專利名稱：用于長壽命航天器材料的抗原子氧性能的測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及長壽命、低軌道的航天器性能測試領(lǐng)域，具體來說涉及一種能夠?qū)ζ?外露材料進(jìn)行合理、有效的原子氧環(huán)境適存性的測試方法。
背景技術(shù)：
近地軌道(LEO)是指高度在200km 700km的軌道，由于航天器較高的運(yùn)行速度 和原子氧較大的氧化性，此軌道空間的航天器外表面暴露材料都會遭受到原子氧的嚴(yán)重威 脅。原子氧在航天飛機(jī)軌道高度的數(shù)密度一般都在108cnT3。當(dāng)航天器的速度為7. 8公里/ 秒時，原子氧的束流密度最高可達(dá)l(^at0mS/Cm2/S，這樣一個速度使原子氧撞擊的能量大 約為kV，考慮原子氧熱運(yùn)動的環(huán)境溫度約為1000K，這使得原子氧與表面材料作用時的相 對作用能量為3. 9 7. OeV0原子氧的密度與許多因素有關(guān)，比如軌道高度、太陽活動、季節(jié) 變化、地球磁場的變化、緯度、當(dāng)?shù)貢r間等，因此，空間實際狀況時航天器遭受的原子氧環(huán)境 是多變的?？臻g飛行試驗對于研究宇航材料的原子氧效應(yīng)，測試材料在軌壽命期間的主要功 能及性能的變化具有無與倫比的優(yōu)勢，但飛行試驗成本極高、搭載機(jī)會少，因此，地面模擬 試驗仍具有極其重要的現(xiàn)實意義。地面的原子氧加速試驗過程復(fù)雜、影響因素較多，使用的模擬設(shè)備主要可以分為 熱等離子體型和定向束流型兩大類。目前對于原子氧反應(yīng)在化學(xué)機(jī)理方面尚存在異議的情 況下，試驗的隨意性較大。在不可能研制出與LEO空間真實原子氧作用環(huán)境相同的地面模 擬設(shè)備的前提下，研究人員基本都采用效應(yīng)等效的辦法。但地面加速試驗帶來的與實際空 間環(huán)境的一系列差異，可能會影響到原子氧效應(yīng)的等效性。這種差異主要包括以下幾個方 面1.地面加速試驗可能會導(dǎo)致樣品的不可控溫升；2.地面試驗中材料的狀態(tài)會與空間應(yīng)用時不盡相同；3.地面試驗中可能會出現(xiàn)試驗中斷；4.空間中存在較強(qiáng)的紫外輻射。截至目前，原子氧地面模擬試驗尚未形成標(biāo)準(zhǔn)的試驗規(guī)范，這直接導(dǎo)致試驗人員 不得不在不同的試驗方法和試驗條件中進(jìn)行選擇。即使是非常有經(jīng)驗的研究人員，不同的 試驗過程也可能會影響到試驗結(jié)果的重復(fù)性和有效性。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于長壽命航天器用材料空間原 子氧環(huán)境地面模擬試驗的方法，該方法可對宇航材料進(jìn)行全壽命的性能退化評估；并減小 了由于非原子氧環(huán)境因素引起的試驗誤差，使得不同批次試驗?zāi)軌颢@得具有可比性的試驗 結(jié)果，從而建立可信度較高的試驗數(shù)據(jù)庫。本發(fā)明的用于長壽命航天器材料的抗原子氧性能的測試方法，主要包括以下步驟1)對產(chǎn)品狀態(tài)的航天器用材料進(jìn)行裁剪，尺寸至少為IOmmX IOmm,每種材料樣品 數(shù)量至少為4個，其中保留1個樣品作為真空對比樣未進(jìn)行原子氧輻照；2)在空室內(nèi)設(shè)置樣品，并對所有樣品進(jìn)行真空條件下的預(yù)處理；預(yù)處理時真空室 內(nèi)壓力應(yīng)保持在20 以下，樣品保存時間應(yīng)大于48小時；3)對預(yù)處理后的樣品進(jìn)行原子氧試驗前的質(zhì)量測量，并利用kapton標(biāo)定材料進(jìn) 行設(shè)備原子氧束流密度標(biāo)定，標(biāo)定時原子氧積分通量至少為lX1019atomS/Cm2 ；4)按照步驟4)標(biāo)定測得的原子氧束流密度來設(shè)定原子氧試驗時間，試驗時主容 器內(nèi)真空度應(yīng)小于5 X 10_2Pa，試驗中原子氧積分通量應(yīng)高于1 X 1019atomS/Cm2，樣品溫度應(yīng) 控制在50°C以下；5)試驗后對對應(yīng)樣品的質(zhì)量進(jìn)行測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行比較。