本文關(guān)鍵詞：原子氧效應(yīng)與探測(cè)研究

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【摘要】：原子氧是LEO軌道空間環(huán)境中性大氣最為豐富的元素,也是對(duì)軌道航天器影響最嚴(yán)重的因素之一。原子氧在太陽(yáng)紫外短波輻射下產(chǎn)生,其碰撞幾率極小,因此復(fù)合概率較小,占據(jù)了中性大氣環(huán)境的80%左右;其化學(xué)性質(zhì)活潑,相對(duì)飛行速度大,能量高。經(jīng)過(guò)多次在軌飛行試驗(yàn)證明,原子氧對(duì)航天器表面材料有明顯的剝蝕效應(yīng),暴露在航天器艙外的分系統(tǒng)在原子氧環(huán)境下效率顯著下降,因此研究原子氧通量及其對(duì)材料的剝蝕具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。本文在分析LEO軌道上原子氧產(chǎn)生的物理背景基礎(chǔ)上,對(duì)航天器表面遭遇的原子氧通量水平及其對(duì)典型材料的剝蝕速率進(jìn)行了仿真分析,給出了航天器不同飛行姿態(tài)不同方位處表面材料在不同太陽(yáng)活動(dòng)程度下的原子氧剝蝕情況。基于微量天平QCM的壓電效應(yīng),設(shè)計(jì)并研制了能實(shí)時(shí)就位監(jiān)測(cè)航天器表面原子氧通量及材料的剝蝕效應(yīng)綜合探測(cè)器。研究了不同工藝條件下晶片表面薄膜涂層的性能,并初步固化了晶片表面涂覆薄膜的相關(guān)工藝條件。對(duì)石英晶片表面涂覆的薄膜進(jìn)行了納米材料尺度的性能檢測(cè),包括厚度、表面形貌、力學(xué)性能、薄膜與基底的結(jié)合力等,以及涂覆薄膜在熱交變和真空環(huán)境下薄膜的穩(wěn)定性等性能。地面測(cè)試結(jié)果表明石英晶片表面涂覆薄膜性能穩(wěn)定,能承受空間環(huán)境考核。最后在空間中心專用定標(biāo)系統(tǒng)上進(jìn)行了傳感器表面感測(cè)質(zhì)量能力的校準(zhǔn),結(jié)果表明傳感器感測(cè)微小質(zhì)量變化能實(shí)時(shí)反應(yīng)到科學(xué)參數(shù)輸出上。條件允許情況下將在地面原子氧模擬裝置上進(jìn)行傳感器感測(cè)原子氧通量和材料剝蝕能力的標(biāo)定。該探測(cè)器研制成功后將用于某型號(hào)艙外材料暴露裝置中,作為其無(wú)源材料暴露裝置的重要補(bǔ)充部分,可實(shí)時(shí)就位監(jiān)測(cè)原子氧剝蝕效應(yīng)。后續(xù)還可將該儀器進(jìn)一步小型化設(shè)計(jì),使其可靈活應(yīng)用到LEO軌道航天器原子氧監(jiān)測(cè)平臺(tái)上。同時(shí)也可開(kāi)展防護(hù)材料的原子氧效應(yīng)研究,開(kāi)展正在應(yīng)用的防護(hù)材料和以后可能應(yīng)用到的原子氧自愈型材料在軌試驗(yàn)研究,為我國(guó)航天器LEO軌道原子氧效應(yīng)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：原子氧通量 原子氧剝蝕 仿真 石英微量天平 涂覆薄膜 標(biāo)定
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V520
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-16
• 第一章 引言16-18
• 第二章 國(guó)內(nèi)外研發(fā)動(dòng)態(tài)和研究方法18-42
• 2.1 國(guó)內(nèi)外研發(fā)動(dòng)態(tài)18-36
• 2.1.1 LDEF長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)18-20
• 2.1.2 STS航天飛機(jī)短期暴露試驗(yàn)20-21
• 2.1.3 Mir空間站POSA試驗(yàn)和OPM試驗(yàn)21-22
• 2.1.4 ISS空間站MEDET試驗(yàn)22
• 2.1.5 ISS空間站材料試驗(yàn)MISSE 1-822-33
• 2.1.6 REFLUX用TQCM涂覆石墨測(cè)量原子氧通量33-35
• 2.1.7 STRV-1a探測(cè)試驗(yàn)35-36
• 2.2 原子氧與材料相互作用的研究方法36-41
• 2.2.1 計(jì)算模型與數(shù)值模擬研究36-38
• 2.2.2 地面模擬試驗(yàn)38-39
• 2.2.3 空間飛行試驗(yàn)39-41
• 2.3 小結(jié)41-42
• 第三章 物理背景分析42-53
• 3.1 LEO軌道原子氧的形成和出現(xiàn)42-43
