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超低軌衛(wèi)星環(huán)境效應(yīng)研究也會(huì)用到超微量天平?

來源:環(huán)境技術(shù) 瀏覽 342 次 發(fā)布時(shí)間:2024-07-23

超低軌道距離地球表面一般在400 km以下,在該軌道運(yùn)行的衛(wèi)星稱為超低軌衛(wèi)星。由于運(yùn)行軌道高度低,超低軌衛(wèi)星常用于軍事偵察以及科學(xué)探測,是最具威脅和殺傷力的超級(jí)“間諜”,與一般航天器相比,超低軌衛(wèi)星成像質(zhì)量高、探測數(shù)據(jù)精確,是美國、俄羅斯等航天大國關(guān)注的焦點(diǎn)。


本文重點(diǎn)關(guān)注超低軌衛(wèi)星空間環(huán)境效應(yīng)方面的研究進(jìn)展,以期對(duì)我國超低軌衛(wèi)星的研制及環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估提供參考。


超低軌衛(wèi)星環(huán)境效應(yīng)研究


超低軌空間環(huán)境效應(yīng)的研究。一方面,超低軌道環(huán)境的特殊勢(shì)必造成衛(wèi)星材料及器件的新效應(yīng),在衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)時(shí)需考慮到新的環(huán)境效應(yīng)的種類及影響程度,必須通過地面試驗(yàn)或空間搭載試驗(yàn)對(duì)材料及器件的超低軌環(huán)境效應(yīng)適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證。另一方面,目前,我國還沒有超低軌環(huán)境的實(shí)測數(shù)據(jù),借助于超低軌衛(wèi)星可以開展相關(guān)環(huán)境探測工作,為環(huán)境模型建立積累數(shù)據(jù)。


1、超低軌環(huán)境


眾所周知,低地球軌道氣體主要成分是原子氧,占地軌道氣體總數(shù)的80%以上,而超低軌氣體環(huán)境與低軌有很大不同,其成分主要是分子氮(N)和原子氧(O)。表1給出了不同軌道高度下大氣組分密度的變化,從表中明顯看出,在400 km軌道,原子氧(O)的密度為1.0E+8 cm-3,比分子氮(N)密度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)4.99E+6 cm-3;而在00 km軌道,原子氧(O)的密度為4.E+9 cm-3,分子氮(N)密度與其在同一數(shù)量級(jí)3.05E+9 cm-3。


2、空間搭載試驗(yàn)


日本計(jì)劃在SLATS衛(wèi)星上搭載環(huán)境效應(yīng)探測器,進(jìn)行空間環(huán)境的監(jiān)測及材料暴露試驗(yàn),這是首次在50 km軌道上開展材料暴露試驗(yàn)。該暴露試驗(yàn)通過兩個(gè)搭載模塊實(shí)施,分別為MDM-S和MDM-C(MDM為MateriasDegradation Monitor的縮寫),其中MDM-S是一個(gè)包含9種材料被動(dòng)暴露試驗(yàn)的樣品盒,而MDM-C是CCD,用于對(duì)暴露試驗(yàn)中樣品的退化情況進(jìn)行拍照。

表1不同軌道高度下大氣組分密度(MSISE-90計(jì)算)


2.1原子氧通量探測器


通過AOFS(Atomic Oxygen Fluence Sensor)監(jiān)測原子氧通量。AOFS由8個(gè)覆蓋有聚酰亞胺薄膜的熱電石英晶體微量天平TQCMs(Thermoelectric Quartz Crystal Microbalances)組成。TQCMs熱電石英晶體微量天平安裝在SLATS結(jié)構(gòu)外部,通過測試聚酰亞胺薄膜的質(zhì)量損失計(jì)算原子氧通量。


2.2.材料降解監(jiān)視器


材料降解監(jiān)視器(MDM,Material Degradation Monitor)由材料樣品及光學(xué)相機(jī)組成,其中材料樣品包括常規(guī)衛(wèi)星外部材料及未來抗原子氧新型材料組成。監(jiān)視器定位在SLATS飛行方向上的底面,光學(xué)相機(jī)用于對(duì)樣品進(jìn)行拍照。


SLATS衛(wèi)星的軌道任務(wù)如下:


1)68~430 km變軌(時(shí)間較短);

圖1 SLATS衛(wèi)星探測載荷位置

圖1 MDM-S和MDM-C結(jié)構(gòu)圖


)430~50 km緩慢變軌(450天);


3)50~0 km變軌(速度約10 km/周);


4)0 km運(yùn)行50天;


5)0~180 km變軌(速度約10 km/周)。


根據(jù)上述輸入,采用MSISE 90模型計(jì)算了O與N的積分通量,478天任務(wù)時(shí),原子氧積分通量為1.3E+/cm;348天任務(wù)時(shí),N的積分通量為8.9E+0/cm。依據(jù)MISSE-中FEP原子氧侵蝕率的結(jié)果可以推算超低軌N對(duì)FEP的侵蝕率為.8E-4 cm3/atom,大于O對(duì)FEP的侵蝕率為1.9E-5 cm3/atom。