優(yōu)選地，航天器用材料的裁剪尺寸為20mmX20mm。優(yōu)選地，當(dāng)試驗時間在M小時以上時，要采用間斷試驗的方法，間斷期間應(yīng)對樣 品予以真空保存，真空度應(yīng)小于20Pa，間斷時間小于10小時。優(yōu)選地，若航天器用試驗材料要求進(jìn)行紫外環(huán)境下進(jìn)行抗原子氧能力測試時，則 應(yīng)選用綜合環(huán)境試驗條件進(jìn)行試驗，原子氧積分通量與紫外劑量之比應(yīng)小于ι X IO19Btoms/ cm2 · ESH ；其中所述的綜合環(huán)境試驗條件是指距地球表面200-700km的軌道空間處存在的 紫外原子氧環(huán)境，紫外環(huán)境中使用的紫外模擬裝置選用真空紫外光源，樣品位置處紫外輻 照度范圍應(yīng)為0. 1 10W/m2。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的用于長壽命航天器材料的抗原子氧性能的測試方法具 有如下特點(1)本方法采用樣品試驗前低真空出氣預(yù)處理的手段，減小了樣品中的水氣及其 它可揮發(fā)性物質(zhì)對試驗結(jié)果，尤其是材料原子氧反應(yīng)率測試結(jié)果的影響。(2)本方法通過對樣品溫度的控制，減小了溫度對材料損傷引起的原子氧反應(yīng)率 測試誤差。(3)本方法中的原子氧試驗過程樣品放置區(qū)保持了高真空條件，保證了原子氧及 其它生成氣體平均自由程大于試驗設(shè)備最大尺寸，減小了粒子碰撞可能引起的原子氧反應(yīng) 率測試誤差。(4)本方法采用了協(xié)合試驗的方法，通過對紫外/原子氧環(huán)境條件的限定，提供了 模擬宇航材料空間應(yīng)用時紫外因素對原子氧效應(yīng)的影響的地面模擬試驗手段。


圖1是用于長壽命航天器材料的抗原子氧性能的測試方法的流程圖。
具體實施例方式圖1示出了用于長壽命航天器材料的抗原子氧性能的測試方法的流程圖，根據(jù)圖 1可以看出，本發(fā)明的方法及步驟如下1)對產(chǎn)品狀態(tài)的材料進(jìn)行裁剪，尺寸至少為IOmmX 10mm，優(yōu)選為20mmX20mm，每
種材料樣品數(shù)量至少為4個，其中保留1個樣品作為真空對比樣未進(jìn)行原子氧輻照；
2)在真空室內(nèi)設(shè)置樣品，并對所有樣品進(jìn)行真空條件下的預(yù)處理；預(yù)處理時真空 室內(nèi)壓力應(yīng)保持在201 以下，樣品保存時間應(yīng)大于48小時；4)對預(yù)處理后的樣品進(jìn)行原子氧試驗前的質(zhì)量測量，并利用kapton標(biāo)定材料進(jìn) 行設(shè)備原子氧束流密度標(biāo)定，標(biāo)定時原子氧積分通量至少為lX1019atomS/Cm2 ；5)按照步驟4)標(biāo)定測得的原子氧束流密度來設(shè)定原子氧試驗時間，試驗時主容 器內(nèi)真空度應(yīng)小于5 X 10_2Pa，試驗中原子氧積分通量應(yīng)高于1 X 1019atomS/Cm2，樣品溫度應(yīng) 控制在50°C以下；7)試驗后對對應(yīng)樣品的質(zhì)量進(jìn)行測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行比較。當(dāng)試驗時間在M小時以上時，要采用間斷試驗的方法，間斷期間應(yīng)對樣品予以真 空保存，真空度應(yīng)小于20Pa，間斷時間小于10小時。