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低軌道航天器艙外材料或器件原子氧防護技術研究

時間:2013-12-06 07:46:14  來源:第三屆空間材料及其應用技術學術交流會論文集  作者:李中華,趙琳,鄭闊海

  摘要:低軌道航天器在軌運行期間,艙外材料或器件將經受原子氧的氧化剝蝕作用,導致材料或器件性能衰退甚至失效。原子氧防護技術是保證材料或器件在軌性能和壽命的重要手段,和平號空間站和國際空間站等低軌道長壽命航天器的原子氧防護結果表明,對艙外材料或器件進行原子氧防護是必須而且可行的。本文介紹了國內外開展的原子氧防護技術及艙外材料或器件的原子氧防護方法。
  關鍵詞:低軌道, 原子氧, 防護
  
  概述
  低軌道航天器在軌運行過程中,表麵功能材料或器件(如:熱控塗層、太陽電池陣、光學材料和外露結構件等)將經受高層大氣、原子氧、太陽電磁輻射、熱循環、太陽宇宙線、微流星與空間碎片等多種空間自然環境因素及出氣、汙染等次生環境的作用(見圖 1),會導致星用材料或器件的性能下降甚至失效(見圖 2)[1]。
  對航天器表麵材料及敏感器件采取防護措施是保障衛星在軌運行性能和可靠性的重要措施之一。國內外對空間原子氧的防護非常重視,NASA 專門製定了一個太陽電池陣環境防護計劃(PAEP計劃)[2],目的是要研製大尺寸的、能夠防護原子氧剝蝕的薄膜及其沉積技術。目標就是要使在低地球軌道運行的航天器太陽電池陣墊能夠在軌使用 15 年。前蘇聯和平號空間站(Mir)以及目前的國際空間站(ISS)之所以能夠在低地球軌道運行十餘年以上,原因之一是對這些長期運行的航天器表麵材料采取了原子氧防護措施。近年來,我國研製發射的低軌道長壽命航天器越來越多,對原子氧防護也越來越重視。由於原子氧對材料的剝蝕是“漸進、累計”的過程,需要航天器在低軌道運行較長的時間,才會對艙外材料或器件的性能產生明顯的改變。我國在“十一五”以前,沒有在低軌道長期(5 年以上)運行的衛星,到目前為止,沒有因原子氧的氧化剝蝕導致衛星材料或器件在軌性能下降或失效的事件。
  1 空間原子氧及其效應
  原子氧是低地球軌道殘餘大氣的主要成分。雖然原子氧的密度不是很大(109~105cm-3左右),溫度也不是很高(1000K~1500K 左右),但是由於衛星的高速飛行,增大了原子氧對衛星表麵材料的撞擊能量(約 5eV)及通量密度。如在 300Km 軌道高度,原子氧的年積分通量達到~1022AO/cm2。即使在400km的軌道,航天器迎風麵的原子氧年積分通量也達到了1021AO/cm2以上[3]。
  由於原子氧是極強的氧化劑,會對衛星表麵材料或器件產生嚴重的氧化剝蝕作用,是衛星表麵材料或器件退化的主要因素之一。如:原子氧使有機結構材料厚度減薄,機械強度下降;使功能材料的太陽吸收率、發射率變化,影響熱控性能;使太陽反射鏡的反射率下降、漫反射增加,使光學成像質量下降;使活動部件外露部分的潤滑劑(二硫化鉬等)氧化,導致潤滑性能下降或失效等。另外,原子氧與材料反應時放出的氣體加重了附近元器件的汙染;反應使表麵塗層脫落而形成微小碎片等。原子氧對衛星表麵材料的氧化剝蝕作用已經被空間飛行試驗和地麵試驗所致證實。
  不同類型的材料,原子氧剝蝕率有較大差異,經過研究,一般認為:1)僅含有 C、H、O、N 等元素的材料,有較高的原子氧剝蝕率,一般在 2.5×10-24~3.0×10-24cm3/atom 之間;2)含氟和矽元素的聚合物比一般有機物(C、H、O、N 元素組成)剝蝕率低 50 倍;3)被填充的有機材料反應率依賴填充物的氧化穩定性。如,填充金屬氧化物、矽等材料比填充碳的材料具有較低的反應率;4)除鋨、銀外,金屬在原子氧環境中都是穩定的,而金屬銅在原子氧環境中穩定性較差,原子氧作用後,表麵會生成氧化物,但是被氧化剝蝕的速率比鋨和銀要低很多。
