航天器分子污染计算方法综述

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1、第27卷第2期航天器环境工程2010qi4月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING181航天器分子污染计算方法综述焦子龙(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：随着对航天器长寿命、高可靠、高性能要求的不断提高，污染逐渐成为影响任务成功的重要因素之一。数值模拟是评估分子污染的主要手段之一。文章对航天器分子污染计算方法进行了总结，详细介绍了污染源，污染沉积及效应、污染传输的模型以及计算方法。关键词：分子污染；数值模拟；放气；质量传递系数；光学性能中图分类号：V524．3：0561．5文献标识码：A文章编号：11673-1379(2

2、010)02-0181-009DoI：10．3969a．issn．1673—1379．2010．02．0121引言随着航天器的发展对长寿命、高可靠、高性能等要求越来越突出，以前通常忽略的环境因素可能也会影响系统性能甚至导致其失效，例如污染环境效应。污染是指非要求外来物影响系统、分系统、部件、零件的工作和性能，继而造成危害和不可忽略的影响。可大致分为分子污染、颗粒污染以及羽流污染。分子污染指分子悬浮在表面附近或沉积于表面造成的污染。本文针对航天器分子污染进行分析和计算。2分子污染概述2．1污染源分析有机材料放气是航天器分子污染的主要来源。有关研究人员试验发现[1。

3、21，在一般有机材料应用温度范围内，材料放气的主要产物为水分子。表1列出了放气产物中的大分子污染物13J。表1典型大分子污染物Table1Typicalmolecularcontaminants放气产物类别可能来源典型／常见污染物邻苯二甲酸邻苯二甲酸酯聚酯／聚氨酯二乙基己基酯4．肉梓苯酚苯酚环氧双酚．An．苯基邻苯苯并咪唑聚酰亚胺二甲酰亚胺二芳摹乙烷芳香烃多种来源十二氧苯并菲芳香胺聚氨酯／环氧4．十四烷基苯胺硅酮甲悬举雄傩氧烷三十碳人烯烯烃多种来源A．律草烯lO．十九烷酮脂肪烃多种来源十四醛2．2分子污染影响分子污染造成的影响是多方面的，主要包括：(1)沉积造成

4、的表面性能退化，例如影响热控表面的发射率或吸收率，进而影响卫星表面以及某些光学组件的温度，降低光学元器件的工作性能，使太阳能电池输出功率下降，影响表面电性能如电导率等；(2)在航天器内部或周围形成的气体环境导致局部气体密度增高，高压装置可能会发生电晕放电；(3)分子污染物还会与周围环境相互作用，使污染效应进一步加强，如紫外辐照会使有机沉积物质变暗，更顽强地吸附于敏感表面上；原子氧也会与硅树脂污染物作用，使它变为永久沉积于敏感表面的硅酸盐层，造成太阳光吸收率大大增加。2．3污染预估的目的及步骤污染分析及预估的目的在于校核卫星的设计，为总体部门提供优化设计方案；将模

5、拟结果作为航天器污染控制的基本依据，由此制定污染控制计划，对设计、研制和使用各阶段的污染指标进行分配。一般污染分析流程如图l所示【4】。首先需要确认关键的子系统及关键(敏感)表面、污染源；接着确定需要进行分析的污染传输类型，如直接流、返回流等，获得有关数据后，输入分析软件或模型进行系统分析，获得污染沉积及其效应的结果；最后，将结果与污染控制要求进行比较，满足要求就进入污染监测环节，不满足要求则需要更换材料或者更改设计，然后再进行上述分析，直到达到要求为止。收稿日期：2009．09．04；修回日期：2010—03．15作者简介：焦子龙(1979-)，男，博士学位，

6、现从事航天器污染研究工作．E—mail：jiaozilong@yahoo．tom。航天器环境工程2010年第27卷l卫早系统、设『．r磊番赫i：f丽．东溢吊孽索l计尼材料新掘：’l¨又1口1叶、吸pl一。l、{罔N宣卅划■鬻瑟t基l或关键子系统{<影满足要彳分析污染传输：ll确认}j染源I··商接流．!预估污染沉积地面测试及在轨运’I及其效应行中进行污染监测·返回流丁1分析模掣及软件l岁苄材料放气及沉积数据污染物特性数据空间环境数据图l污染分析流程Fig．1Flowchartofcontaminationanalysis3放气过程分析方法放气研究的主要目的是建立

7、放气过程随温度和时间变化的一般函数关系，以在短期试验测定的基础上对材料长期放气过程作出准确预示。一般认为放气有3种过程起作用：(1)材料内部和表面吸附的气体分子解吸，例如H20、N2等，它们为地面加工、测试、储存、装卸、发射过程中吸附的；(2)材料内含的稀释剂、未聚合的单体、增塑剂、润滑剂等扩散及从表面解吸；(3)材料基体由于材料暴露于其他环境而产生裂解。例如热环境、太阳辐照、带电粒子辐照、原子氧环境、微流星及碎片环境、静电放电等。相对于材料内已有分子，这些产物分子量较低(挥发性高)。3．1扩散模型一般认为，扩散是材料放气的主要机制。对于有限厚度h的无限大平板材

8、料，某种放气产物的Fic