原子氧对航天器表面材料作用的数值模拟 - 复制

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91月￣ 2 99第期 1中国空 间学技科术C I EE S A E !堡 HN S P C 垦 ! 垦

尔 (滨工业大学.暗尔 10滨 0 )哈 5 01(京空航航 大天 .北学京 1 08)北0 0 3

表监球轨道环境航天对器面表材的料影和响航天器面材表料的低 地摘要对低地无潦护聚 材 .酰原保子料的层亚定胺所 受蚀作冲用进了行成的功数值模 ,获拟得了具有工程应 用价值的数值算计结果。项该作工对航天 器设的计县有指导意义。 题主 词空间飞环行境—t——— 1—

球轨道环境寿 命评方定法行进了介；绍对低地球轨道环境和地面试验环境下，并有

面

氧作 1对言 引用 了航的、利用空间源资益增日长的求需，对代现航天器的设计寿命和可靠性提为满开发足天的要求， 了出高更由此数带来空的环境的影间响越来越突出航天 除了器受真空、冷黑、太阳辐照、地反球照 及地球自身热辐射这些主要空间环境的影以响外一，些原来 认是为较 器弱值 一——’一

低轨道原子氧航天

数器仿真值

空的间环境影响现在已不能视忽要考，虑到它们的长积期累效。某些应有 聚机材合料由于其较 的机械高度和强良的好电性能 (酰聚亚胺等)以及希望所的控热性 能 (镀氟银化如 如乙丙烯等)越来广越泛地 作航用天器 面表料和材结构材。料当天器航低地在球轨道 期飞长，行时这，些聚合材料 原子在撞氧击、紫外辐射及以间碎空片撞击的作下用会现出量质损 耗( )蚀剥、表面氧化性、能退化等，最终 导致材料 失效 地低球轨道一般指 (0￣ 5 k0高度 轨道的高，分辨率学遥光感卫星 和空间站通 3 00 ) m 常是运行轨的道在该 道轨航上天器表面材料主受要到子原氧和太阳 紫外辐射的损 。害模

拟以 、一

塑

前目天航器 面材表料的低地轨球道环境命评寿定法主方要以下有几：种1飞行试验方 是法将航天器所要采的材料试用在样真实低的地轨球道环境中直接暴 )露一 时间定在，测轨试或

返回地面后进行分析。种方这法的优点是最真实地反映低地球轨 环境的效道应，数据 准确可靠缺。点是 费大耗量的资金.受 时的间制限。 2 地模面拟试验方法是最实用的材料寿命评方定法为了模 低地球拟轨环境道效应，) 建立 各了种地模面拟设备；用这地些面模拟设 可以再现低备地 球轨道的各种环境效应；利分 这析些境环效应与航天器材料相互作用的理机 .过通短期加的速试验 预来测航天器材料的丰文 得获国防九五 研预重 课点l资助 眄收稿日期 1:9— 22收修改稿 l期：1 8o 93 80— 3 9{ 7 9f、f、_

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资讯http://www.cvqip.com4 6中国空科闻学技术长期能性。与飞行试验相 比，这种方法可 l以大省量资金和时间但，利它用击评定航器天节材料的寿有一命定的局限性，要而获得实用信的评可定结果还必 解须大决量的题问。比困难较的是原子氧环境 效的应模拟

3数值模拟方法由于地模面拟环境与真低实地球轨道环境存差异在，将面加速 )地要试验的结果椎外到空问就要需进行修正计算，因此必须采用数值模拟 方法 低地轨球环境道应可效以认为是当量单个粒子 ( 子、原子氧)的统计平均应效，这样 就可以把 低球地光轨道环境与航器天表 材料面相互的作用过 程作为粒子输运过程来研究 航天器表面料在材空间和在模装拟置中的命寿是通 一系列过转换因子相联系的，这些转 因子通换常 可以采用 机模随方拟法 (特卡罗 )法来 确定蒙。

2子原氧作用对有保护涂层酰聚亚胺蚀剥的值数拟低模地球轨道环境子氧原对有保护层航天器表面材料聚酰亚胺作用的基蚀发生过程一般是这的样：原 子氧通过保护 缺层陷撞击到聚亚酰胺。以一定概率发的生反 应；不应反的

