空間輻射環(huán)境模型不確定性對ITO/Kapton/Al薄膜防靜電性能評價分析

沈自才，牟永勝，劉宇明，丁義剛

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.山東省特種設(shè)備檢驗研究院臨沂分院，臨沂 山東 276000）

0 引言

航天器在軌運行期間將受到極端溫度、各種帶電粒子及等離子體等環(huán)境的作用，可引起溫度的急劇變化和充放電等效應(yīng)。通常在航天器的外表面采用防靜電熱控涂層進行溫度控制和防止充放電效應(yīng)的發(fā)生[1-2]。薄膜基二次表面鏡ITO/Kapton/Al作為一種性能優(yōu)異的防靜電熱控涂層，用于各類軌道航天器上。

在對ITO/Kapton/Al二次表面鏡開展空間輻射環(huán)境作用下防靜電性能地面模擬試驗評價的過程中，通常采用目前較為成熟的AE8/AP8對其在軌空間輻射環(huán)境進行分析。然而，這些模型為統(tǒng)計平均模型，受到當(dāng)時探測能力和探測數(shù)據(jù)范圍的限制，以及太陽活動的影響、是否各項同性以及南大西洋異常區(qū)漂移等影響，空間輻射環(huán)境模型與很多在軌探測數(shù)據(jù)相差2～3倍，有些高軌道區(qū)域甚至相差10倍[3-5]。

雖然國內(nèi)外對空間輻射環(huán)境模型的不確定性均有統(tǒng)一的認識，但對空間輻射環(huán)境模型對航天材料地面模擬試驗評價的影響研究甚少。目前，世界各航天大國是通過增加設(shè)計余量的方式來降低不確定性對航天設(shè)計的影響[6-7]。

首先在對電子和質(zhì)子輻照下的ITO/Kapton/Al的防靜電性能進行試驗研究，進而研究了不同的不確定性對其性能評價的影響。

1 空間輻射環(huán)境模型的不確定性

1.1 不確定性來源

雖然新一代空間質(zhì)子和電子輻射環(huán)境模型AP9和AE9已經(jīng)得到開發(fā)并逐步得到試用，但航天器研制過程中大多數(shù)情況下仍然使用AP8和AE8模型。這兩個空間輻射環(huán)境模型的不確定性主要來源于以下幾個方面：

（1）太陽活動周期的依賴性。AE/AP模型只能提供太陽活動谷年或太陽活動峰年及其附近的通量，而不能提供太陽活動周期期間的變化；

（2）瞬態(tài)性。AE/AP模型是統(tǒng)計模型，在提供周期為6個月或更長時間的平均通量是比較準(zhǔn)確的，尤其是對由于地磁擾動引起的高緯度暫時變化是無法預(yù)測的；

（3）方向性。AE/AP模型僅僅提供全向通量而不是任意角度的通量；

（4）能量外推。以質(zhì)子為例，在低于10 MeV的AP8模型質(zhì)子能譜是飛行數(shù)據(jù)的外推，這些外推數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有待評估；

（5）南大西洋異常區(qū)（SAA）漂移。以質(zhì)子為例，由于長期的地磁變化，質(zhì)子通量在低緯度和高強度的SAA區(qū)域向西以每年0.3度速度漂移。AP8不能準(zhǔn)確預(yù)測SAA區(qū)域的通量正確地理位置，但可以講AP8預(yù)測通量以對應(yīng)于AP8數(shù)據(jù)庫以每年0.3度向西漂移。在低于800 km的高度，NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)合NOAAPRO模型可用于精確處理SAA的漂移。

1.2 不確定因子

空間輻射環(huán)境模型的不確定性，可以利用不確定因子來表征。不確定因子定義為實際在軌空間輻射環(huán)境與空間輻射環(huán)境模型之間的比值。

式中：Ff為空間某一環(huán)境的實際注量，cm-2；FM為基本空間輻射環(huán)境模型的環(huán)境注量，cm-2；。UF一般與太陽活動有關(guān)。對航天器表面功能材料，UF與選定的地面模擬試驗的粒子的種類、能量有關(guān)。

1.3 相對偏差

空間輻射環(huán)境模型的不確定性對試驗件被測性能的影響可以用相對偏差來表征。

式中：Δx為不同不確定性因子下被測性能值的絕對變化；x0為不確定性因子為1時的被測性能的值；x為不確定性因子為除1以外的某一值時的被測性能的值。

2 實驗

2.1 實驗樣品

試驗樣品ITO/Kapton/Al防靜電熱控涂層，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中ITO膜厚度約0.1 μm，位于熱控涂層的最外層，Kapton厚度50 μm，背面鍍Al。

圖1 ITO/Kapton/Al涂層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The configuration of ITO/Kapton/Al coating

2.2 實驗參數(shù)

輻照試驗在F800空間綜合輻照試驗設(shè)備上進行。實驗過程中，真空度優(yōu)于10-3Pa，樣品溫度約為30℃，熱沉溫度≤-35℃，具體實驗參數(shù)如表1列。

表1 輻照試驗參數(shù)表Table 1 Test parameters of ion irradiations

2.3 性能測試

根據(jù)GB1410－89和ASTM-D257-99，對實驗樣品進行表面電阻率原位測試，表面電阻率原位測試線路如圖2所示[8-9]。

圖2 表面電阻率原位測試線路示意圖Fig.2 The schematic diagram for in-situ measurement of surface resistivity

