玻璃型鍍鋁二次表面鏡的模擬空間環(huán)境輻照試驗(yàn)研究

趙印中，李 林，許 旻，王潔冰，何延春，吳春華，左華平

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

1 引言

二次表面鏡又稱光學(xué)太陽反射鏡(Optical Solar Reflector，簡稱OSR)，是目前衛(wèi)星熱控涂層中很常用的一種熱控元件，廣泛應(yīng)用于空間各種飛行器的熱控分系統(tǒng)。OSR具有太陽吸收率低，熱發(fā)射率高的特點(diǎn)，其吸收－發(fā)射率比(αs/ε)可達(dá) 0.062，是目前吸收－發(fā)射率比最低的一種熱控涂層［1，2］。

OSR在使用時(shí)，粘貼于衛(wèi)星的外表面，用于控制、調(diào)節(jié)衛(wèi)星的內(nèi)部溫度。OSR調(diào)節(jié)星體溫度的能力主要依賴于本身的吸收－發(fā)射率比(αs/ε)。衛(wèi)星在空間運(yùn)行時(shí)，不可避免的受到空間帶電粒子以及紫外線的輻照，因此研究輻照對粘貼于衛(wèi)星外表面的OSR的吸收率以及發(fā)射率的影響，對航天器的熱設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值［2～4］。

OSR按照其反射膜的不同，可分為鍍銀和鍍鋁兩大類型。由于銀在太陽光譜段的反射率比鋁高，因此采用相同基底材料的鍍銀OSR要比鍍鋁OSR具有更低的吸收－發(fā)射率比。但是，由于兩者熱控性能差別不大，且鋁比銀與玻璃基底更容易結(jié)合牢固［5～7］，鍍膜工藝簡單、穩(wěn)定，因此鍍鋁OSR和鍍銀OSR都在衛(wèi)星上有應(yīng)用。

蘭州空間技術(shù)物理研究所對OSR已經(jīng)有20多年的研究歷史，對OSR的制備工藝、性能測試方法、空間穩(wěn)定性評價(jià)等方面的研究介紹已經(jīng)很多［3～9］，并且生產(chǎn)的鍍銀型產(chǎn)品已在我國的多顆衛(wèi)星上成功應(yīng)用。但是，以前報(bào)道介紹的主要是關(guān)于鍍銀OSR的，對于新開發(fā)的鍍鋁OSR的介紹還幾乎沒有。本文介紹的是蘭州空間技術(shù)物理研究所研制成功的鍍鋁OSR的模擬空間環(huán)境輻照試驗(yàn)情況。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)條件確定及依據(jù)

2.1.1 試驗(yàn)條件

(1)50 keV 電子，總輻照量為2.5×1016e/cm2，注量率 1×1011e/cm2·s，累計(jì)輻照 69.44 h;

(2)50 keV 質(zhì)子，質(zhì)子總輻照量為 2.5×1015p/cm2，注量率 1×1010p/cm2·s，累計(jì)輻照69.44 h。

(3)近紫外輻照量為3 000 ESH，以4倍左右輻照度連續(xù)輻照。

2.1.2 試驗(yàn)條件確定依據(jù)

對于帶電粒子的能量選擇，目前各國綜合輻照環(huán)境試驗(yàn)參數(shù)都有一定差異，但是共性趨勢是輻照帶電粒子以低能為主［10～12］。這主要是由于輻照樣品的材料厚度一般都很薄，高能粒子很容易穿過而對材料的影響變小。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)情況和設(shè)備條件，本次試驗(yàn)采用50 keV低能帶電粒子輻照，電子、質(zhì)子劑量大約相當(dāng)于地球同步軌道在軌15年所接受的劑量［10］。

對于紫外參數(shù)的確定，主要考慮到地面紫外輻照試驗(yàn)時(shí)由于存在熱效應(yīng)，加速倍數(shù)一般不能超過5倍，否則，試樣會(huì)因過熱而導(dǎo)致變色等變化，從而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，較大的紫外輻照劑量將要求較長的試驗(yàn)周期以及較高的試驗(yàn)成本。

根據(jù)國內(nèi)外以往紫外輻照試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)表明，無機(jī)材料受紫外輻照后，其性能的退化主要發(fā)生在3 000 ESH以內(nèi)，而后性能變化趨于平緩;另外，大部分熱控涂層，尤其是OSR的紫外退化均會(huì)較早趨于飽和［10］。因此綜合上述考慮，本次試驗(yàn)采用3 000 ESH的紫外輻照劑量，加速倍數(shù)為3～5倍。

