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原子权对航天器用材作用的效应

1.概述
原子氧的氧化作用对航天器的影响主要有:使结构材料减薄、发生变形、强度下降;使光学材料的光学性能改变,特别是使一些材料的反射率下降,漫反射显著增加;使热控涂层的光学性能改变,热控失效;使活动部件外露部分的润滑性能变化,影响活动;使一些材料的电学性能改变等。此外,原子氧与材料作用时放出的气体可能加重附近表面的污染,反应时伴生的发光、发热改变航天器的热控,或干扰测控。这些效应将显著影响航天器的性能和寿命。所以,对低轨道、长寿命航天器表面用材进行抗原子氧作用的评价、筛选是非常必要的。原子氧的密度并不算高,在200kn、高度,其数密度为2.7*109cm-3。但由于航天器在轨高速飞行,典型的飞行速度为8km/s,这样,撞击到航天器表面的原子氧的束流密度可达1015/cm2s。
航天器在轨飞行,造成原子氧与航天器碰撞,相当于定向的原子氧束与航天表面相撞击。航天器上处于不同位里和方向的表面,接受到的原子氧通量不同。处于航天器前部、与航天器飞行方向垂直的表面(压头方向)接受到的原子氧通量就要比其它表面大。由于航天器外形不完全规则,使原子氧在某些表面受到屏蔽、反射和散射,从而导致某些部位接受到更多的原子氧束流。
轨道中原子氧的温度一般在1OOOK---1500K范围内,即平均热运动速率为1.15km/s-1.41 km/s。但由于航天器以8km/s高速飞行,原子氧与航天器之间有约8km/s的相对速度,相当于原子氧以约5eV能量与表面相撞。
原子氧是极强的氧化剂,其氧化性能远大于分子氧。因此,原子氧对低地球轨道航天器表面的危害比其它因素(热真空、紫外辐照、冷热交变、微流星等)要严重。但是,由于其它因素在材料表面形成的裂痕或缺陷,使原子氧的氧化作用深入到表层以下的基体中,从而加重了原子氧的剥蚀效应。此外,太阳紫外线特别是短波长的紫外线与原子氧的共同作用增加了原子氧的剥蚀效应。
原子氧与材料作用,主要是使材料氧化,导致性能变化。材料氧化导致质里变化的程度与原子氧通量有关,即与大气密度、轨道速度、暴露的时间成正比。单质材料中只有碳、银和俄反应速度较快,会引起宏观变化。原子氧与碳反应生成挥发性氧化物;与银反应形成典型的氧化物并以剥落形式引起材料质量损失,氧化速率与银的微观结构有关;锇通过形成高蒸气压的氧化物OSO4而损失质量。一些金属材料在原子氧作用下表面的光学和电学性能会发生变化。
有机物由于多含碳、氢、氧、氮等元素,通常与原子氧反应速率较大,而含氟聚合物、硅氧烷与原子氧的反应速率则比其它有机聚合物低。
2.原子权效应的评估方法
由于原子氧与材料作用的主要效应之一是使材料的质量即体积减小,所以一种材料耐原子氧作用的能力用这种材料的原子氧作用系数来表示。原子氧作用系数定义为每个原子氧使该材料表面体积的减小里,单位为cm3个。因此,原子氧作用系数越小,耐原子氧作用的能力越强。对于特定的功能材料,除原子氧作用系数外,还应该测量其主要性能的变化。例如,对光学材料,应该测A原子氧作用后太阳反射率和半球发射率的变化,有时还应该测量漫反射的变化;对热控材料,应该测量原子氧作用后太阳吸收率和半球发射率的变化;对导电材料,应该测量电导率的变化,特别是表面电导率的变化。
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