨道电子的积分能谱(附表1)可得，

将γ、β等数据带入公式(6)，可得空间连续谱辐射环境换算为能量E₀的电子辐射环境时的等效总注量：

当选定地面模拟试验中电子能量E₀＝40keV时，等效总注量为：

当选定地面模拟试验中电子能量E₀＝60keV时，等效总注量为：

表1GEO轨道电子的积分能谱

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以根据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种确定热控涂层空间辐射环境效应试验总注量的方法，包括如下步骤：

1)选定地面模拟试验粒子的能量范围为10keV到MeV之间，记为E₀；

2)根据热控涂层α_s在轨和地面试验中退化效应等效原则，存在以下关系式：

式中：Δα_s为α_s的退化值，是热控涂层在轨工作一段时间后的α_s与初始α_s的差值；为空间连续谱辐射粒子束流密度等效为能量为E₀的粒子时的束流密度；

为轨道中带电粒子的积分能谱，通过公开数据查到；

式(1)中公式左侧为地面模拟试验中，采用能量E₀、束流密度的带电粒子进行试验，所得到的热控涂层的α_s退化值，公式右侧为空间连续能谱分布环境下热控涂层的α_s退化值；

同时确定热控涂层α_s随辐照时间性能退化的经验公式：

式中：a，β是与粒子能量无关的固定参数，b_(E)是与能量有关的参数，均可通过已有的试验数据确定。

将公式(2)带入(1)中，可以得到：

利用泰勒展开，并只取一阶项，b_(E)写成如下形式：

b_(E)＝AE^γ   (4)

式中：A、γ是与粒子能量无关的参数，均可通过已有试验数据确定，因此有：

根据定义，试验总注量为辐射粒子束流密度与在轨时间的乘积，因此有：

式中：Φ₀为地面模拟试验总注量；t为航天器在轨时间，由发射任务确定。

3)开展两组带电粒子辐照试验，粒子能量分别为E₁、E₂，其他试验条件相同，将热控涂层性能退化数据与辐照时间的数据带入公式(2)中进行曲线拟合可获得如下公式：

由(7)、(8)式可获得待定参数β，同时推导出参数γ：

$\mathrm{\γ}=\left[\ln (b_{\left(E_1\right)}/b_{\left(E_2\right)})\right]/\left[\ln (E_1/E_2)\right]---\left(9\right)$

将γ、β带入公式(6)，即可计算出Φ₀。