若試驗材料要求進(jìn)行紫外環(huán)境下進(jìn)行抗原子氧能力測試時，則應(yīng)選用綜合環(huán)境試 驗條件進(jìn)行試驗，原子氧積分通量與紫外劑量之比應(yīng)小于lX1019atOmS/Cm2 · ESH ；其中的 綜合環(huán)境試驗條件是指距地球表面200-700km的軌道空間處存在的紫外原子氧環(huán)境，紫外 環(huán)境中使用的紫外模擬裝置選用真空紫外光源，樣品位置處紫外輻照度范圍應(yīng)為0. 1 10W/m2。(請進(jìn)一步對一些細(xì)節(jié)或者關(guān)鍵步驟進(jìn)行詳細(xì)說明)本方法采用系列試驗條件控制措施，能夠有效地減小試驗過程中預(yù)處理、真空、試 驗間斷及紫外條件等因素對試驗結(jié)果帶來的不確定性。使用本方法能夠增加原子氧試驗結(jié) 果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，且具有較強(qiáng)的可實施性，能夠給長壽命低軌道航天器的原子氧環(huán) 境地面模擬試驗提供一種準(zhǔn)確可行的試驗方法。以下以具體實施例來對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明實施例1 在A0BISEE設(shè)備上應(yīng)用本發(fā)明的方法開展某航天器用S781漆、F46/Ag薄膜紫外 條件下抗原子氧能力評價試驗。該設(shè)備原子氧輻照面積大于Φ 150mm,主容器內(nèi)最大束流密 度約為 5X l(^atoms/cm7s。按照上述方法，試驗時樣品大小裁剪為20mmX 20mm，數(shù)量為4個(3個進(jìn)行原子氧 輻照、1個作為真空對比件)，分別使用樣品袋進(jìn)行標(biāo)識、保存。首先將樣品安裝在真空室 內(nèi)樣品靶臺上，抽真空至量級后關(guān)閉插板閥對樣品予以真空保存48小時，并在此過 程中監(jiān)測真空度小于20Pa，若出現(xiàn)高于20 情況時重新開啟真空系統(tǒng)。預(yù)處理后對試驗 樣品及標(biāo)定樣品進(jìn)行質(zhì)量測量，測量后將標(biāo)定樣安裝至輻照位置，并將其它試驗樣品放置 于真空室內(nèi)其它位置。原子氧束流密度標(biāo)定時真空度選擇為2X 10_2Pa，標(biāo)定樣品溫度低于 40°C，標(biāo)定時間為10小時，束流標(biāo)定結(jié)果為樣品放置位置處(距中性化板600mm)原子氧束 流密度為(1 士0. 15)Xl(^at0mS/Cm7S，輻照面積為Φ200πιπι。按照測試所得的束流密度， 設(shè)定試驗樣品原子氧輻照時間為60小時，分4天進(jìn)行(每天開機(jī)15小時，間斷期間真空室 內(nèi)壓力小于10 )。試驗時紫外與原子氧同時作用，紫外燈在樣品位置處產(chǎn)生的115nm 200nm之間的光譜輻照度為1. 66W/m2，樣品溫度控制在40°C以下。試驗后對樣品質(zhì)量進(jìn)行 測試，并計算原子氧反應(yīng)率。比較實施例1未采用本試驗方法中樣品真空預(yù)處理措施時，同樣的原子氧、紫外環(huán)境條件下樣 品質(zhì)量損失離散性較高，最大可達(dá)50%。
未控制樣品溫度時，樣品溫度在試驗時出現(xiàn)連續(xù)溫升，最高可達(dá)80°C，F(xiàn)46Ag薄 膜出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，且具部位置粘性增加。未采用本試驗方法中間斷試驗方式時，60小時試驗需連續(xù)進(jìn)行，人員消耗大。未采用本試驗方法中紫外與原子氧同時作用的方式，該試驗中紫外條件影響下抗 原子氧能力測試項目需通過遞次試驗的方法(先進(jìn)性紫外輻照后在進(jìn)行原子氧輻照)，材 料質(zhì)量損失測試結(jié)果偏低。通過比較實施例1與實施例1進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)本試驗方法合理、準(zhǔn)確，提供得試驗 條件與空間原子氧的真實作用條件更接近，且具有實施成本低、試驗結(jié)果可重復(fù)性高等優(yōu) 點，能夠?qū)Φ蛙壓教炱饔貌牧峡乖友跄芰υ囼烌炞C提供有效的試驗方法。盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式
