航天器的原子氧防护

航天器的原子氧防护 摘要 在近地轨道 飞行的航天器上的材料将会 由于与大气层 中的原子乳发生反 应而损耗 。 甘于在轨道上停留时间较长的空间站 而言 , 原子氧防护将成为一个关健 性 问 。 本文报道 了美国航天飞机有关材料暴露试验的结果 , 明材料损耗随原子 乳通量 而 变化 , 与 大气密度等多种因素有关 。 同时也指 出 了研制氧原子防护涂层 的 必要技术途径 。 航天材杆 , 航天器环境 , 原子氧 , 航天器 载试验 , 防护 原子氧是近地轨道上稀薄大气层的基本 组分 。 已经发现 , 美国航天飞机早期执行飞 行任务返回后 , 那些暴露于原子氧中的材料 已发生变质 、 耗损 。 航天飞机在天空停留时 何不算太长 , 尚不致受到原子氧 的 显 著 影 响 , 而空间站停留时间较长 , 、其薄壁结构元 件将会更易受到原子氧的损害。 虽然在航天器的典型飞行高度 �� � !�� 公里范围以内原子氧密度很小 , 但是由于航 天器是以很高的轨道速度掠过大气层的 , 足 以与原子氧充分发生反应 , 使 多 种 材 料变 质 。 有些近地轨道飞行器如空间站预计可在 空间停留 ∀! �� 年 , 这样 , 一 些 轻重量结 构 , 如太阳电池帆板就需要涂上防护涂层 , 否则这些构件几乎会在轨道上消失掉。 原子氧是一种强氧化剂 , 因而 , 以大于 # � � �米每秒的轨道速度连续暴露在原子氧中 的有机材料表面将会受到严重损害。 航天飞 机早期飞行后对轨道器货舱表面和其它结构 件的检查表明, 在无隔热层表面的温控涂层 和货舱电视摄像机的防热层均发生了变质现 象 。 摄像机防热层的凯普顿 ∃% & ∋ ( 。动 薄 膜 , 原是有光泽的珑拍色变成了无光泽的淡 黄色 , 而且表层有纹路 , 显示出原子氧轰击 的方向 。 白色温控涂层和黄色的标记涂层也 都失去了原有的光泽。 在航天飞机第) ∗ )一�次飞行时所进行的 等离子试验中, 从两个试验金属球上可观察 到更为显著的影响 + 涂在两个球顶部的称为 悬浮石墨粉 ∃, − . / 0 &幼 的碳悬浮涂层竟然 完全消失 。 在航天飞机第) ∗ )一1次飞行中, 材料试样也呈现类似的破坏 + 聚酞胺材料变 薄 , 碳和饿的薄膜完全脱离基底 , 导电银财 变成了非导 电的氧化物 。 在航天飞机第 ) ∗ )一! 和第 ) ∗ ) 一 # 次飞 行时进行的材料试验中, 获得了儿乎所有的 原子氧与各种材料表面反应的定性结果和用 于定量分析的反应速度数据。 试验发现 , 材 料的损耗是随着给定时间内撞击单位表面积 的氧原子数 , 即随原子氧通量而变化的 , 而 原子氧通量与大气密度 、 轨道速度 、 表面相 对于速度矢量的方位角和暴露时间成正比 。 航天飞机在第 )∗ ) 一! 次和第 ) ∗ )一 # 次 飞行中分别携带约2� 个和 � �� 多个试样 , 飞 行后对暴露表面进行了从质量表面形貌直到 表面化学变化的各种测 量 ∃见 图3 。 结果表 明 , 金属材料的反应程度低于非金属材料 。 在航天飞机这两次飞行时所进行的4� 多 种金属材料表面暴露试验中 , 仅碳 、 银和饿 三种材料试样表面与原子氧的 反 应 速 度较 一 � 4 一 厘米 , 。 石墨“环氧复合材料构件 的总后退量 5 年后将达到 � 6 �� 厘米, �� 年后将达到� 6 �7 厘米 。 由于这些构件的壁厚估计为 � 6 ∀! 厘米 左右 , 在 �� 年后将减薄一半 。 因此 , 需研制 原子氧防护涂层 。 轻重量的聚酞亚胺太阳电池帆板部件 , 由于暴露在原子氧中产生了更 为 严 重 的间 题 。 对于典型的太阳电池帆板基底材料凯普 顿而言 , 假定反应效率为 � 8 ∀ �一 , ‘厘米9 原 子 , 那末每个太阳周期的表面后 退 量 约为 # 火 ∀� 一 , 厘米。 这样 , 在 5 年中, 一个典型 的柔性光电系统基座将要消失殆尽 。 如果太 阳电池帆板背面也暴露的话 , 那末凯普顿材 料的消失速度就为原来的两倍半 。 为了对原子氧敏感的材料进行防护 , 目 前正在研制各种各样的涂层 。 含氟聚合物或 与微量聚 四氟乙烯共沉积的金属氧化物 , 将 直接用于空间结构如聚酞胺太阳电池帆板的 基底 。 一些金属化薄膜也会用来防护复合材 料管 , 具有适宜光学性能的光学转换涂层将 成为主体构件的组成部分 。 为了对长期工作的卫星等近地轨道飞行 器的防护系统进行优化 , 必须通过航天 飞机的飞行试验和利用各种地面设施 , 扩大 现有的近地轨道上原子氧与材料反应的有限 的数据库。 目前 , 空间站的设计已经迫在眉 捷 , 因此对原子氧与材料反应的认识将成为 一个关键性的因素。 衰 各种有机材料与旅子妞的反应效率 ∃: ∀ � 一 4‘厘米 , ;原子3 帆普顿∃% & <(/ 5 3 聚酮薄膜 泰得拉∃∗ / 0=& . 3 聚乙始 聚甲蒸丙始酸甲幽∃<>> , 3 聚跳亚胺 聚枫 ∀� 1 �? 环氧 2 4� # ; ∗ ≅� � 环氧 特氟隆 ∃聚四氟乙烯 3 特氟隆 〔氛化乙始高聚物3 Α � 6 � ! Α � 6 � ! 6 数据取自航天飞机第 ! ∗ )一#次飞行的试验 , − . / ≅< & − − , Β − . Χ− & , ∀ 7 # 2 6 Δ << 6 � 4 � ! 韩鸿硕 译 王晓峨 校 ∃上接第∀2 页3 础和经济基础作出明智的选择。 就目前发展 倾向看 , 先采用双级较为合适 。 四 、 结 论 从以上分析看 , 下一代天地往返运输系 统的发展 , 似乎应着眼于演进 , 而不立足于 创新, 预计会按以下阶段发展 + ∀ 6 近期 ∃∀ 7 # Δ ∀ 7 7 !年3 研制火箭发 动机助推级和氢氧火箭发动机轨道级的两级 垂直发射的火箭或火箭飞机方案Ε 或者研制 亚音速燃烧吸气发动机助推飞机和氢氧火箭 发动机轨道级的两级水平起落运载器 , 4 6 中期 ∃4 7 7 ! 4 � ∀ �年3 研制双燃料 火箭发动机垂直发射 、 水平着陆单级火箭飞 6 机 , 或者双级水平起落 、 超音速燃烧吸气发 Φ 动机助推飞机和火箭动力装置的轨道级 , � 6 远期 ∃4 � ∀ �年以后3 研制单级水平 起落 、 双燃料火箭发动机运载器或研制单级 水平起落吸气一火箭组合发 动机 的 空 天 飞 机 。 一 � 1 一