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原子權(quán)對(duì)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(duì)航天器的影響主要有:使結(jié)構(gòu)材料減薄、發(fā)生變形、強(qiáng)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(dòng)部件外露部分的潤(rùn)滑性能變化，影響活動(dòng);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(shí)放出的氣體可能加重附近表面的污染，反應(yīng)時(shí)伴生的發(fā)光、發(fā)熱改變航天器的熱控，或干擾測(cè)控。這些效應(yīng)將顯著影響航天器的性能和壽命。所以，對(duì)低軌道、長(zhǎng)壽命航天器表面用材進(jìn)行抗原子氧作用的評(píng)價(jià)、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(dá)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(yùn)動(dòng)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(duì)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(qiáng)的氧化劑，其氧化性能遠(yuǎn)大于分子氧。因此，原子氧對(duì)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(yáng)紫外線(xiàn)特別是短波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)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(shí)間成正比。單質(zhì)材料中只有碳、銀和俄反應(yīng)速度較快，會(huì)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(guò)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(huì)發(fā)生變化。
有機(jī)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(jī)聚合物低。
2.原子權(quán)效應(yīng)的評(píng)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(lái)表示。原子氧作用系數(shù)定義為每個(gè)原子氧使該材料表面體積的減小里，單位為cm3個(gè)。因此，原子氧作用系數(shù)越小，耐原子氧作用的能力越強(qiáng)。對(duì)于特定的功能材料，除原子氧作用系數(shù)外，還應(yīng)該測(cè)量其主要性能的變化。例如，對(duì)光學(xué)材料，應(yīng)該測(cè)A原子氧作用后太陽(yáng)反射率和半球發(fā)射率的變化，有時(shí)還應(yīng)該測(cè)量漫反射的變化;對(duì)熱控材料，應(yīng)該測(cè)量原子氧作用后太陽(yáng)吸收率和半球發(fā)射率的變化;對(duì)導(dǎo)電材料，應(yīng)該測(cè)量電導(dǎo)率的變化，特別是表面電導(dǎo)率的變化。 |
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