  2 空間原子氧防護方法
  為了滿足低軌道長壽命的使用要求,需要對經受大累計通量的、原子氧剝蝕率高的材料或器件(如:太陽電池陣墊、互聯片、熱控材料、光學材料等)進行原子氧防護。但是航天器表麵材料的本征性能各不相同,防護方法也要求不一樣。如太陽電池陣墊(Kapton)是絕緣的,要求原子氧防護塗層也必須是絕緣的;而熱控薄膜、外表麵包覆材料、薄膜展開天線等表麵材料需要一定的導電性能,要求防護塗層既要耐原子氧作用,還要具有適當的表麵方阻;另外,對於光學曾透塗層,要求防護塗層具有曾透和防原子氧的雙重功能。
  原子氧防護的基本原則是防護材料或防護塗層既要提高基底材料的耐原子氧性能,又不能改變基底材料原有的功能,即防護塗層不能改變基底材料的熱控、透光、導電等性能。目前,主要的原子氧防護措施有:
  a)研製耐原子氧剝蝕的新材料。即用自身耐原子剝蝕的材料代替容易被原子氧剝蝕的材料。如:通過在聚酰亞胺材料中加入含矽(Si)成分,使材料在原子氧作用下,表麵生成具有良好耐原子氧作用的 SiOx 層,達到防原子氧的目的。目前,研製較多的耐原子氧材料有 AOR Kapton、POSS(低聚倍半矽氧烷)等。但是研製自身耐原子氧又具有良好的機械、光學、電學性能的新材料具有較大的技術難度,一般較少采用。
  b)用金屬箔層或玻璃絲布包覆。除銀、鋨等金屬外,大部分金屬是耐原子氧作用的。因此,在敏感表麵包覆一層金屬箔可以起到很好的防原子氧作用。如:波音公司用陽極化的鋁箔包覆複合材料管,有效地保護了基材不受原子氧的剝蝕;β布主要由玻璃絲與含氟材料編製而成,具有較好的防原子氧性能,在航天器表麵廣泛使用。
  但包覆會改變基底材料的功能,特別是有光學、熱控等功能材料的表麵不可采用包覆的辦法。另外,包覆法僅能適用於規則表麵,而且如果粘接不當,會引起脫落、剝離。因此,包覆法具有較大的局限性。
  c)研製防護塗層。這是目前采用較多的一種方法,主要是在基底材料上塗敷一層耐原子氧作用的塗層。塗敷的方法有電鍍、陽極化鍍、真空氣相沉積鍍膜(濺射沉積、蒸發鍍、等離子體化學鍍)等。
  國內外在原子氧防護塗層的選擇、塗敷工藝等研究方麵做了大量工作。目前研製的原子氧防護塗層主要有: MgF2、ITO-MgF2、Si3N4、Al2O3,SiO2,SiOx,SiOx-PTFE,聚矽氧烷塗層等。和平號空間站和國際空間站上的原子氧防護主要使用了 SiO2、SiOx、SiOx-PTFE、 SiOx-PFE 等防護塗層。目前國際空間站上使用的原子氧防護塗層見表 1[4]。
  3 艙外材料或器件的原子氧防護
  對艙外材料或器件進行原子氧防護,需要綜合考慮衛星軌道、運行的年份、材料種類、表麵特性、材料或器件在衛星上的使用部位等因素。相同軌道高度的衛星運行在不同的年份,由於太陽活動狀態不同(太陽輻射流量 F10.7 不同)[5],導致空間原子氧密度差別很到。太陽活動高的年份的原子氧密度比太陽活動低的年份原子氧密度高出近一個數量級(見圖 7)[6]。
  因此,2005 年前後我國研製發射的某低軌道衛星(軌道高度約 500Km、壽命約 4 年)並沒有考慮原子氧防護。在軌運行也沒有出現因原子氧導致衛星艙外器件的性能下降或失效。但是,2010 年我國研製發射的某低軌道衛星,在軌運行過程中將經受太陽活動高年,衛星表麵材料經受的原子氧通量將達到 2.58×1021atoms/cm2以上。原子氧的氧化剝蝕問題引起了設計部門的高度重視。但是由於國內原子氧防護技術還不成熟,對艙外的太陽電池陣墊、有機熱控材料等並沒有采取原子氧防護措施,存在一定的風險。
  3.1 太陽電池陣墊原子氧防護
