本發(fā)明屬于空間環(huán)境效應(yīng)領(lǐng)域，尤其涉及低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)。

背景技術(shù)：

低地球軌道距離地面100km～1000km，是對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、載人飛船、空間站、航天飛機(jī)等航天器的主要軌道。低軌道區(qū)主要的空間環(huán)境包括地球中性高層大氣、等離子體(電離層和沉降等離子體)、地磁場(chǎng)、地球輻射帶、銀河宇宙線、太陽(yáng)宇宙線、太陽(yáng)電磁輻射、流星體與碎片等環(huán)境。由于低軌道空間環(huán)境很惡劣，它對(duì)航天器的影響一直為人們所關(guān)注?？臻g實(shí)踐表明：空間環(huán)境是誘發(fā)航天器故障和異常的主要原因之一。國(guó)內(nèi)外的衛(wèi)星故障統(tǒng)計(jì)分析表明，空間環(huán)境誘發(fā)的故障約占總故障的40％。低地球軌道中的原子氧對(duì)材料表面的腐蝕可導(dǎo)致材料性能的退化，空間輻射使有機(jī)材料性能劣化，熱循環(huán)造成材料尺寸的不穩(wěn)定和機(jī)械性能下降，微流星體和空間碎片的撞擊造成材料機(jī)械損傷甚至破壞，而超高真空則會(huì)導(dǎo)致有機(jī)材料分解蛻變、放氣。值得注意的是，這些因素往往協(xié)同作用，加速了材料的破壞，產(chǎn)生許多意想不到的結(jié)果。研究材料的低地球軌道環(huán)境效應(yīng)，開發(fā)滿足航天器性能要求且對(duì)空間環(huán)境有較好的適應(yīng)性和耐久性的材料已成為一個(gè)熱點(diǎn)課題?？臻g環(huán)境與航天器之間相互作用發(fā)生在太空，直接實(shí)驗(yàn)研究難度大，搭載試驗(yàn)所需成本費(fèi)用高。解決問(wèn)題的最基本途徑是在地面模擬空間環(huán)境。通過(guò)地面模擬試驗(yàn)的研究，揭示空間環(huán)境與材料相互作用的基本規(guī)律，闡明材料空間環(huán)境效應(yīng)的基本特征與機(jī)理，并將所獲得的研究成果用于指導(dǎo)空間應(yīng)用。因此，為了有效地展開空間材料科學(xué)技術(shù)研究，十分需要建立低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法。

低地球軌道空間環(huán)境很復(fù)雜，目前主要研究的是熱循環(huán)、太陽(yáng)紫外、粉塵、原子氧、空間帶電粒子輻射及高真空對(duì)材料的影響。目前，人類積累了許多空間單因素環(huán)境下低地球軌道航天器用暴露材料地面模擬試驗(yàn)方法，成為人類探索認(rèn)識(shí)空間材料科學(xué)問(wèn)題的重要依據(jù)，也為各國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展作出了不可替代的貢獻(xiàn)。但是，這些研究均未能全面實(shí)現(xiàn)低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有低地球軌道航天器用暴露材料地面模擬試驗(yàn)方法不能夠全面實(shí)現(xiàn)暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)研究的問(wèn)題，現(xiàn)提供低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法。

本發(fā)明所述的低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法包括兩種方案：

第一種方案：低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，該方法包括以下步驟：

步驟一：將待實(shí)驗(yàn)樣品置密封腔體內(nèi)，對(duì)待實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行粉塵模擬試驗(yàn)，然后執(zhí)行步驟二；

步驟二：對(duì)待實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行原子氧環(huán)境及紫外環(huán)境試驗(yàn)，然后執(zhí)行步驟三；

步驟三：對(duì)密封腔體抽真空，進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，然后執(zhí)行步驟四；

