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      上海飛魯真空泵廠有限公司
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      原子氧對航天器用材作用的效應

      1、原子氧的氧化作用對航天器的影響主要有:使結構材料減薄、發生變形、強度下降;使光學材料的光學性能改變,特別是使一些材料的反射率下降,漫反射顯著增加;使熱控涂層的光學性能改變,熱控失效;使活動部件外露部分的潤滑性能變化,影響活動;使一些材料的電學性能改變等。此外,原子氧與材料作用時放出的氣體可能加重附近表面的污染,反應時伴生的發光、發熱改變航天器的熱控,或干擾測控。這些效應將顯著影響航天器的性能和壽命。所以,對低軌道、長壽命航天器表面用材進行抗原子氧作用的評價、篩選是非常必要的。
      原子氧的密度并不算高.在200km高度,其數密度為2.7X10-9cm-3。但由于航天器在軌高速飛行,典型的飛行速度為8km/s,這樣,撞擊到航天器表面的原子氧的束流密度可達1015/cm2s。
      航天器在軌飛行,造成原子氧與航天器碰撞,相當于定向的原子氧束與航天表面相撞擊。航天器上處于不同位置和方向的表面,接受到的原子氧通量不同。處于航天器前部、與航天器飛行方向垂直的表面(壓頭方向)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規則,使原子氧在某些表面受到屏蔽、反射和散射,從而導致某些部位接受到更多的原子氧束流。
      軌道中原子氧的溫度一般在1000K一1500K范圍內,郎平均熱運動速率為1.15km/s-
      1.41km/s。但由于航天器以8km/s高速飛行,原子氧與航夭器之間有約8km/s的相對速度,相當于原子氧以約5eV能量與表面相撞。
      原子氧是極強的氧化劑,其氧化性能遠大于分子氧。因此,原子氧對低地球軌道航天器表面的危害比其它因素(熱真空、紫外輻照、冷熱交變、微流星等)要嚴重。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人到表層以下的基體中,從而加重了原子氧的剝蝕效應。此外,太陽紫外線特別是短波長的紫外線與原子氧的共同作用增加了原子氧的剝蝕效應。
      原子氧與材料作用,主要是使材料氧化,導致性能變化。材料氧化導致質量變化的程度與原子氧通量有關,即與大氣密度、軌道速度、暴露的時間成正比。單質材料中只有碳、銀和鋨反應速度較快,會引起宏觀變化。原子氧與碳反應生成揮發性氧化物;與銀反應形成典型的氧化物并以剝落形式引起材料質量損失,氧化速率與銀的微觀結構有關;鍬通過形成高蒸氣壓的氧化物OS04而損失質量。一些金屬材料在原子氧作用下表面的光學和電學性能會發生變化。
      有機物由于多含碳、氫、氧、氮等元素,通常與原子氧反應速率較大,而含氟聚合物、硅氧烷與原子氧的反應速率則比其它有機聚合物低。
      2.原子氧效應的評估方法
      由于原子氧與材料作用的主要效應之一是使材料的質量即體積減小,所以一種材料耐原子氧作用的能力用這種材料的原子氧作用系數來表示。原子氧作用系數定義為每個原子氧使該材料表面休積的減小量,單位為cm3 /,個。因此,原子氧作用系數越小,耐原子氧作用的能力越強。對于特定的功能材料,除原子氧作用系數外,還應該測量其主要性能的變化。例如,對光學材料,應該測量原子氧作用后太陽反射率和半球發射率的變化,有時還應該測量漫反射的變化;對熱控材料,應該測量原子氧作用后太陽吸收率和半球發射率的變化;對導電材料,應該測量電導率的變化,特別是表面電導率的變化。


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