2.2 試驗(yàn)的過程

本次評價(jià)試驗(yàn)的電子與質(zhì)子輻照采用在蘭州空間技術(shù)物理研究所的RHM型空間綜合環(huán)境模擬設(shè)備中進(jìn)行，紫外輻照在蘭州空間技術(shù)物理研究所的紫外輻照設(shè)備上進(jìn)行。

由于輻照設(shè)備均一次僅能輻照4片40 mm×40 mm的OSR，且輻照試驗(yàn)周期較長，為在較短的時(shí)間內(nèi)，獲得更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用了電子質(zhì)子輻照試驗(yàn)和紫外輻照試驗(yàn)分批次同時(shí)進(jìn)行的方式，輻照樣品也按輻照試驗(yàn)的不同，分別編號(hào)。具體的樣品編號(hào)見表1和表2。

由于電子質(zhì)子輻照試驗(yàn)采用的是2種不同粒子，為考察電子、質(zhì)子分別作用以及兩者綜合輻照作用時(shí)對OSR的影響，將第一批次采用電子質(zhì)子綜合輻照方式進(jìn)行，第二批次采用電子質(zhì)子先后輻照方式進(jìn)行。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，對于光學(xué)性能太陽吸收率(αs)，不僅在每次輻照試驗(yàn)的前后進(jìn)行測試，在每次試驗(yàn)過程中也選取幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測試，以觀測其變化趨勢;對于熱學(xué)性能半球發(fā)射率(εh)，僅選擇在每次輻照試驗(yàn)的前后進(jìn)行測試。這是由于以前的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，空間輻照對OSR的發(fā)射率影響不大，且測發(fā)射率容易劃傷OSR，故發(fā)射率只在每次輻照試驗(yàn)前后測。

表1 紫外試驗(yàn)樣品名稱、規(guī)格、數(shù)量及編號(hào)

表2 電子質(zhì)子試驗(yàn)樣品名稱、規(guī)格、數(shù)量及試驗(yàn)編號(hào)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 輻照對鍍鋁OSR太陽吸收率的影響

3.1.1 紫外輻照對鍍鋁OSR太陽吸收率的影響

表3是3000ESH紫外輻照前后鍍鋁OSR太陽吸收率的變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖1和圖2是紫外輻照過程中鍍鋁OSR太陽吸收率的變化曲線圖。

表3 3 000 ESH紫外輻照前后的鍍鋁OSR太陽吸收率變化統(tǒng)計(jì)

圖1 0.15 mm厚鍍鋁OSR紫外輻照時(shí)間 與太陽吸收率的變化曲線圖

圖2 0.20 mm厚鍍鋁OSR紫外輻照時(shí)間與太陽吸收率的變化曲線圖

可以看出:

(1)紫外輻照對鍍鋁OSR太陽吸收率的影響是使其逐步增大，3 000 ESH的紫外輻照可使摻鈰玻璃型鍍鋁OSR的太陽吸收率變化達(dá)到0.008～0.018，可使石英玻璃型鍍鋁OSR的太陽吸收率變化達(dá)到0.009～0.027。但其變化趨勢還是比較平緩的，總體變化幅度也都不是很大(不超過25%)，說明其耐紫外輻照性能比較好;

(2)相對而言，紫外輻照對石英玻璃型鍍鋁OSR的影響要比對摻鈰玻璃型鍍鋁OSR大，即紫外輻照使石英玻璃型鍍鋁OSR太陽吸收率變化要比摻鈰玻璃型鍍鋁OSR變化大;

(3)對于同種基底材料而言，0.15 mm和0.20 mm的厚度，對摻鈰鍍鋁OSR的耐紫外輻照性能影響不大，而對石英鍍鋁OSR的耐紫外輻照性能稍有影響，0.20 mm厚的石英鍍鋁OSR的耐紫外輻照性能比0.15 mm厚的稍差;

(4)對于相同材料、相同尺寸規(guī)格的鍍鋁OSR而言，導(dǎo)電型鍍鋁OSR要比非導(dǎo)電型鍍鋁OSR的耐紫外輻照性能稍差，這可能是由于輻照對導(dǎo)電型鍍鋁OSR的透明導(dǎo)電薄膜產(chǎn)生影響，使其透過率下降所致。

3.1.2 電子、質(zhì)子輻照對OSR太陽吸收率的影響

表4是電子、質(zhì)子輻照試驗(yàn)的鍍鋁OSR吸收率變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果;圖3是鍍鋁OSR電子質(zhì)子綜合輻照試驗(yàn)的太陽吸收率變化曲線圖。

