中性大氣環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

姜海富，姜利祥,2，李 濤，鄭慧奇，劉向鵬，楊前進(jìn)，院小雪，楊東升，臧衛(wèi)國，王 璐

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100094；3. 中國航天科技集團(tuán)有限公司，北京 100048）

0 引言

在地球軌道航天器所處的近似真空的空間環(huán)境中，廣泛存在著中性大氣、等離子體、帶電粒子、各種尺度的微流星體及空間碎片；同時(shí)，還存在磁場、引力場和各種波長的電磁輻射。

中性大氣環(huán)境作為地球空間環(huán)境的重要組成部分，包含自然環(huán)境的中性氣體和航天器表面材料通過放氣或分解釋放的中性氣體。中性大氣環(huán)境作用可產(chǎn)生阻力效應(yīng)及輝光干擾，是航天器設(shè)計(jì)中需考慮的重要影響因素；同時(shí)，中性大氣的氧化剝蝕作用會使航天器表面材料產(chǎn)生質(zhì)量損失甚至出現(xiàn)裂紋，還會引發(fā)污染等現(xiàn)象，間接導(dǎo)致材料性能的退化，影響航天器的服役壽命。本文對中性大氣環(huán)境及效應(yīng)進(jìn)行分析，梳理中性大氣環(huán)境效應(yīng)地面試驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀，并探討該項(xiàng)技術(shù)研究的未來發(fā)展方向。

1 中性大氣環(huán)境

低地球軌道（low earth orbit, LEO）指高度距地200～700 km 的軌道空間，是空間站、飛船、航天飛機(jī)以及一些應(yīng)用衛(wèi)星的主要運(yùn)行軌道，中性大氣環(huán)境是該軌道的重要環(huán)境因素。LEO 環(huán)境處于高真空狀態(tài)，氣體總壓約為10～10Pa，環(huán)境大氣組分主要有O、He、N、O、Ar、H 和N。圖1 給出了LEO各種粒子的數(shù)密度分布（采用MSISE-00模型計(jì)算，F(xiàn)10.7=250，Ap=45）?？梢钥闯觯S著軌道高度的上升，大氣各組分的密度都有所減小。

圖1 LEO 各種粒子的數(shù)密度分布[7]Fig. 1 Densities of atmospheric components in LEO[7]

在LEO 環(huán)境大氣中原子氧（AO）的含量較高。原子氧是氧分子受太陽紫外（波長小于243 nm）輻射發(fā)生光致解離而產(chǎn)生的，

其中，O（D）原子的壽命僅有110 s 左右，然后其向穩(wěn)定的基態(tài)O（P）躍遷，并發(fā)射出1 個(gè)光子。LEO環(huán)境為高真空狀態(tài)，因此O（P）與第3 種粒子發(fā)生碰撞的概率極小，能維持原子氧狀態(tài)。

2 中性大氣環(huán)境效應(yīng)

LEO 的中性大氣環(huán)境會引起航天器阻力、表面侵蝕和輝光效應(yīng)。航天器本身釋放的中性氣體也會對航天器的其他部分造成污染。中性大氣對航天器系統(tǒng)的主要影響見表1，航天器姿態(tài)與控制、供配電、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)等系統(tǒng)均會受到影響，造成燃料需求增加、傳感器干擾、關(guān)鍵材料性能退化等。

表1 中性大氣對航天器系統(tǒng)的主要影響Table 1 Main influences of neutral atmosphere on spacecraft

2.1 大氣阻力

中性大氣會對在軌運(yùn)行的航天器產(chǎn)生嚴(yán)重的阻力，導(dǎo)致LEO 航天器的軌道高度不斷衰減。廢棄衛(wèi)星可在大氣阻力作用下墜入大氣層燒毀。

中性氣體分子與LEO 航天器發(fā)生碰撞會向航天器傳遞能量和動(dòng)量，根據(jù)動(dòng)量守恒，作用于航天器上的阻力平行于航天器速度矢量的反方向，大小為

式中：為周圍中性氣體密度；為衛(wèi)星投射到速度矢量方向上的橫截面面積；為阻力系數(shù)，是航天器所受到的阻力與氣流動(dòng)壓和參考面積之比；為航天器速度。可見，航天器受到的阻力大小與阻力系數(shù)、氣體密度等密切相關(guān)。如圖2所示，180 km與360 km 軌道高度的大氣阻力系數(shù)相差50%。

圖2 不同軌道高度的大氣阻力系數(shù)[20]Fig. 2 Atmospheric drag coefficient for different orbital heights[20]