原子氧生发射，反如果射后又撞到反了聚酰胺 m亚在新的撞击点发生上应反或反 ,这射样原 q氧子基在蚀空洞中断反不射直 到发生 反应或从缺陷处逸出 材料接剐原触子氧环境时基蚀 洞空还未形成 .料材表面平坦未反，应的原 氧太子部分反射到间中。空空洞 成形，反后射

原的子氧直接 反射空回间的 机减小，会在会基蚀空表洞多次面反射 由于每次撞碰都可 与聚能酰亚胺发反生，应空洞形成后原子氧反的应率便概增大了。 (估算 )聚酰亚胺在 低地轨遭环境下的质损失量的 方法1估算聚酰亚胺 料的寿命材主要确定的是料材的质量 损失可。采地用面模拟试验数和值模拟相合的方结法估 在算低地球 轨原道氧子环境下聚亚酰胺材料的量损质失。地面模拟试验是在 面地使材上料暴露在模的空拟间环境下，获得 试数验据原则上说如果拟模验试能够真实再现空环境间，只用这一 段手就足以估算料材在空间环境中的寿命了。但是由试验于技术的限制，地面试验产生环的境与真实的空 间境环相去甚远。例如目前广泛用模来空拟间原子氧环境 射频等的离 子体灰化器 .它产生的环境在原子能量氧、 子种离类等方面与均空间环有境大较差别此因地面 模拟试 验测得材的质量料损失并不是在 空问境环材中实料际的量损失质，必 须经过转 才换使能 这用转个换因子要需通过 数值

拟模求得 。a k等人推出了用地面模拟试验数据和数值模拟结果相结合算计双 保面护的 聚B sn酰一胺亚薄膜材在料空间子氧原蚀基下的质量损失的公式 .s/一 (/ )y Y FF /( )式中

肌——空间原子环境下氧材料单位面积的质量损失 ; 材料一所受承的空间原 子一F——面地模试拟验原氧子环境下材 料位面单的质量积损失； 一F材料所承受 一数模值拟到得的无保护层聚酰亚 胺地在面试验环一

氧通量；的地面模拟试验有效原子氧量通； 境下的 厚损度失；y~

数模值拟得到 的无保护聚层亚酰胺在间环境空的厚下度损失。

需要指出，

应在同样的数值模拟原子氧通量得下。到

)数 (值拟模模型的基 本假设 2值数拟时作如下模假设]原子氧运的限动制在 与材料 表垂直面平面的。内一假设对应这于保护层有裂 或划缝 )

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中国空 l科学技术日

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时痕的情况 于这种由形状的缺陷的宽长很比大可，将缺陷为认是无限长的。这样沿长度 向方基的蚀在统上是计一样的只看 横面截的基蚀形状就可以知道基 的蚀部全情况了 c 2)原子氧不 保护层与反应保护 材层料为二氧化 硅、氧化等铝物质性能，稳定很 -难与子原氧应反。

3子原氧速度分布遵 M a循 we 1布。 面模拟中原子氧沿 方各向运动的概率是相同 )x l分地的。问中由于行飞器的运动，氧速子度 在Ma w l布分的基础上加附飞了行器的速度，原空 xe 1运其方动向也由 附于加飞了行器速度不再均匀 而呈分角布。

4)原子氧之问不会重新 组合成分氧子 5)多 原个子产氧生的效应可以看成是原氧子逐个用作效的累应。间积中原 氧子浓度空很低原子，氧平的均自由很大程。原子氧 基在蚀空 洞中反射所经历路的程与平均自程由相比很小在，此过 中与程其他原 子氧碰撞 机会的很少，所以 子原氧相碰互撞对基 蚀空洞 发展的影响可以忽略。

6未反应的原 子氧发生反射有两种情况：漫反射，生这种反射表原子氧被示热 )①发同化了，即原 氧子材与发料生丁热交换使原子氧的动与热能原子相 同漫射的反子氧原离开材料表面时的的速度方向分布为弦余布分。镜④面反 射，发生种这射时反原氧子仍保持原来的量能因而在下次碰撞时的应反概率不变热同化的原子 不氧能发生镜『反射 f l i ( 数 )值拟模的法和原方理3整 个模拟过程基 于o M Cat l法先首将聚 ne酰r o匝方胺视为如图 1正由方形小格组成的列阵.其中的正方形小格 称为格点。格点分两 1种.分代别表保 层护聚和酰亚胺材 勾料■( a)( )b辈■酰亚胺臼保 层护回辅助点格衢 l网剖格分示意 ()存储所有格点a