3 防靜電性能變化

在不同電子輻照注量下的ITO/Kapton/Al表面電阻率變化及擬合分析如圖3所示。由圖可知，隨著電子注量的增加，其表面電阻率呈二階指數(shù)衰減趨勢，擬合關(guān)系如式（3）：

式中：y為表面電阻率（104Ω/□）；x為電子注量（1014e/cm2）。

圖3 ITO/Kapton/Al表面電阻率隨電子注量的變化曲線Fig.3 Surface resistivity of ITO/Kapton/Al vs.electron fluence

在不同質(zhì)子輻照注量下的ITO/Kapton/Al表面電阻率變化及擬合分析，如圖4所示。

由圖4可知，隨著質(zhì)子注量的增加，其表面電阻率呈二階指數(shù)衰減趨勢，擬合關(guān)系如式（4）：

式中：y為表面電阻率（104Ω/□）；x為質(zhì)子注量（1014e/cm2）。

圖4 ITO/Kapton/Al表面電阻率隨質(zhì)子注量的變化曲線Fig.4 Surface resistivity of ITO/Kapton/Al vs.proton fluence

4 輻射環(huán)境模型不確定性對結(jié)果的影響分析

在通用模型中，電子輻射環(huán)境模型和質(zhì)子輻射環(huán)境模型以AE8和AP8為主，通常選用不確定性因子為2。實驗中分別選用不確定性因子為0.5、2.0、5.0、10.0進行分析。

4.1 電子輻射環(huán)境模型的不確定性對熱控涂層防靜電性能評價的影響

根據(jù)式（1），對不同的不確定度對其表面電阻率的變化進行計算分析，如圖5所示。

圖5 不同不確定度下ITO/Kapton/Al的表面電阻率隨電子輻照注量的變化曲線Fig.5 Surface resistivity of ITO/Kapton/Al vs.electron fluence in different uncertainties

不確定度帶來的影響分析如表2和圖6所示。由表2分析可知，對不確定度因子取0.5時，當(dāng)電子注量為200×1014e/cm2時，其相對偏差為6.84%，當(dāng)不確定因子為2.0、5.0、10.0時，當(dāng)電子注量100×1014e/cm2時，其相對偏差小于7%，當(dāng)電子注量200×1014e/cm2時，其相對偏差小于0.2%。認為其影響可忽略不計。

表2 不確定度對電子輻照下ITO/Kapton/Al的表面電阻率帶來的相對偏差（%）Table 2 Relative deviation of surface resistivity of ITO/Kapton/Al from uncertainty

圖6 不確定度對電子輻照下ITO/Kapton/Al的表面電阻率相對偏差的影響曲線Fig.6 Surface resistivity relative derivation of ITO/Kapton/Al by electron irradiation vs.uncertainty

4.2 質(zhì)子輻射環(huán)境模型的不確定性對熱控涂層防靜電性能評價的影響

根據(jù)式（2），對不同的不確定度對其表面電阻率的變化進行計算分析，如圖7所示。

圖7 不同不確定度下ITO/Kapton/Al的表面電阻率隨質(zhì)子輻照注量的變化圖Fig.7 Surface resistivity of ITO/Kapton/Al vs.proton fluence in different uncertainties

不確定度帶來的相對偏差分析如表3所列，相對偏差比如圖8所示。

表3 不確定度對質(zhì)子輻照下ITO/Kapton/Al的表面電阻率帶來的相對偏差（%）Table 3 Relative deviation of surface resistivity of ITO/Kapton/Al from uncertainty[surface resistivity

圖8 不確定度對質(zhì)子輻照下ITO/Kapton/Al的表面電阻率相對偏差的影響曲線Fig.8 Surface resistivity relative derivation of ITO/Kapton/Al by proton irradiation vs.uncertainty

由表3和圖8分析分析可知，對不確定度因子取0.5時，當(dāng)質(zhì)子注量為10×1014p/cm2時，其相對偏差最大，接近70%，而后隨著注量的增加而逐漸減小，當(dāng)質(zhì)子注量達到25×1014p/cm2時，其相對偏差接近1%。當(dāng)不確定因子為2.0、5.0、10.0時，當(dāng)質(zhì)子注量15×1014p/cm2時，其相對偏差小于2%，而后隨著注量的增加，其相對偏差逐漸減小，可認為其影響可忽略不計。

4 結(jié)論

通過對電子和質(zhì)子輻照下的ITO/Kapton/Al薄膜的表面電阻率變化研究發(fā)現(xiàn)：

（1）空間輻射環(huán)境模型的不確定性對熱控涂層的防靜電性能具有較大的影響，但隨著輻照注量的增加，其不確定性對最終結(jié)果的影響越來越小。當(dāng)達到一定的輻照注量后，其影響可忽略不計；

（2）不確定性對熱控材料防靜電性能的影響隨著不確定因子的增大而增大；

（3）當(dāng)不確定因子小于1時，空間輻射環(huán)境模型不確定性對防靜電熱控材料表面電阻率評價帶來的相對偏差為正，當(dāng)不確定因子大于1時，則為負。

參考文獻：

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[9]ASTM Committee.ASTM-D257-99.Standard Test Methods for DC Resistance or Conductance of Insulating Materials[S].1999.