[发明专利]用于长寿命航天器材料的抗原子氧性能的测试方法

说明书

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：