進(jìn)行了詳細(xì)的描述和說明，但應(yīng)該指明的是， 我們可以對上述實施方式進(jìn)行各種改變和修改，但這些都不脫離本發(fā)明的精神和所附的權(quán) 利要求所記載的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于長壽命航天器材料的抗原子氧性能的測試方法，主要包括以下步驟1)對產(chǎn)品狀態(tài)的航天器用材料進(jìn)行裁剪，尺寸至少為IOmmX10mm，每種材料樣品數(shù)量 至少為4個，其中保留1個樣品作為真空對比樣未進(jìn)行原子氧輻照；2)在真空室內(nèi)設(shè)置樣品，并對所有樣品進(jìn)行真空條件下的預(yù)處理；預(yù)處理時真空室內(nèi) 壓力應(yīng)保持在201 以下，樣品保存時間應(yīng)大于48小時；3)對預(yù)處理后的樣品進(jìn)行原子氧試驗前的質(zhì)量測量，并利用kapton標(biāo)定材料進(jìn)行設(shè) 備原子氧束流密度標(biāo)定，標(biāo)定時原子氧積分通量至少為lX1019atomS/Cm2 ；4)按照步驟4)標(biāo)定測得的原子氧束流密度來設(shè)定原子氧試驗時間，試驗時主容器內(nèi) 真空度應(yīng)小于5 X 10_2Pa，試驗中原子氧積分通量應(yīng)高于1 X 1019atomS/Cm2，樣品溫度應(yīng)控制 在50°C以下；5)試驗后對對應(yīng)樣品的質(zhì)量進(jìn)行測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行比較。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述航天器用材料的裁剪尺寸為20mmX20mm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，當(dāng)試驗時間在M小時以上時，要采用間斷試驗 的方法，間斷期間應(yīng)對樣品予以真空保存，真空度應(yīng)小于20Pa，間斷時間小于10小時。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，若航天器用試驗材料要求進(jìn)行紫外環(huán)境下 進(jìn)行抗原子氧能力測試時，則應(yīng)選用綜合環(huán)境試驗條件進(jìn)行試驗，原子氧積分通量與紫外 劑量之比應(yīng)小于lX1019atOmS/Cm2 *ESH;其中所述的綜合環(huán)境試驗條件是指距地球表面 200-700km的軌道空間處存在的紫外原子氧環(huán)境，紫外環(huán)境中使用的紫外模擬裝置選用真 空紫外光源，樣品位置處紫外輻照度范圍應(yīng)為0. 1 10W/m2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于長壽命航天器材料的抗原子氧性能的測試方法，該方法包括樣品裁剪步驟、預(yù)處理步驟、原子氧試驗前的質(zhì)量測量和標(biāo)定步驟、原子氧試驗步驟和試驗后樣品質(zhì)量的測試和比較步驟。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的方法采用樣品試驗前低真空出氣預(yù)處理的手段，減小了樣品中的水氣及其它可揮發(fā)性物質(zhì)對試驗結(jié)果的影響并通過對樣品溫度的控制、高真空條件控制以及通過對紫外/原子氧環(huán)境條件的限定，顯著提高了抗原子氧性能的測試精度。
文檔編號G01N17/00GK102116731SQ200910217149
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者馮偉泉, 劉向鵬, 姜利祥, 姜海富, 李濤, 秦瑋, 郭亮 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所