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1、第27卷第2期航天器环境工程2010年4月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING177量--mm皇曼曼量舅曼皇曼曼量曼皇曼曼曼曼蔓曼苎曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼!曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量曼曼曼曼量曼罾曼曼曼曼一种原子氧掏蚀模型参数的校正方法张磊,祝成民(北京航空航天大学宇航学院,北京100191)摘要:在空间原子氧效应数值模拟研究中,确定掏蚀模型各参数是保证计算结果正确性的重要工作。文章对Banks原子氧掏蚀模型的各参数的作用进行了分析,基于掏蚀过程中的相似律分析给出了
2、数值模拟和试验数据相结合以确定该模型参数的方法。文章还提出材料的原子氧理论侵蚀当量的概念,并使用数值模拟方法与试验数据计算了一种碳纤维环氧复合材料的原子氧理论侵蚀当量.应用该特征量可以建立数值模拟结果和试验结果之间的准确关系。关键词:原子氧;掏蚀;相似律;理论侵蚀当量;参数校正中图分类号:0561.5:V416.5文献标识码:A文章编号:1673-1379(2010)02-0177-04Dol:10.3969/j.issn.1673—1379.2010.02.011引言空间原子氧对材料的破坏是影响低地球轨道航天器
3、性能和寿命的重要因素。为此,许多研究者使用空间飞行试验、地面模拟试验和数值仿真等多种方法对其进行了研究【144】。研究表明,试验方法仍是最直接最有效地评估原子氧侵蚀效应的手段,但试验方法代价高昂,研究周期长。为了快速有效地评估原子氧效应,仍需深入研究原子氧侵蚀的理论模型或数值仿真模型。在进行原子氧侵蚀效应的数值模拟研究中,对掏蚀现象的研究受到了最大的关注。而建立掏蚀模型,确定掏蚀模型各参数是保证计算结果正确性的重要工作。一般采用与试验数据对比的方法确定模型参数。但掏蚀效应的空间试验数据很难获得,而地面试验数据由于
4、试验条件的原因不能直接反映材料在空间的破坏程度。因而,从理论上分析掏蚀模型各参数的影响、研究如何用试验数据确定模型参数,对拓展地面模拟试验数据的应用范围,提高数值仿真程序模拟空间原子氧掏蚀效应的准确性有较大意义。经多个研究者使用验证【1,7,8】,Banks[2·5】提出的掏蚀模型可以得到与空间原子氧试验相同的掏蚀截面形状,是一种有效的原子氧掏蚀模型。本文对该模型的参数确定方法进行研究。2Banks模型简介及其参数的确定方法2.1Banks模型简介Banks的掏蚀模型假设原子氧从保护层缺陷处射入材料内部,与材料发
5、生碰撞后以镜面反射或漫反射方式运动并不断发生碰撞,在碰撞时以一定概率与材料发生反应,该概率与原子氧速度、入射角、材料特性等因素有关。在Banks的掏蚀模型中最主要的参数是初始反应概率、镜面反射概率和热同化反应概率。为了研究确定这些参数的方法,我们首先分析这些参数的意义及对掏蚀过程的影响。初始反应概率是原子氧在入射速度下与材料发生反应的最大概率;镜面反射概率是原子氧与材料发生碰撞时保持原有速度并以镜面方式反射的概率;热同化反应概率则为原子氧碰撞后与材料发生能量交换,以材料本身温度所对应的热运动速度与材料发生反应的最
6、大概率。在空间环境和地面模拟试验环境中,这3个模型参数对掏蚀过程的影响是不同的。在空间环境中,原子氧的入射速度由航天器相对地球的运动速度及原子氧热运动速度之矢量和决定。由于航天器的运动速度远大于材料温度所对应的热运动速度,收稿日期:2009.09.01;修回日期:2009.09.10基金项目:总装备部预研基金(项目编号:9140A13050709HKl58)作者简介:张磊(1981.),男,硕士学住,主要从事空间飞行器设计研究。祝成民(1972.),男,博士学位,副教授,主要研究方向为空间环境及空间物理,计算流体
7、力学等。E-mail:cmzhu@buaa.edu.cn。178航天器环境工程2010年第27卷所以初始反应概率远大于热同化反应概率。对二维掏蚀,当材料较厚或缺陷宽度相对于材料厚度非常小时,入射的氧原子始终可直接接触材料,此时入射原子氧的方向分布决定了掏蚀空洞横截面轮廓线的形状;而材料的质量损失率则由初始反应概率和反射概率共同决定。在材料两面都有保护层并且厚度较薄的情况下,发展成熟的掏蚀曲线的形状不受入射原子氧速度方向分布的影响。初始反应概率只影响掏蚀空洞初期的发展。这主要是因为当掏蚀窄洞较大时,入射的原子氧必须
8、在上下保护层之间多次反射才可接触到材料。在反射过程中,几乎所有的氧原子都被热同化了,无论在运动速度和运动方向上均失去了入射时的信息,因而入射时的状态不能影响到原子氧对材料的掏蚀。在这种情况下,如果材料的温度相同,则材料相对于有效原子氧通量的质量损失速率在地面模拟试验和空间试验中应是一样的。2.2掏蚀现象中的相似律在讨论确定Banks模型中各参数的方法之前,我们简单介绍文献
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