光学器件的空间粉尘高速撞击效应研究

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1、第28卷第2期航天器环境工程2011年4月SPACECRAFTENvIRONMENTENGINEERING115光学器件的空间粉尘高速撞击效应研究董尚利，刘海，吕钢，李延伟，杨德庄，何世禹(哈尔滨上业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001)摘要：文章利用静电加速器模拟研究了微小空间碎片及微流星体(空间粉尘)高速撞击镀膜石英玻璃．光学透镜和反射镜的撞击效应与累积损伤特性。扫描电镜观察结果表明，被撞击试样表面的损伤形式为不连续的点缺陷，可发现撞击坑、机械破裂、局部熔化和粉尘微粒子附着；分光光度计测试结果显示，经粉尘累积撞击后，光学透镜的透射率和反射镜的反射率均发

2、生较小程度的衰减；此外，借助于原位测试技术捕捉到了微小粒子高速撞击过程中产生的等离子体和发光现象。关键词：空间粉尘；光学器件；高速撞击；撞击损伤中图分类号：V520．7；0313．4文献标识码：A文章编号：1673-1379(2011)02-0115-06DoI：10．3969巧．issn．1673．1379．2011．02．003O前言空间粉尘(spacedust)的称谓来源于空间探测，最初系指宇宙尘埃，后来人们习惯性地将岬级或更小尺寸的空间碎片和微流星体也称为空间粉尘【l之】。在低地球轨道，微小空间碎片或微流星体的数量远多于大尺寸宅问碎片，与航天器撞击的概率

3、高，微小空间碎片的单次高速撞击不会对航天器造成严苇损害，但累积撞击会使航天器的表面受到损伤，其中热控涂层、太阳能电池及光学器件(如反射镜、透镜、防护玻璃和舷窗)受到的撞击损伤最大【l’3】。随着对航天器寿命和可靠性要求的不断提高，微小空间碎片或微流星体高速撞击特性及其对航天器外表材料和器件的累积损伤效应日益引起重视。国内有关单位在“十五”末期和“十一五”期问先后建立起激光驱动【4】、等离子驱动[5】和静电加速【6]等地面模拟试验技术，形成了百“m级和“m级空间碎片高速撞击特性及效应研究的能力[7】，并以光学玻璃【81、航天器舷窗191和太阳能电池‘101等典型材

4、料及器件为对象开展了研究。静电加速器足一种被广泛应用的微小粒子高速撞击模拟试验装置，依据所选用微小粒子的不同，可将lam级或哑um级的粒子加速到每秒几km至数十km[H-151。址十J一五”期问，在国家空间碎片专题研究项目支持下，哈尔滨工业大学利用建立的空间粉尘静电加速高速撞击模拟试验装置对光学器件、表面镜型热控涂层和太阳能电池在p,m级粒子高速撞击F的累积损伤特性及效应进行了较为系统的研究，探索了空间粉尘高速撞击效应的模拟与评价技术。本文重点介绍有关光学器件的研究结果。l试验样品和试验1．1试验样品分别选择光学石英玻璃、光学透镜和反射镜为试验样品，3种试样的直

5、径为20mill，玻璃基体的厚度为3mlTl。其中，光学透镜的基体为K208抗辐射玻璃，双面分别镀有厚度为数百am的MgF2+Zr02+A1203复合增透膜；反射镜的基体为抗辐射石英玻璃，采用Ag为反射镜面，其表面镀有A1203和Si02保护膜，反射膜的总厚度亦为数百am；同时，为便于观察被撞击试样表面的损伤形貌，在光学石英玻璃表面采用真空蒸镀的方法沉积了一层厚度为百nm的白金(Pt)。图1所示为用于静电加速试验的光学透镜和反射镜样品。1．2静电加速撞击试验空间粉尘高速撞击模拟试验在静电加速器上进行，采用名义尺寸为l～10“m的铝粉充当lam级收稿日期：2010

6、—12．31；修回日期：2011-02．17基金项目：国家空间碎片专题“空间粉尘环境效应模拟与评价技术”研究项目(编号：KJSP．06212)作者简介：董尚利(1966一)，男，工学博士，教授，主要研究方向为模拟空间环境条件下的材料行为评价与，}生能表征。E—mail：sldong@hit．edu．cn。

7、I!盟厶翌!：堑【：!苤塑鱼，EOU碎J{或徽i‘l【垡体的模拟体，锚粉的帆型形貌如图2。诚静电加速器采川静态和动态二121分段加述的r作片』℃，与常胤的VandcGraft静电自n速器相比，大幅度脐低了额定I作lU压”J，试骑装置丑其『作原理如图3所小。加述

8、目j粉时，粉尘发射器的T作tU压为10kV，静态段的加速总电l‘山150～160kV，动态段的加述总电压为450～520kV。JJu违试验过程中的测托敷数据仃储由设备控制台上的¨算机执行：被成功发射、静态加述aI动态1l【J速的粒子速度可山Ⅻ9控程序宴时显示，划粉粒子被动忐加速进入靶室前的速度‰即为-l·靶速度。静【b加述器的靶审真卒采用机械泵日l扩敞裂卦l合的方jl=控制，{蓝f击试验过稗中，靶审的真窄度可逃lojPa。匝砸“’：：臻㈨帆4*☆t揣篇“”Fig1Samplesappliedin⋯cdustelectrostatk⋯lerati⋯I∞cltcm灞

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