步驟四：根據(jù)待試驗(yàn)樣品的厚度t，選擇入射電子及質(zhì)子的能量，使得電子及質(zhì)子的入射深度大于2t，對(duì)待實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行帶電粒子輻照試驗(yàn)，當(dāng)輻照粒子的總注量或總劑量達(dá)到試驗(yàn)的要求時(shí)，進(jìn)行低地球軌道航天器用暴露材料性能測(cè)試，完成低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)。

第二種方案：低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，該方法包括以下步驟：

步驟一：將待實(shí)驗(yàn)樣品置密封腔體內(nèi)，對(duì)待實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行粉塵模擬試驗(yàn)，然后執(zhí)行步驟二；

步驟二：對(duì)待實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行原子氧環(huán)境及紫外環(huán)境試驗(yàn)，然后執(zhí)行步驟三；

步驟三：對(duì)密封腔體抽真空，然后執(zhí)行步驟四；

步驟四：根據(jù)待試驗(yàn)樣品的厚度t，選擇入射電子及質(zhì)子的能量，使得電子及質(zhì)子的入射深度大于2t；對(duì)待實(shí)驗(yàn)樣品同時(shí)進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)和帶電粒子輻照試驗(yàn)，當(dāng)輻照粒子的總注量或總劑量達(dá)到試驗(yàn)的要求時(shí)，進(jìn)行低地球軌道航天器用暴露材料性能測(cè)試，完成低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)。

上述低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，密封腔體內(nèi)設(shè)有溫度控制裝置，溫度控制裝置的引線通過(guò)密封腔的真空插頭連接電源，溫度控制裝置的調(diào)節(jié)范圍為-180℃～150℃。

上述低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，粉塵模擬試驗(yàn)中，粉塵尺寸為0.01μm～500μm，粉塵速度為1km/s～100km/s。

上述低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，原子氧環(huán)境試驗(yàn)中，原子氧能量為3eV～9eV，原子通量為1e10atoms/cm2s～1e19atoms/cm2s；

紫外環(huán)境試驗(yàn)中，紫外波長(zhǎng)0nm～400nm，強(qiáng)度為0.1suns～10suns。

上述低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，步驟三中，密封腔體抽真空，使密封腔體內(nèi)的壓強(qiáng)為10^-1Pa～10^-5Pa。

上述低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，熱循環(huán)試驗(yàn)中，升溫及降溫速率為0.01℃/min～50℃/min，且保溫時(shí)間能夠使得待實(shí)驗(yàn)樣品表面與待實(shí)驗(yàn)樣品內(nèi)部的溫度相同。

上述低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，其特征在于，帶電粒子輻照試驗(yàn)中，質(zhì)子的入射方向垂直于待實(shí)驗(yàn)樣品表面，電子的入射方向與待實(shí)驗(yàn)樣品法向的夾角在45°角以內(nèi)；

質(zhì)子及電子的輻照均勻度大于10％；

質(zhì)子及電子的輻照面積大于等于待實(shí)驗(yàn)樣品表面積的1.5倍，且能夠?qū)悠吠耆采w住。

本發(fā)明是基于地面單因素和多因素模擬環(huán)境，建立一種可以模擬低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)的地面模擬試驗(yàn)方法。本發(fā)明的應(yīng)用不同類型地面單因素及多因素環(huán)境，步驟簡(jiǎn)單，易于操作。本發(fā)明所提出的技術(shù)途徑能夠大幅度降低試驗(yàn)的費(fèi)用，對(duì)低地球軌道航天器用暴露材料空間環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)和研究具有重大意義。在空間環(huán)境效應(yīng)研究與抗輻照加固技術(shù)應(yīng)用中，有著明顯的優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是速度為9km/s、尺寸為10um的粉塵撞擊光學(xué)玻璃時(shí)的示意圖；

圖2是電子和質(zhì)子在Teflon(聚四氟乙烯)材料中的射程曲線圖，A表示電子，B表示質(zhì)子；

圖3是5MeV質(zhì)子、1MeV電子及熱循環(huán)共同作用在Teflon材料上的試驗(yàn)結(jié)果曲線圖；

圖4是粉塵、原子氧及1MeV電子共同作用在Teflon材料上的試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。

