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原子權(quán)對航天器用材作用的效應(yīng)
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1.概述
原子氧的氧化作用對航天器的影響主要有:使結(jié)構(gòu)材料減薄、發(fā)生變形、強度下降;使光學(xué)材料的光學(xué)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(xué)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(xué)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(yīng)時伴生的發(fā)光、發(fā)熱改變航天器的熱控，或干擾測控。這些效應(yīng)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200kn、高度，其數(shù)密度為2.7*109cm-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(dāng)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里和方向的表面，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(guī)則，使原子氧在某些表面受到屏蔽、反射和散射，從而導(dǎo)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1OOOK---1500K范圍內(nèi)，即平均熱運動速率為1.15km/s-1.41 km/s。但由于航天器以8km/s高速飛行，原子氧與航天器之間有約8km/s的相對速度，相當(dāng)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(yán)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層以下的基體中，從而加重了原子氧的剝蝕效應(yīng)。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(yīng)。
原子氧與材料作用，主要是使材料氧化，導(dǎo)致性能變化。材料氧化導(dǎo)致質(zhì)里變化的程度與原子氧通量有關(guān)，即與大氣密度、軌道速度、暴露的時間成正比。單質(zhì)材料中只有碳、銀和俄反應(yīng)速度較快，會引起宏觀變化。原子氧與碳反應(yīng)生成揮發(fā)性氧化物;與銀反應(yīng)形成典型的氧化物并以剝落形式引起材料質(zhì)量損失，氧化速率與銀的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān);鋨通過形成高蒸氣壓的氧化物OSO4而損失質(zhì)量。一些金屬材料在原子氧作用下表面的光學(xué)和電學(xué)性能會發(fā)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(yīng)速率較大，而含氟聚合物、硅氧烷與原子氧的反應(yīng)速率則比其它有機聚合物低。
2.原子權(quán)效應(yīng)的評估方法
由于原子氧與材料作用的主要效應(yīng)之一是使材料的質(zhì)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(shù)來表示。原子氧作用系數(shù)定義為每個原子氧使該材料表面體積的減小里，單位為cm3個。因此，原子氧作用系數(shù)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(shù)外，還應(yīng)該測量其主要性能的變化。例如，對光學(xué)材料，應(yīng)該測A原子氧作用后太陽反射率和半球發(fā)射率的變化，有時還應(yīng)該測量漫反射的變化;對熱控材料，應(yīng)該測量原子氧作用后太陽吸收率和半球發(fā)射率的變化;對導(dǎo)電材料，應(yīng)該測量電導(dǎo)率的變化，特別是表面電導(dǎo)率的變化。 |
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