空間站原子氧環(huán)境仿真研究

翟睿瓊，姜海富，田東波，姜利祥，楊東升，安晶

(1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094;2.北京空間技術(shù)研制試驗(yàn)中心，北京100094)

航天技術(shù)的發(fā)展日新月異，空間站等大型長(zhǎng)壽命低軌道航天器的研制對(duì)國(guó)防建設(shè)及國(guó)家科技水平的提升都具有重要意義。低軌道航天器在軌期間可能遭受原子氧、熱循環(huán)、紫外輻照、帶電粒子輻射等空間環(huán)境的作用［1—5］。

原子氧是低地球軌道大氣的主要成分，其含量大約占中性大氣的80%［6］。原子氧由太陽(yáng)紫外線分解氧分子而產(chǎn)生，隨著軌道高度、軌道傾角、太陽(yáng)活動(dòng)周期與季節(jié)等的不同而異。原子氧自身在低地球軌道環(huán)境中的密度并不高，靜態(tài)環(huán)境下其影響是可以忽略的，但當(dāng)航天器以8 km/s左右的速度沿軌道飛行時(shí)，原子氧撞擊的束流密度可達(dá)1013～1015atoms/(s·cm2)。在如此高的撞擊速度下，原子氧的平均撞擊能約為5 eV［7］，這一能量足以使許多材料的化學(xué)鍵斷裂并發(fā)生氧化。同時(shí)，由于原子氧自身具有極強(qiáng)的氧化性，它會(huì)造成材料表面的氧化剝蝕，使材料產(chǎn)生質(zhì)量損失，進(jìn)而引起性能退化。原子氧對(duì)有機(jī)材料的腐蝕作用還會(huì)生成可凝性氣體揮發(fā)物，進(jìn)而污染衛(wèi)星上的光學(xué)儀器及其他設(shè)備［8—10］。

我國(guó)未來(lái)的空間站將在低地球軌道長(zhǎng)期運(yùn)行，因此，開(kāi)展原子氧環(huán)境仿真研究具有重要的工程意義。

1 原子氧密度計(jì)算分析

1.1 原子氧環(huán)境分析

假定空間站軌道方案是傾角為42°～43°，高度為400 km的近圓軌道。該軌道空間中性大氣中氧原子占主要成份，其含量約占80%左右，如圖1所示。

圖1 低軌道中性大氣各組分密度分布Fig.1 Density distribution of the neutral atmosphere components in LEO

影響地球高層大氣中原子氧密度的因素眾多，主要有軌道高度、太陽(yáng)活動(dòng)、地磁活動(dòng)、地球公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)及經(jīng)緯度等。

目前用于高層大氣密度分析的主要模型有MSISE模型、MET模型等，這些模型的主要輸入?yún)?shù)為時(shí)間、高度、經(jīng)緯度、F10.7、Ap等，計(jì)算結(jié)果有一定的偏差，但一般小于10%。

本研究分析工作使用國(guó)際上常用的MSISE 90模型。

1.2 任務(wù)期間原子氧密度分析

目前，空間站暫定于2020年發(fā)射，在軌時(shí)間約20年。壽命期內(nèi)原子氧平均密度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 壽命期內(nèi)空間站任務(wù)環(huán)境原子氧密度計(jì)算結(jié)果Table 1 AO density computation results of the ISSworking environment

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，若2020年發(fā)射，空間站20年壽命期內(nèi)所經(jīng)受的大氣環(huán)境中原子氧的平均密度為1.20×108cm-3，各年份原子氧平均密度如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)，2021年、2022年原子氧通量密度為2.50×108cm-3，處于高峰值;2026—2029年原子氧通量密度相對(duì)較低，大致在3×107cm-3，空間原子氧密度也顯現(xiàn)出11年的周期性變化。