具體實(shí)施方式

低地球軌道航天器用暴露材料主要受到真空、熱循環(huán)、太陽(yáng)紫外、粉塵、原子氧及帶電粒子輻照等空間環(huán)境因素的影響。本發(fā)明基于真空、熱循環(huán)、太陽(yáng)紫外、粉塵、原子氧、電子輻照及質(zhì)子輻照同時(shí)或順序作用，通過(guò)選擇控制真空度、熱循環(huán)溫度范圍區(qū)間、太陽(yáng)紫外強(qiáng)度、粉塵尺寸大小及速度、原子氧能量及通量、電子能量及通量、質(zhì)子能量及通量，以及控制同時(shí)或順序綜合作用，來(lái)達(dá)到低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬的目的。

具體來(lái)說(shuō)，為了達(dá)到上述技術(shù)目的，本具體實(shí)施方式采用以下具體方法：

本實(shí)施方式所述的低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，該方法包括以下步驟：

步驟S1：將溫度控制裝置放置在密封腔內(nèi)，溫度控制裝置引線利用密封腔的真空插頭進(jìn)行連接；調(diào)節(jié)溫度區(qū)間到所需要的范圍為：-180℃～+150℃；

步驟S2：準(zhǔn)確測(cè)試待試驗(yàn)樣品的厚度t，并測(cè)試其初始性能參數(shù)，然后進(jìn)行粉塵模擬試驗(yàn)，粉塵尺寸選擇為0.01μm～500μm、速度為1km/s～100km/s；

步驟S3：進(jìn)行原子氧環(huán)境及紫外環(huán)境試驗(yàn)。原子氧能量為3eV～9eV、原子通量為1e10atoms/cm2s～1e19atoms/cm2s；紫外波長(zhǎng)0nm～400nm，強(qiáng)度為0.1suns～10suns；

步驟S4：完成該項(xiàng)試驗(yàn)后，將樣品固定在溫控試樣臺(tái)。根據(jù)樣品厚度t，基于Geant4和SRIM軟件計(jì)算仿真，選擇入射電子及質(zhì)子的能量，粒子能量的選擇使其入射深度大于2t；

步驟S5：質(zhì)子的入射方向應(yīng)垂直于樣品表面，電子的入射方向與樣品法向的夾角應(yīng)在45°角以內(nèi)。并且，質(zhì)子及電子的輻照不均勻度應(yīng)小于10％；質(zhì)子及電子的輻照面積應(yīng)至少是樣品面積的1.5倍，且可將樣品完全覆蓋?。?/p>

步驟S6：將密封腔體進(jìn)行抽真空，壓強(qiáng)大小為10^-1Pa～10^-5Pa，開始熱循環(huán)試驗(yàn)。熱循環(huán)試樣升溫及降溫速率為：0.01～50℃/min；保溫時(shí)間應(yīng)保證樣品表面及內(nèi)部的溫度相同；

步驟S7：完成不同次數(shù)的熱循環(huán)后，可原位進(jìn)行輻照試驗(yàn)；或者在進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)的同時(shí)，進(jìn)行帶電粒子輻照試驗(yàn)；

步驟S8：帶電粒子輻照試驗(yàn)時(shí)，可基于電子及質(zhì)子同時(shí)輻照進(jìn)行空間綜合輻射環(huán)境試驗(yàn)研究，或者通過(guò)電子及質(zhì)子順序輻照試驗(yàn)進(jìn)行綜合輻射環(huán)境試驗(yàn)研究。當(dāng)輻照粒子的總注量(或總劑量)達(dá)到試驗(yàn)的要求時(shí)，進(jìn)行綜合環(huán)境試驗(yàn)后的低地球軌道航天器用暴露材料性能測(cè)試。