3、地面模擬試驗(yàn)


超低軌空間環(huán)境主要是中性大氣環(huán)境,主要成分是分子氮(N)和原子氧(O)。目前,關(guān)于原子氧地面模擬試驗(yàn)方面的研究較多,而分子氮及其它環(huán)境效應(yīng)方面的研究較少。


3.1原子氧效應(yīng)


原子氧是00~700 km的軌道大氣的主要成分,原子氧不僅具有很強(qiáng)的氧化性,而且當(dāng)航天器以7~8 km/s的速度在軌運(yùn)行時(shí),原子氧相對(duì)于航天器具有4~5 eV的平均動(dòng)能,因此當(dāng)原子氧撞擊到航天器外表面時(shí),會(huì)造成表面材料的質(zhì)量和厚度損失、表面形貌的變化,力學(xué)、熱光學(xué)性能也會(huì)受到不同程度的影響。此外原子氧剝蝕產(chǎn)物還會(huì)對(duì)光學(xué)器件、熱控涂層、太陽電池陣等部件表面帶來污染,這些都會(huì)影響到航天器的正常運(yùn)行并縮短其使用壽命。美國、俄羅斯、歐空局、加拿大、日本等國家建立了多個(gè)地面模擬試驗(yàn)設(shè)備,并對(duì)大量空間材料開展了原子氧效應(yīng)試驗(yàn)研究,獲取的豐富的原子氧效應(yīng)數(shù)據(jù),為國外航天器的研制做出了重要的貢獻(xiàn)[,3]。


3.2分子氮效應(yīng)


為研究分子氮(N)對(duì)超低軌衛(wèi)星表面材料及組件性能的影響,必須借助地面模擬試驗(yàn)系統(tǒng),日本及美國的研究者均利用激光解離原理建立了分子氮?dú)怏w撞擊地面模擬設(shè)備[4,5]。同時(shí)由于分子氮和惰性氣體與材料表面的作用均以物理濺射為主,因此,國外學(xué)者主要關(guān)注惰性氣體對(duì)材料性能的影響。日本的M.Tagawa利用激光解離設(shè)備研究了Ar對(duì)材料性能的影響,研究對(duì)象為聚酰亞胺薄膜和氟化聚合物薄膜,材料的質(zhì)量損失由石英晶體微量天平原位測量。研究結(jié)果表明,Ar中性束的撞擊對(duì)聚酰亞胺薄膜質(zhì)量的影響不大,而對(duì)氟化聚合物薄膜的影響較大,由于Ar的撞擊能低于超低軌道中N的撞擊能,因此筆者認(rèn)為N的撞擊會(huì)導(dǎo)致超低軌衛(wèi)星表面氟化聚合物薄膜的嚴(yán)重侵蝕[6]。


3.3激波等離子體效應(yīng)


當(dāng)飛行器高速運(yùn)行時(shí),一般速度達(dá)到5~16 Ma之間,與大氣強(qiáng)烈作用,在頭部形成弓形脫體激波,波后氣體壓強(qiáng)、溫度急劇升高,使大氣解離、電離,在飛行器周圍形成等離子體包覆流場,稱為激波等離子體。等離子體會(huì)和大氣中的N、O共同作用,對(duì)飛行器表面材料產(chǎn)生影響。同時(shí),等離子體的產(chǎn)生還會(huì)附帶輝光效應(yīng),降低航天器上光學(xué)設(shè)備的觀測能力。目前,超低軌激波等離子體及其附帶環(huán)境影響較為復(fù)雜,國內(nèi)外在這方面研究較少,亟需開展系統(tǒng)深入研究。


結(jié)論


1)超低軌衛(wèi)星由于其在偵察方面的優(yōu)勢(shì),在軍事及科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊,美國、俄羅斯、日本等國先后均研制了超低軌衛(wèi)星。


)超低軌衛(wèi)星的空間環(huán)境效應(yīng)方面國外主要關(guān)注的焦點(diǎn)在于原子氧(O)與分子氮(N)的影響。日本通過SLATS衛(wèi)星已經(jīng)開始超低軌環(huán)境效應(yīng)搭載試驗(yàn)研究。我國超低軌衛(wèi)星的空間環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)也需關(guān)注原子氧(O)與分子氮(N)的效應(yīng)。


3)對(duì)于超低軌衛(wèi)星來說,激波等離子體環(huán)境也是由于稠密大氣誘發(fā)的一種次生環(huán)境,激波等離子體和原子氧(O)、分子氮(N)的共同作用會(huì)對(duì)超低軌衛(wèi)星外露材料及組件產(chǎn)生更加復(fù)雜的影響,需要進(jìn)一步深入研究。