  由於 Kapton 材料強度高、柔性好、耐紫外、紅外穿透性好,常被用作航天器的柔性太陽電池陣的主要材料,作為支撐太陽電池和電路的結構薄膜。然而, Kapton 這樣的聚合物材料容易被低地球軌道原子氧的剝蝕。由於低軌道衛星以 7.8km/s 的速度飛行,相當於大氣分子以 3.5~5.5eV 的能量向空間站撞擊,這個能量足以破壞大多數的化學建並引起化學反應。由於原子氧與 Kapton 的反應係數很高,達 3×10-24cm3/atoms,太陽電池陣墊在約 6 個月的時間內(軌道高度 340km)氧化為CO 等氣態物質,這將導致太陽電池陣墊結構強度降低。
  目前,最常用的辦法是在 Kapton 表麵上沉積一層 SiOx、96%SiOx-4%PTFE、矽氧烷等塗層等防護塗層,這些塗層對原子氧具有良好的防護作用,和平號空間站、國際空間站等低軌道長壽命航天器的太陽電池陣墊都采用了這些塗層進行原子氧防護。
  國內真空低溫技術與物理國家重點實驗室開展了小麵積的 SiOx-PTFE 防護塗層的製備工藝研究,在鍍鋁 Kapton 基底材料上沉積了 SiOx-PTFE 防護塗層,並進行了原子氧試驗,結果證實該防護塗層具有良好的耐原子氧性能。
  3.2 太陽電池互聯片原子氧防護
  金屬銀由於導電性好,在航天器上廣泛應用,大多數互聯片使用金屬銀。但銀在原子氧環境中極易被氧化,使導電性能變差,焊接點鬆動或脫落。所以,在低軌道衛星太陽電池上使用銀互聯片需要采取防護措施。
  對銀互聯片采取的防護措施有:
  措施之一:改用耐原子氧的材料作為電池連接線。如用金屬鉬/鉑/銀作為電池的互聯片,用濺射的方法沉積厚度大約為 15μm 的金屬鉬用作原子氧防護。鉑(0.5μm)/銀(5μm)提供良好的焊接,保證導電性能。
  措施之二:在銀連接線的表麵增加金防護層。
  3.3 光學材料或器件原子氧防護
  為了增加航天器觀察窗、照相鏡頭、電池蓋片等玻璃的透過率,常常在玻璃表滿鍍覆一層 MgF2增透膜。但是在低地球軌道,原子氧密度大,原子氧的強氧化作用會導致 MgF2向 MgO 轉化,使增透膜變成反射膜,嚴重影響光的透過率(見圖 12),導致觀察或照相效果下降,太陽電池的效率大大降低[5]。
  和平號上搭載的 OPM(Optical Properties Monitor)係統,經空間暴露後,其中表麵 MgF2塗層中的氟(F)原子百分含量減少,而氧(O)原子的含量增加。說明 MgF2在原子氧環境中,發生了置換反應:
  地麵模擬試驗也證實,MgF2經原子氧作用後,表麵氧原子(O)含量明顯升高。MgF2是太陽電池蓋破片上主要的曾透塗層。在 1000km 軌道高度以上使用,其性能是穩定的。但是在低地球軌道,單一成分的 MgF2就不能用作曾透塗層。為了能夠在原子氧環境中能夠具有穩定的通光性能,可以采用 SiOx-TiOx 作為曾透型原子氧防護層。
  3.4 導線原子氧防護
  衛星艙外大多數導線的外皮都包覆一層有機絕緣層,原子氧容易剝蝕這層絕緣層,導致電線裸露。如:GORE(黑色)導線在原子氧作用下剝蝕嚴重(見圖 14)。需要對導線及其連接器采取防護處理措施(見圖 15)。
  4結束語
  原子氧具有極強的化學活性,能夠對低軌道航天器表麵材料或器件產生嚴重的氧化剝蝕效應,導致材料或器件性能下降或失效。由於航天器艙外材料本征性能不同,防護方法不同。原子氧防護的基本原則是要求防護措施既要顯著提高基底材料的耐原子氧性能,又不能改變基底材料或器件原有的功能。針對具體材料或器件的使用要求采用相應的原子氧防護措施,以提高材料在軌的使用性能和壽命。
  參考文獻略

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