只储存蚀基曲线上的格点

原子通氧过缺陷到打格点，此时根据 反概应率和点格种类判 是否断发生反应.若发生反应则 将格点 阵从列中去掉；不若发生反应原则子氧从撞击点反射反后射的原子 继氧

续运动，如碰果到 的格点新便重复述上程过。原子氧如果一直不 反应最，终会 从缺陷处逃逸到空 中问当。子原氧 发生应或从反缺妊陷逸到出空间 . 原个子氧作用的模便完拟成，了一 可以开始下个一原子氧的模拟从空间入射的原子氧可看是成起点在保护层缺陷处的某 点一方向指，向聚酰亚胺射的

。线线射与基蚀线曲的交点原(子氧与 聚亚酰胺碰撞的 )是点下一射条线(果存的在即如

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.中国 闻空科学技术

9 1年 29月

话 )9的起点。新射线的向则根方据反射 情况的及以人的射方来向确定在模拟原子氧 对聚酰胺的亚蚀基发展的过中程需要断地计不算线射与基蚀曲线交点的。点交的计算速度决定了整个模拟程 序的运行 速度，因而必须认真考虑交点的计算方使法算计的速度尽量快 如果采用 l线射起 起点沿射线逐点 计算的 法方来判断交点，计其算 量与交点起到点的长度成 从正比对一个.原子氧的 整个动运过程来说计算量与经其历的路程长度成 正，比显然这个计算量是非常大的。本文采用分块判断的方法算计射线与基蚀线曲的交 ,其基点本原理 如下：将 点格阵列分为个四部分，此为第一层再这四将个部分每一个都细分为四分部-

分细的部分为第二层。依此类推可 到第得3,…层。直到每个 部分只含有 一个格点时不再，4细分 下去。计算 点交时首先对第一层的每一部分分 判别断部该分有无基蚀线曲和射线 是否经过两，个条 件只要有一个不满足该部分不便予考虑。对剩下的部分按离起点的远近排列起来，取最近的部分对该 部分的第 层二嚣做上述判断和选择。依此进到第 n层行，如果第 n层中没有 足上述满条的件部分，到回第一] .第 l~中 另取外的满两足个条件则在层的层部分继续检查。当一个部分只有一个格点且满足上 两述条个件该格点时即为交点如果找遍了所有部分末找到交仍点则，明原说氧子从缺陷处逸 出。

如果逐查找法点计的算量Ⅳ的话，是种方法计的量与算1N g正比成。现这种交实这

0点计算 法要方求蚀基曲线的存形贮式为四叉 树具体。的方法是建立一个四叉树 的根节树点对整个应格点列阵根节点的四子个点对应节第一层四的部个分 .根点节四子个节的点子节点对应第二层的部分，。…树当一的个 节点对应所点格阵列部分都同是样的格点时，…该节 便点为叶子节，不点需 再要有子节点。为了进一步节省内，在程序存设中并计没有按 1(图存)储格点阵列。实际采用的存方储式 图为(1 a )b只存，储了基蚀曲线上的格点 图1 (中的辅助格是点了为判断空白格点是否表聚酰亚代胺而设置的。四叉树方法在算计b机)形学图中用于像图的压缩存储。而用这种方法存储基曲线蚀还带来了省节内的好存处因。在值数模拟的中一个原子 可氧氧化掉 个一格点，设 点格度为宽，原子 氧对聚酰亚 胺

的剥蚀当 量为E模，程拟序的中一个原子代氧现实表世界中 E个原。子氧。成算量通 则/换 为(。E/) ( )为缺陷 度。宽于由只有 w是由材料表面情况决定，/ W H, 模在拟时可任意选择，在行进数值模拟时只关心缺陷用多个少点表格示所，以式子 ( / E)/ )写 (为如下形式在使用时更方便些 。用Ⅳ 格个点示表缺 陷，刚 WW N—, W 改设/这样有N一 t d N/ ) W: N3 Ew/3E F w d一 N2 E

