一种航天器原子氧设计寿命预示的方法研究

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1、V01．18No．4载人航天第18卷第4期90MannedSpaceflight2012年7月一种航天器原子氧设计寿命预示的方法研究张雯，赵小虎，沈志刚(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要通过总结分析现有国内外空间飞行试验和地面模拟试验原子氧剥蚀数据，采用多项式拟合、自然增长曲线拟合和指数曲线拟合等几种方法，拟合出了能够反映材料厚度损失规律的变化曲线；并结合不同条件下、航天器外表面的原子氧通量计算结果，实现了对航天器外表面不同位置、不同材料的原子氧设计寿命预示，可为航天器的设计和选材提供参考。关键词航天器原子氧材

2、料寿命预示中图分类号：V423文献标识码：A文章编号：特征去外推正常通量水平下的寿命特征，最后需用1引言数值模拟方法进行修正计算13,4]。该方法可以缩短试低地球轨道(LowEarthOrbit，LEO)环境是一个验时间，但是加速过程与实际情况有所不同，导致结复杂的、动态的环境，它对航天器的影响主要有高真果存在误差，且修正难度较大。空、原子氧效应、紫外辐射效应、宇宙微尘和空间碎2．2蒙特卡罗模拟片效应、热循环效应以及表面充放电效应等。原子氧用蒙特卡罗法数值模拟出材料与原子氧作用的是LEO环境大气的主要组分，也是低地球轨道环境动态过程，来

3、预测材料寿命。蒙特卡罗模拟的基本思中对航天器影响最为严重的环境因素之一l1]。在它的想是：用有限个仿真分子代替真实气体分子，并在计作用下，航天器上使用的聚合物、复合材料、热控材算机中存储仿真分子的位置坐标、速度分量以及内料、金属导线、太阳能电池板等材料或部件都会被剥能，其值随仿真分子的运动、与边界的作用以及分子蚀，而且性能发生退化，这将直接影响到航天器的安之间的碰撞改变，最后通过统计网格内仿真分子的全眭和飞行任务的顺利完成。因此，原子氧设计寿命运动状态实现对真实气体流动问题的模拟。该方法的提出是有意义的圜。缺点在于，网格内仿真分子的运动

4、情况与真实分子原子氧设计寿命是指处于空间环境中的材料，在有一定的差距同。只考虑原子氧效应而忽略其它影响因素的情况下，从2_3变化曲线拟合开始暴露到材料被完全剥蚀掉或性能失效所经历的上述两种方法需要对原子氧与航天器材料相互时间。因为在LEO环境中，有些材料的原子氧效应是作用的机理和过程有比较清楚的认识，但目前的研最主要的，所以这样的材料寿命分析是可行的。究尚未达到这样的水平。为此，考虑利用现有的暴露2原子氧设计寿命预示的方法时间较短的空间飞行试验数据，或者较短期的地面2．1加速寿命试验模拟试验数据，拟合出不同材料某种性能的损失随加速寿命试

5、验，即利用高原子氧通量下的寿命原子氧通量的变化曲线，即可对l0年、l5年甚至寿收稿日期：2011-05—10；修回日期：2011—08—07基金项目：921载人航天预先研究项目(020110)作者简介：张雯(1985一)，女，博士研究生，研究方向为原子氧对空间站的影响及其防护。Email：zhangwenzw650@sinamm第4期张雯等：一种航天器原子氧设计寿命预示的方法研究9l命更长的航天器表面材料的寿命进行预测，并在设表1聚酰亚胺Kapton的空间飞行试验数据计时选择合理的厚度和裕量。通量剥蚀率厚度损失数据来源但是由于航天器材料

6、的多数性能参数的退化与／(atoms／cm2)／(cm3／atom)／(m)原子氧通量的关系无法用一个合适的公式来描述，1．32x103．00x100．00393LDEF而且缺乏相应的试验测量数据，因此在目前，能够利6．50x102．80x101．82STS-47．50x10192．80xlO2．2STS-5用的只有厚度损失一项，它不仅容易测量，而且有丰9．90x102．80x102．79STS-5富的数据储备，因此下面对航天器材料进行寿命预2．60x10202．90x1O7．54LDEF测的依据是材料在原子氧作用下的厚度损失，单位2．

7、98x1O3．20x1O9．536s1'S一8是m。在具体实施过程中，变化曲线拟合又可分为3．5O×1O203．o0x1010．5STS-8多项式拟合、自然增长曲线拟合和指数曲线拟合等。5．80x10那2．88x1016．7C0MES／Mir其中多项式拟合过程简单方便，但对于某些材料，得6．90x10202．80x1019-32SMM到的厚度损失随原子氧通量的增大有下降的趋势，8．43x103．00x1O252．9MISSE-2与实际情况不符。相比之下，自然增长曲线拟合和指9．OOx102．89x10260LDEF数曲线拟合虽然过程稍显

8、复杂，但不会出现厚度损失变小的情况。表2玻璃纤维环氧的地面模拟试验数据3空间材料的原子氧剥蚀数据及曲线拟合通量剥蚀率厚度损失数据来源／(atoms／cm2)／(cm3／atom)／(“m)3．1原子氧剥蚀数