原子氧效应与探测研究

发布时间：2017-07-14 22:32

  本文关键词：原子氧效应与探测研究

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【摘要】：原子氧是LEO轨道空间环境中性大气最为丰富的元素,也是对轨道航天器影响最严重的因素之一。原子氧在太阳紫外短波辐射下产生,其碰撞几率极小,因此复合概率较小,占据了中性大气环境的80%左右;其化学性质活泼,相对飞行速度大,能量高。经过多次在轨飞行试验证明,原子氧对航天器表面材料有明显的剥蚀效应,暴露在航天器舱外的分系统在原子氧环境下效率显著下降,因此研究原子氧通量及其对材料的剥蚀具有较高的工程应用价值。本文在分析LEO轨道上原子氧产生的物理背景基础上,对航天器表面遭遇的原子氧通量水平及其对典型材料的剥蚀速率进行了仿真分析,给出了航天器不同飞行姿态不同方位处表面材料在不同太阳活动程度下的原子氧剥蚀情况。基于微量天平QCM的压电效应,设计并研制了能实时就位监测航天器表面原子氧通量及材料的剥蚀效应综合探测器。研究了不同工艺条件下晶片表面薄膜涂层的性能,并初步固化了晶片表面涂覆薄膜的相关工艺条件。对石英晶片表面涂覆的薄膜进行了纳米材料尺度的性能检测,包括厚度、表面形貌、力学性能、薄膜与基底的结合力等,以及涂覆薄膜在热交变和真空环境下薄膜的稳定性等性能。地面测试结果表明石英晶片表面涂覆薄膜性能稳定,能承受空间环境考核。最后在空间中心专用定标系统上进行了传感器表面感测质量能力的校准,结果表明传感器感测微小质量变化能实时反应到科学参数输出上。条件允许情况下将在地面原子氧模拟装置上进行传感器感测原子氧通量和材料剥蚀能力的标定。该探测器研制成功后将用于某型号舱外材料暴露装置中,作为其无源材料暴露装置的重要补充部分,可实时就位监测原子氧剥蚀效应。后续还可将该仪器进一步小型化设计,使其可灵活应用到LEO轨道航天器原子氧监测平台上。同时也可开展防护材料的原子氧效应研究,开展正在应用的防护材料和以后可能应用到的原子氧自愈型材料在轨试验研究,为我国航天器LEO轨道原子氧效应研究打下坚实的基础。
【关键词】：原子氧通量 原子氧剥蚀 仿真 石英微量天平 涂覆薄膜 标定
【学位授予单位】：中国科学院国家空间科学中心
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V520
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-16
• 第一章 引言16-18
• 第二章 国内外研发动态和研究方法18-42
• 2.1 国内外研发动态18-36
• 2.1.1 LDEF长期暴露试验18-20
• 2.1.2 STS航天飞机短期暴露试验20-21
• 2.1.3 Mir空间站POSA试验和OPM试验21-22
• 2.1.4 ISS空间站MEDET试验22
• 2.1.5 ISS空间站材料试验MISSE 1-822-33
• 2.1.6 REFLUX用TQCM涂覆石墨测量原子氧通量33-35
• 2.1.7 STRV-1a探测试验35-36
• 2.2 原子氧与材料相互作用的研究方法36-41
• 2.2.1 计算模型与数值模拟研究36-38
• 2.2.2 地面模拟试验38-39
• 2.2.3 空间飞行试验39-41
• 2.3 小结41-42
• 第三章 物理背景分析42-53
• 3.1 LEO轨道原子氧的形成和出现42-43
• 3.2 原子氧数密度动态变化特性43-46
• 3.2.1 实测原子氧数密度随地方时变化44
• 3.2.2 实测原子氧数密度随F10.7 的变化44-45
• 3.2.3 实测原子氧数密度对地磁活动程度的变化45-46
• 3.3 原子氧与材料相互作用效应分析46-50
• 3.4 聚合物材料在航天器上的典型应用50-52
• 3.5 小结52-53
• 第四章 原子氧对航天器表面材料剥蚀效应仿真研究53-80
• 4.1 仿真内容53
• 4.2 仿真计算方法53-57
• 4.2.1 原子氧通量计算方法53-55
• 4.2.2 原子氧累积总量计算方法55
• 4.2.3 表面材料剥蚀速率计算方法55-56
• 4.2.4 表面材料累积剥蚀厚度量计算方法56-57
• 4.3 仿真计算流程57
• 4.4 仿真输入参数及结果形式57-60
• 4.4.1 原子氧数密度57-58
• 4.4.2 航天器速度58
• 4.4.3 航天器攻角58
• 4.4.4 表面材料原子氧反应系数58-59
• 4.4.5 仿真结果形式59-60
• 4.5 仿真用例60-62
• 4.6 仿真用例计算结果62-78
• 4.6.1 用例 1：航天器表面原子氧通量仿真结果63-67
• 4.6.2 用例 7：航天器运行1年表面原子氧累积总量仿真结果67-71
• 4.6.3 用例 8：航天器表面材料剥蚀速率仿真结果71-75
• 4.6.4 用例 14：航天器运行1年表面材料剥蚀厚度仿真结果75-78
• 4.7 仿真结果的正确性比对78-79
• 4.8 小结79-80
• 第五章 原子氧效应综合探测器设计及关键技术研究80-103
• 5.1 探测目标80
• 5.2 探测内容80-81
• 5.3 主要技术指标81-83
• 5.3.1 探测科学指标81-83
• 5.3.2 工程技术指标要求83
• 5.4 探测器整体设计83-86
• 5.5 工作原理86-88
• 5.5.1 表面污染物质沉积质量及速率监测86-87
• 5.5.2 原子氧通量及典型材料原子氧剥蚀效应监测87-88
• 5.6 传感器设计88-92
• 5.6.1 选材与设计89-91
• 5.6.2 工艺与生产91-92
• 5.7 电子学设计92-94
• 5.8 关键技术攻关94-101
• 5.8.1 传感器表面稳定覆膜技术94-98
• 5.8.2 传感器稳定起振技术98-101
• 5.9 仪器电子学性能101-102
• 5.10小结102-103
• 第六章 探测器特性测试和检验分析103-112
• 6.1 涂层厚度检测103-104
• 6.2 涂层表面形貌检测104-106
• 6.3 涂层力学性能测试106-108
• 6.4 涂层与基底结合力测试108-111
• 6.5 涂层稳定性测试分析111
• 6.6 小结111-112
• 第七章 探测器标定112-118
• 7.1 质量沉积传感器标定112-117
• 7.1.1 标定方法112-113
• 7.1.2 标定系统113-116
• 7.1.3 主要特性的地面初步测试结果116-117
• 7.2 小结117-118
• 第八章 总结与展望118-120
• 8.1 创新点118-119
• 8.2 科学与工程应用价值119
• 8.3 前景与展望119-120
• 参考文献120-127
• 博士在学期间发表论文127-128
• 承担课题及申请专利128-129
• 致谢129

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本文编号：542486