空间原子氧环境对常用热控涂层的影响

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1、航天器环境工程第29卷第3期268SPACECRAFTENvIRONMENTENGINEERING2012年6月空间原子氧环境对常用热控涂层的影响李涛12，姜海富2，刘向鹏1．2赵雪2，翟睿琼2(1．可靠性与环境工程技术重点实验室；2．北京卫星环境工程研究所：北京100094)摘要：空间原子氧(AO)是影响低地球轨道(LEO)航天器在轨性能的主要空间环境因素之一，其强氧化性能够对热控涂层和组件造成危害。文章分析了空间AO及相关综合环境对白漆、黑漆、有色有机漆、薄膜、织物、----6表面镜等各类常用

2、热控涂层在LEO长期使用时可能引起的环境效应和危害，提出了相关使用建议，以期为今后我国以空间站为代表的LEO长寿命航天器论证及研制提供技术参考。关键词：原子氧；热控涂层；低地球轨道；环境效应；飞行试验中图分类号：TB34：V25：V524．3文献标识码：^文章编号：1673—1379(2012)03—0268—05DOh103969／j．issn．1673·1379．2012．03．0060引言大多数低地球轨道(LEO)航天器都运行在高度小于1000km的近圆轨道，原子氧(AO)是该轨道空间的主要

3、大气成分，由太阳紫外对氧分子的解离而产生【“。利用MSISE90大气模型对高层大气中主要大气成分的密度进行计算可知，在空间站运行的400km轨道空间，AO相对含量高于80％。影响AO密度的主要因素有轨道高度、太阳活动、地磁活动、地球公转与自转等【lJ。LEO长寿命航天器上所使用的热控涂层在经历AO长期作用后，可能会发生太阳吸收比(as)变化、厚度减小甚至完全被剥蚀等效应，进而会影响到航天器在轨可靠性。不同类型的涂层受影响程度有所不同，因此在热控设计中，对所选用的涂层进行AO环境适应性分析是涂层稳定

4、性评价的一项重要内容。热控涂层选用主要遵循以下原则：首先应具备满足热控要求的魄和半球发射率(弼)；其次是满足使用工艺的可行性、地丽使用时的可修复性及可清洗性；第三是保证涂层性能在使用环境中的稳定性，包括总装测试、转运、发射，以及在轨运行、再入等各个环节中的稳定性：最后是避免污染的影响口1。目前常用的热控涂层主要有漆(有机白漆、无机白漆、黑漆、灰漆等)、薄膜(Kapton／Al、FEP／Ag等)、织物(贝塔布等)、阳极化涂层、玻璃型镀银二次表面镜(简称OSR)等12J。美国、俄罗斯先后开展了众多飞行

5、试验项目进行热控涂层空间环境效应研究，其中NASA的长期暴露试验装置(LDEF)由于其在轨时间长、试验材料种类多而最具代表性。该装置为十二面体结构，直径4．3m，长9，1m，轨道高度为324～479km。LDEF在轨期间遭遇到高真空、紫外、AO、热循环、微流星体和空问碎片、带电粒子辐射等环境的作用，其表面携带有热控涂层、复合材料、聚合物等数千个样品，用于研究空间环境与材料的交互作用。AO环境效应试验是其中重要的试验项目”J。本文主要通过对国外长期飞行试验结果的分析，重点针对各类常用热控涂层a。和岛

6、的变化，研究涂层在AO环境下的适应性。1AO对白漆的影响白漆主要由颜料和粘结剂混合而成，颜料主要有ZnO、Ti02、Zr02、ZnS、Zn2Ti04等，有机类胶糙剂主要有聚亚胺酯、甲基硅橡胶等，无机类粘结剂主要有K2Si03、硅酸盐等。白漆的Ⅸ。一般是0_2左右，岛一般是0．9左右，主要使用在舱外的绐构件、辐射器及天线上，用于维持工作表面较低的温度。1．1表面形貌的变化LDEF在表面不同位置处携带有大量有机白收稿日期：201l-10—19：修回日期：2012-04．18作者简介：李涛(1981--

7、)，男，硕士学位，主要从事空间环境试验技术研究工作。E-mail：litaohit@163．com。第3期李涛等：空间原子氧环境对常用热控涂层的影响漆试验样品，包括A276有机白漆、S13G／LO有机白漆、Z一93无机白漆等，研究了低轨道空间环境条件下不同类型白漆性能的退化。试验结果表明，有机粘结剂容易受到真空出气、AO侵蚀的影响，如以聚亚胺酯为粘结剂、Ti02为颜料的A276白漆，AO作用后其表面完整性受到较大的破坏：另一种以硅橡胶为粘结剂、ZnO为颜料的S13G／LO白漆在经受LDEF试验后，

8、样品表面出现网状裂纹，裂纹程度与AO积分通量正相关。可以认为粘结剂中的硅基有机物被AO氧化生成Si02导致了表面裂纹的出现，但由于Si02可以阻挡AO的进一步反应【4J，因此样品未出现类似A276的表面严重破损【5。7J。1．2热物理性能的变化表1为LDEF试验中有机、无机白漆遭受空间AO及紫外辐照综合作用后的佩变化结果【5J。由表1可见，无机白漆在AO环境中相对稳定。以YB．71白漆为例，其颜料为Zn2Ti04，粘结剂为K2Si03，空间飞行试验斤迎风面与非迎风面样品测试结果基本