这里Ⅳ表示一个 模原拟子代氧的表实际的原子氧个数 F示；个一模拟子氧原代表表的实际的原子氧量通教通过模拟计 便算可得到 一定子原通氧量下聚酰亚胺剥蚀厚度的和度。宽()计算结果及 析分 4数模值的拟结果图如2~所示 4模拟无保 护层涂的聚酰亚胺剥蚀可将以缺陷尺 寸取得 大，很样这在缺陷的中间部分由 于远离保护涂层受保到护涂层的响很影小，可将中部间分的剥视为蚀无保护涂 层情下形的蚀剥。图为 2无保护涂层时聚 亚酰胺的厚 度失损 .图可从 出看空问中材料质量损失大于 地面模拟环境下的量损质失，如数 值模拟得到在低地球轨道 上3年的剥蚀的厚度 失损为

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时间/圈 2g无保护涂层 聚的酰亚胺 厚度损失图 3数值模地拟面试 环验境下

原子氧作用得到的基蚀曲线形状的20 3 mr,而地模面试拟验的损 失仅值为0 lm这是m因为空问子原速氧度于地面大模拟 .7 a 环境 原下子氧速度。 图3中给出了数值模拟地面试验环境下原子氧作得用 的有保到护涂时层聚酰亚胺基蚀曲线的形状 .其初始中反 概率应为00 9; 化同反概率应为 00 0;面反射概 .3 热2 . 0镜 3率 0为 .5;模拟原 子氧 3数0万 0图4 ( )是本文计算得到 的低地球轨 道环境原下子 a氧文车计所算得结果用作对保有护涂层时聚亚酰胺基的蚀曲线。图4 ( b)是Bn s等人 的章文中给出 L F的试验 到的得实真空间 a kE

环 D境下化氧保铝护下层碳纤维合复料材的基蚀线曲和他们计算所结得果的比较虽然碳纤维复合材料的蚀剥当量与聚酰亚胺的剥蚀当不同，但量这 种差异只影响基蚀空洞的发展速度，对基蚀曲的线状影形响不大。 线形状与真实基蚀线曲形状相当符合说明本文研的究结果是正确 的。 ( b )从图 4的比较以可看出本研数究值模得拟到的基蚀曲 图 4几方法基种蚀的结果比较

结 3束语航天器表面材 的低料地球轨道 境环寿评定命所采用的种方法三是互为补充 的今后的 发展势趋是就根据集中飞行试验获得的数据建，立完善的理 评论模型估，过短通时间 的地面速加验试，利 数值模拟方法来用测预航天器材 料的寿命。 本研究实现了原子对有氧保护层的聚酰亚胺裂状缝缺陷基蚀的数模值拟。数从值拟模产 生的蚀曲基形状线真与空实间暴露产生的 基蚀线曲形状比的中可较以看到数值模拟采所 用数学的物理模型 是合理 。的由于数学 理物模型中镜面射概率的反大 小不能从理论到得 (试验来确说定这参数个也是困难 的)对，有只通过数值 拟模结的果与试验结果

比较能才确定。文本的工作表明对.低地球轨道环初境始反应概 率 0取1 8.、镜面反 概射率取 05 3 .热同、化反应概率取 7 7× l是 适合的 . 70

普资维讯htpt//:www.qvipc.com旦主堂兰堂丝 考参文献高1劭伦等航.天 表器材面料低地的球 道轨环境寿命评定技术 .环模技术， 19( j 8 1 9 2B n A,M ii Mh a k sB rc J.utR e e K .十a S.[n Bem p u De t oid T n hiF oC t,ot ll gd 1 o a tSe p s t i lr em a i fn ig L:P r t cin o a er f l m s ie w h r iO NAA STM 01 h 3 d e]o cp r 1eo e t0 Sf p c c tPo y ri n oLEa t b t￣r 87 5一 t 2 e r\ s a e S t1 rcM e ig,Re tneno, N da,e1 98 a v 5 3. Rute l dge K . Ie OS lR . D Mu raibi Ey vua if o1Kv Io ltc a ltn o P[( oi Bi ankelM a e liE xt t as r pos d 1_ E I e01 l

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作者简介高劭伦

61 1年生， 1 98 2毕业年国于防科 大学技体固火发动机箭专 。硕业士学位 . 9教授目前要主从事航器天环境 控制与生命障保系统相关方向的科研与教学工作蔡国飙l 6 7年生，1 8 9 年毕业于9北京航空航天大学火箭发动机专 业，博士学位哥.9 教授 目前主从事复杂要流体流动及粒子输运过程的研究。 N ue i a iu lot nAc in o t m i m r cSlm ain o t o fA ocO x e o pS e a f rra Me a iel y gn t c ca tSuf ct r aGa Shaoun Z h n)g ol o 1ui

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