• 3.2 原子氧數(shù)密度動(dòng)態(tài)變化特性43-46
• 3.2.1 實(shí)測(cè)原子氧數(shù)密度隨地方時(shí)變化44
• 3.2.2 實(shí)測(cè)原子氧數(shù)密度隨F10.7 的變化44-45
• 3.2.3 實(shí)測(cè)原子氧數(shù)密度對(duì)地磁活動(dòng)程度的變化45-46
• 3.3 原子氧與材料相互作用效應(yīng)分析46-50
• 3.4 聚合物材料在航天器上的典型應(yīng)用50-52
• 3.5 小結(jié)52-53
• 第四章 原子氧對(duì)航天器表面材料剝蝕效應(yīng)仿真研究53-80
• 4.1 仿真內(nèi)容53
• 4.2 仿真計(jì)算方法53-57
• 4.2.1 原子氧通量計(jì)算方法53-55
• 4.2.2 原子氧累積總量計(jì)算方法55
• 4.2.3 表面材料剝蝕速率計(jì)算方法55-56
• 4.2.4 表面材料累積剝蝕厚度量計(jì)算方法56-57
• 4.3 仿真計(jì)算流程57
• 4.4 仿真輸入?yún)?shù)及結(jié)果形式57-60
• 4.4.1 原子氧數(shù)密度57-58
• 4.4.2 航天器速度58
• 4.4.3 航天器攻角58
• 4.4.4 表面材料原子氧反應(yīng)系數(shù)58-59
• 4.4.5 仿真結(jié)果形式59-60
• 4.5 仿真用例60-62
• 4.6 仿真用例計(jì)算結(jié)果62-78
• 4.6.1 用例 1：航天器表面原子氧通量仿真結(jié)果63-67
• 4.6.2 用例 7：航天器運(yùn)行1年表面原子氧累積總量仿真結(jié)果67-71
• 4.6.3 用例 8：航天器表面材料剝蝕速率仿真結(jié)果71-75
• 4.6.4 用例 14：航天器運(yùn)行1年表面材料剝蝕厚度仿真結(jié)果75-78
• 4.7 仿真結(jié)果的正確性比對(duì)78-79
• 4.8 小結(jié)79-80
• 第五章 原子氧效應(yīng)綜合探測(cè)器設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究80-103
• 5.1 探測(cè)目標(biāo)80
• 5.2 探測(cè)內(nèi)容80-81
• 5.3 主要技術(shù)指標(biāo)81-83
• 5.3.1 探測(cè)科學(xué)指標(biāo)81-83
• 5.3.2 工程技術(shù)指標(biāo)要求83
• 5.4 探測(cè)器整體設(shè)計(jì)83-86
• 5.5 工作原理86-88
• 5.5.1 表面污染物質(zhì)沉積質(zhì)量及速率監(jiān)測(cè)86-87
• 5.5.2 原子氧通量及典型材料原子氧剝蝕效應(yīng)監(jiān)測(cè)87-88
• 5.6 傳感器設(shè)計(jì)88-92
• 5.6.1 選材與設(shè)計(jì)89-91
• 5.6.2 工藝與生產(chǎn)91-92
• 5.7 電子學(xué)設(shè)計(jì)92-94
• 5.8 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)94-101
• 5.8.1 傳感器表面穩(wěn)定覆膜技術(shù)94-98
• 5.8.2 傳感器穩(wěn)定起振技術(shù)98-101
• 5.9 儀器電子學(xué)性能101-102
• 5.10小結(jié)102-103
• 第六章 探測(cè)器特性測(cè)試和檢驗(yàn)分析103-112
• 6.1 涂層厚度檢測(cè)103-104
• 6.2 涂層表面形貌檢測(cè)104-106
• 6.3 涂層力學(xué)性能測(cè)試106-108
• 6.4 涂層與基底結(jié)合力測(cè)試108-111
• 6.5 涂層穩(wěn)定性測(cè)試分析111
• 6.6 小結(jié)111-112
• 第七章 探測(cè)器標(biāo)定112-118
• 7.1 質(zhì)量沉積傳感器標(biāo)定112-117
• 7.1.1 標(biāo)定方法112-113
• 7.1.2 標(biāo)定系統(tǒng)113-116
• 7.1.3 主要特性的地面初步測(cè)試結(jié)果116-117
• 7.2 小結(jié)117-118
• 第八章 總結(jié)與展望118-120
• 8.1 創(chuàng)新點(diǎn)118-119
• 8.2 科學(xué)與工程應(yīng)用價(jià)值119
• 8.3 前景與展望119-120
• 參考文獻(xiàn)120-127
• 博士在學(xué)期間發(fā)表論文127-128
• 承擔(dān)課題及申請(qǐng)專利128-129
• 致謝129

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