圖2 空間站在軌各年份原子氧平均密度Fig.2 Average AO densities of the ISS orbit in each year

2 航天器表面原子氧積分通量分析

空間站不同的外表面與飛行方向有著不同的攻角，因此原子氧與之發(fā)生撞擊的通量密度與積分通量也不盡相同。

根據(jù)定義，某一個(gè)面上的原子氧積分通量為通量密度在時(shí)間范圍內(nèi)的卷積分，通量密度由大氣的數(shù)密度與原子氧撞擊的平均速度計(jì)算獲得。

應(yīng)該注意的是，假設(shè)定義粒子的入射方向?yàn)閤軸，如圖3所示，只有當(dāng)vx≥0時(shí)才對(duì)平均速度進(jìn)行計(jì)算。

圖3 原子氧對(duì)航天器表面撞擊示意Fig.3 Schematic diagram of AO impact on the surface of spacecraft

原子氧的平均速率的計(jì)算公式為:

粒子的速度是由動(dòng)力學(xué)速度(aerodynamic velocity)和熱運(yùn)動(dòng)速度(thermalmotion)兩部分矢量求和得出的。即:

高層大氣中的粒子熱運(yùn)動(dòng)服從Maxwellian分布，速度方向分布服從各向同性。

若f(ui)是速率為ui的概率，則:

式中:um為熱運(yùn)動(dòng)速率;ui為x，y或z方向的熱運(yùn)動(dòng)速率分量。

大氣的熱運(yùn)動(dòng)速率um又可由下述公式獲得:

式中:T為大氣的環(huán)境溫度，K;R為常量，R= 314 J/(kmol·K);M為分子的質(zhì)量濃度，g/mol;

動(dòng)力學(xué)速度為大氣自旋速度與航天器速度的矢量和為:

3 空間站運(yùn)行軌道空間原子氧積分通量分析

3.1 空間站構(gòu)型

根據(jù)空間站構(gòu)型設(shè)計(jì)，應(yīng)用ENVIPACK軟件對(duì)空間站構(gòu)型進(jìn)行建模。依照空間站初步方案，未來(lái)空間站由核心艙、節(jié)點(diǎn)艙、實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ、實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ、神舟飛船、貨運(yùn)飛船組成，如圖4所示。核心艙、實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ、實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ、神舟飛船通過(guò)節(jié)點(diǎn)艙對(duì)接，貨運(yùn)飛船與核心艙尾部對(duì)接。經(jīng)過(guò)整體構(gòu)型網(wǎng)格化設(shè)置，空間站各艙體共設(shè)置網(wǎng)格化節(jié)點(diǎn)2924個(gè)，如圖5所示，規(guī)則結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化相對(duì)疏松，不規(guī)則區(qū)域相對(duì)密集。

3.2 任務(wù)環(huán)境輸入條件

假設(shè)空間站飛行軌道高度為400 km，軌道傾角為43°，2020年發(fā)射升空，在軌飛行20年。該軌道星下點(diǎn)軌跡(10軌)如圖6所示。

4 空間站運(yùn)行軌道空間原子氧積分通量分析

圖4 空間站構(gòu)型建模Fig.4 Modeling of the ISS configuration

圖5 空間站構(gòu)型網(wǎng)格化Fig.5 Gridding of the ISS configuration

圖6 空間站在軌運(yùn)行星下點(diǎn)軌跡示意Fig.6 Ground track of the ISS in orbit

本研究以年為單位，對(duì)空間站壽命期內(nèi)各年份“途經(jīng)”的空間位置處原子氧密度平均值、迎風(fēng)方向/撞擊平均束流密度/劑量進(jìn)行分析。

以空間站軌道、發(fā)射時(shí)間及在軌壽命等參數(shù)為輸入，利用MSISE90模型進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 壽命期內(nèi)空間站經(jīng)受的原子氧積分通量計(jì)算結(jié)果Table 2 Computation results of the AO flux attacking the ISS within its lifetime