為了在科學(xué)上實(shí)現(xiàn)空間綜合環(huán)境與低地球軌道航天器用暴露材料作用基本理論和方法研究，揭示空間綜合環(huán)境下低地球軌道航天器用暴露材料性能退化的基本規(guī)律與各種空間環(huán)境綜合效應(yīng)的物理本質(zhì)，建立空間綜合環(huán)境下低地球軌道航天器用暴露材料地面模擬試驗(yàn)的方法。

本實(shí)施方式所涉及的綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，可以在低地球軌道航天器用暴露材料中產(chǎn)生空間綜合環(huán)境效應(yīng)的試驗(yàn)方法，其應(yīng)用對(duì)象包括各類低地球軌道航天器用暴露材料。本實(shí)施方式基于選擇控制真空度、熱循環(huán)溫度范圍區(qū)間、太陽(yáng)紫外強(qiáng)度、粉塵尺寸大小及速度、原子氧能量及通量、電子能量及通量、質(zhì)子能量及通量，以及控制各環(huán)境因素的作用次序，可對(duì)低地球軌道航天器用暴露材料產(chǎn)生相同的損傷效果，達(dá)到低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬。

對(duì)于上述環(huán)境的綜合，粉塵尺寸大小及速度，電子和質(zhì)子的能量選擇特別關(guān)鍵。因?yàn)槿绻臻g粉塵能夠使得材料表面發(fā)生損傷或破裂，會(huì)對(duì)其他空間環(huán)境因素的作用產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。并且，需要電子及質(zhì)子能夠完全穿透低地球軌道航天器用暴露材料樣品。此外，需要保證電子及質(zhì)子輻照，在低地球軌道航天器用暴露材料樣品中產(chǎn)生均勻的損傷。為此，需要選擇合適的電子和質(zhì)子能量，使其射程超過(guò)低地球軌道航天器用暴露材料樣品厚度的2倍以上。速度為9km/s、尺寸為10um的粉塵撞擊光學(xué)玻璃時(shí)的示意圖，如圖1所示。電子及質(zhì)子在Teflon材料中的曲線如圖2所示。

為了進(jìn)一步說(shuō)明上述方式的合適性，將試樣選擇為Teflon材料，其厚度為100μm、面積為1cm×3cm。試驗(yàn)條件為真空條件下，真空度為10-3Pa。圖3給出了5MeV質(zhì)子、1MeV電子及熱循環(huán)共同作用的試驗(yàn)結(jié)果。圖3中熱循環(huán)條件為：溫度范圍為-100℃～+50℃、循環(huán)次數(shù)為200次、升降溫速率5℃/min。輻照條件為：1MeV電子輻照通量1e10e/cm2s、輻照面積20cm×50cm、輻照不均勻度小于5％；5MeV質(zhì)子輻照通量1e8p/cm2s、輻照面積2cm×20cm、輻照不均勻度小于5％。電子和質(zhì)子采取順序輻照方式，且與熱循環(huán)采用順序和同時(shí)作用方式。由圖3可以看出，不論順序作用還是同時(shí)作用，對(duì)聚合物材料造成的損傷程度相同。

圖4給出了粉塵、原子氧及1MeV電子共同作用的試驗(yàn)結(jié)果。圖中，1MeV電子的條件與圖3相同；粉塵物質(zhì)為Al球，其直徑為30μm，速度為8km/s；原子氧能量為5eV，輻照通量為1e15atoms/cm2s。粉塵、原子氧及1MeV電子采取順序作用的方式。由圖可見，粉塵和原子氧作用后，再進(jìn)行電子輻照時(shí)，會(huì)加劇電子輻照所造成的損傷。會(huì)造成加劇，和質(zhì)子采取順序輻照方式，且與熱循環(huán)采用順序和同時(shí)作用方式。并且，與先原子氧環(huán)境試驗(yàn)再粉塵環(huán)境試驗(yàn)相比，先粉塵環(huán)境試驗(yàn)再進(jìn)行原子氧環(huán)境試驗(yàn)后，進(jìn)行電子輻照時(shí)所造成損傷程度更大。