表4 電子、質(zhì)子輻照試驗(yàn)前后的鍍鋁OSR性能變化統(tǒng)計(jì)

可以看出:

(1)總體來看，電子、質(zhì)子輻照對鍍鋁OSR的太陽吸收率有一定影響，使其總趨勢上逐步增大，但變化幅度都不是很大(最大10%左右)，除對0.20厚的石英OSR影響較大外，其他規(guī)格均影響較小。尤其是相對紫外輻照來說，影響要小的多，說明其耐電子、質(zhì)子輻照性能比較好;

(2)相比而言，導(dǎo)電與否、材料厚度對鍍鋁OSR的抗電子、質(zhì)子輻照能力影響不大;

(3)基底材料類型對鍍鋁OSR的抗電子、質(zhì)子輻照能力稍有影響。電子、質(zhì)子輻照對石英基底的鍍鋁OSR影響要比摻鈰基底的鍍鋁OSR影響要大，使石英基底的鍍鋁OSR 太陽吸收率增加0.04 ～0.012，使摻鈰基底的鍍鋁OSR太陽吸收率增加0.03～0.06;

(4)電子和質(zhì)子2種類型的輻照對鍍鋁OSR影響均比較小。因此，2種類型的輻照影響差別不大，且兩者分別先后輻照和綜合輻照后的影響也差別不大。

圖3 0.15導(dǎo)電摻鈰鍍鋁OSR電子質(zhì)子綜合輻照試驗(yàn)的太陽吸收率變化曲線

3.2 輻照對鍍鋁OSR半球發(fā)射率的影響

表5是鍍鋁OSR半球發(fā)射率(εh)在輻照試驗(yàn)前后的變化情況?？梢钥闯?，紫外輻照以及電子、質(zhì)子輻照對鍍鋁OSR半球發(fā)射率影響都不大，使半球發(fā)射率的變化最大僅為0.01，在儀器測量誤差之內(nèi)(±0.01)，可以認(rèn)為幾乎沒有變化。

表5 鍍鋁OSR半球發(fā)射率(εh)在輻照試驗(yàn)前后的變化情況

4 結(jié)論

作者通過對鍍鋁OSR分別進(jìn)行紫外輻照以及電子、質(zhì)子輻照，并結(jié)合太陽吸收率和半球發(fā)射率測試，研究了低能電子、質(zhì)子以及紫外輻照對OSR熱控性能的影響。通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析得出以下結(jié)論:

(1)總體來說，對于輻照試驗(yàn)，無論紫外輻照還是電子、質(zhì)子輻照，對鍍鋁OSR的影響主要是影響其太陽吸收率，而對其半球發(fā)射率性能影響都不大，可以認(rèn)為半球發(fā)射率幾乎沒有變化;

(2)不同輻照試驗(yàn)對鍍鋁OSR太陽吸收率的影響程度不同。相對而言，紫外輻照的影響要遠(yuǎn)大于電子、質(zhì)子輻照。電子、質(zhì)子輻照對鍍鋁OSR的影響有一定影響，但均不是很大，使其變化值僅在0.030～0.012之間，幅度最大約10%左右;而3 000 ESH的紫外輻照可使摻鈰玻璃型鍍鋁OSR的太陽吸收率變化達(dá)到0.008 ～0.027，幅度最大約25%左右;

(3)鍍鋁OSR在輻照試驗(yàn)過程中的吸收率變化趨勢均比較平緩，且總體變化幅度也都不大，說明其耐輻照性能比較好;

(4)就抗電子、質(zhì)子輻照能力而言，鍍鋁OSR導(dǎo)電與否對其影響不大;而基底材料類型稍有影響，相對而言，摻鈰基底的鍍鋁OSR比石英基底的鍍鋁OSR抗電子、質(zhì)子輻照能力要稍強(qiáng);

(5)就抗紫外輻照能力而言，導(dǎo)電與否、材料厚度以及基底材料類型都對鍍鋁OSR的抗紫外輻照能力有一定影響。且相對而言，導(dǎo)電型影響最大;基底材料類型影響稍大，即石英玻璃型鍍鋁OSR的影響要比對摻鈰玻璃型鍍鋁OSR大;而材料厚度，對摻鈰鍍鋁OSR的耐紫外輻照性能影響不大，而對石英鍍鋁OSR的耐紫外輻照性能稍有影響，即0.20 mm厚的石英鍍鋁OSR的耐紫外輻照性能比0.15 mm厚的稍差。

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