通過(guò)應(yīng)用ENVIPACK軟件對(duì)空間站在軌期間原子氧積分通量進(jìn)行仿真計(jì)算，空間站在軌運(yùn)行20年后，各個(gè)表面所遭受的原子氧積分通量如圖7所示。

圖7 空間站在軌20年各處表面原子氧積分通量仿真結(jié)果Fig.7 Simulation resultof the AO flux attacking the ISS for 20 years

5 結(jié)論

對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論。

1)迎風(fēng)方向上原子氧撞擊累計(jì)劑量最高，達(dá)到5.79×1022atoms/cm2左右，主要出現(xiàn)在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙的迎風(fēng)方向上和太陽(yáng)帆板上。

2)實(shí)驗(yàn)艙相對(duì)原子氧撞擊方向夾角β在0°～90°范圍內(nèi)的表面，以及節(jié)點(diǎn)艙前端面遭受原子氧作用劑量在2×1022atoms/cm2左右。

3)載人飛船、核心艙以及貨運(yùn)飛船表面由于基本平行于飛行方向，也即基本平行于原子氧束流方向，因而其表面遭受原子氧劑量小于1×1022atoms/cm2。

4)實(shí)驗(yàn)艙相對(duì)原子氧撞擊方向夾角β在90°～180°范圍內(nèi)的表面基本不受原子氧影響(背風(fēng)面)。

［1］ CONNELL JW，YOUNG P R.The Effects of Low Earth Orbit Exposure on Some Experimental Fluorine and Silicon-containing Polymer［C］//NASA Goddard Space Flight Center，the 18th Space Simulation Conference: Space Mission Success Through Testing.1994:157—175.(余不詳)

［2］ 都亨，葉宗海.低軌道航天器空間環(huán)境手冊(cè)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1996.DU Heng，YE Zong-hai.Handbook for Spacecraft Traveling in Low Orbit［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1996.

［3］ 姜利祥，李濤，馮偉泉，等.原子氧環(huán)境下磁力矩器用聚合物材料的質(zhì)損和紅外光譜分析［J］.航天器環(huán)境工程，2008，25(6):542—545.JIANG Li-xiang，LI Tao，F(xiàn)ENG Wei-quan，et al.FT-IR and Mass Loss Analysis of Polymer Materials in Magnetic Torquer after Atomic Oxygen Exposure［J］.Spacecraft Environment Engineering，2008，25(6):542—545.

［4］ 劉宇明，姜利祥，馮偉泉，等.防靜電Kapton二次表面鏡的電子輻照效應(yīng)［J］.航天器環(huán)境工程，2009，26 (5):411—414.LIU Yu-ming，JIANG Li-xiang，F(xiàn)ENG Wei-quan，et al.The Effects of Electron Irradiation on ITO/Kapton/Al Films［J］.Spacecraft Environment Engineering，2009，26 (5):411—414.

［5］ 黃本誠(chéng)，童靖宇.空間環(huán)境工程學(xué)［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2010.HUANG Ben-cheng，TONG Jing-yu.Space Environment Engineering［M］.Beijing:China Science and Technology Press，2010.

［6］ 童靖宇，劉向鵬，張超，等.CAST2000衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣基板原子氧防護(hù)技術(shù)研究［J］.裝備環(huán)境工程，2008，5 (6):72—75.TONG Jing-yu，LIU Xiang-peng，ZHANG Chao.et al.Study on Atomic Oxygen Protection Coating of Solar Cell Array Panel on CAST2000 Satellite［J］.Equipment Environmental Engineering，2008，5(6):72—75.

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［8］ GROH de K K，BANKSB A，MCCARTHY CE，etal.Misse 2 Peace Polymer Atomic Oxygen Erosion Experiment on the International Space Station［J］.High Performance Polymers，2008.

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［10］BANKSB A，GROH de K K，MILLER SK.Low Earth Orbital Atomic Oxygen Interactionswith SpacecraftMaterials［C］//Materials Research Society Symposium Proceedings.2004.(余不詳)