2.2 氧化剝蝕

氧化剝蝕效應(yīng)主要由大氣環(huán)境中的原子氧引起。原子氧具有很強(qiáng)的氧化性，當(dāng)航天器以7～8 km/s的速度在LEO 運(yùn)行時(shí)，撞擊航天器表面的原子氧能量約為4～5 eV；原子氧通量密度在200 km 高度約為10cm·s，600 km 高度約為10cm·s。當(dāng)這些強(qiáng)氧化性、高通量的原子氧與航天器表面作用時(shí)，會造成表面材料的剝蝕和光、機(jī)、電、熱等各方面性能退化，給航天器的可靠運(yùn)行和在軌安全帶來隱患，進(jìn)而影響到航天器的使用壽命。

原子氧與聚合物間的相互作用以氧化剝蝕反應(yīng)為主，大部分碳?xì)渚酆衔锊牧鲜艿窖趸螽a(chǎn)生CO、CO、HO 等揮發(fā)性物質(zhì)（見圖3），導(dǎo)致質(zhì)量損失。聚酰亞胺（Kapton）是一種航天器常用的有機(jī)高聚物薄膜，如果Kapton 膜單面或雙面未加保護(hù)暴露在原子氧環(huán)境中，則在400 km 以下低軌道使用1 年后迎風(fēng)面的厚度損失可達(dá)百μm。

圖3 聚合物氧化剝蝕效應(yīng)示意Fig. 3 The schematic diagram of oxidation erosion of polymers

大部分金屬暴露于原子氧后會生成致密的金屬氧化膜，氧化膜具有很強(qiáng)的抗原子氧防護(hù)性能，會阻止原子氧對材料的進(jìn)一步氧化。但有些金屬對原子氧作用較為敏感，如：銀與原子氧作用后生成疏松的氧化銀層，原子氧會穿透此氧化銀層進(jìn)入銀基底，與下面的銀繼續(xù)反應(yīng)，產(chǎn)生累積破壞。

2.3 污染

污染是中性大氣環(huán)境效應(yīng)的一個(gè)重要方面。地球上所有物質(zhì)表面都吸附著一層氣體分子，一旦大氣壓力降低或者溫度升高，與表面結(jié)合松散的分子和具有高揮發(fā)性的分子就會釋放出來。這些表面吸附的物質(zhì)種類包括水蒸氣以及分布在整個(gè)材料中的氣體，如溶劑、催化劑和未完全聚合的聚合物。放氣機(jī)理主要包括氣體從表面物理脫附、從材料內(nèi)部擴(kuò)散至表面以及在表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

空間污染物沉積會對航天器污染敏感系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。例如：天基激光系統(tǒng)光學(xué)表面性狀的微小、長期變化，可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果；熱控表面吸收率的微小變化將降低其熱控有效性，并最終導(dǎo)致熱控系統(tǒng)乃至整個(gè)航天器失效。圖4 為高頻電纜插頭污染物照片，可以看到污染物已嚴(yán)重改變器件表面性狀，極有可能影響其電連接性能。未來，隨著深低溫高敏感空間光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，污染的評估與控制愈發(fā)重要。

圖4 高頻電纜插頭污染物Fig. 4 The contamination of high-frequency cable’s plug

2.4 輝光

飛行器輝光呈現(xiàn)為航天器表面或附近的一種幽暗的背景光，國外多次航天飛行任務(wù)都曾報(bào)道過航天器外表面出現(xiàn)輝光輻射現(xiàn)象（見圖5）。目前還無法很好地解釋輝光現(xiàn)象發(fā)生的物理機(jī)制，但可以肯定的是這種現(xiàn)象與中性大氣層有直接關(guān)系。飛行試驗(yàn)表明，輝光過程與是否在迎風(fēng)面、發(fā)動(dòng)機(jī)是否點(diǎn)火等因素有關(guān)。不同條件下產(chǎn)生的輝光現(xiàn)象在外觀上會有細(xì)微的區(qū)別，顯示出不同的作用機(jī)理。

圖5 大氣輝光Fig. 5 The atmospheric glow

可見輝光是由被稱為Langmuir-Hinsheiwood（L-H）過程的表面反應(yīng)產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)NO發(fā)射的，反應(yīng)發(fā)生在表面的O 和NO 之間，

形成NO的氧來自周圍環(huán)境的大氣，而NO 是吸附在表面的。

由于許多航天器都帶有光學(xué)設(shè)備，航天器本身的輝光現(xiàn)象會成為光譜儀、光敏感器、空間望遠(yuǎn)鏡和空間相機(jī)的干擾源，尤其會影響低照度下的光學(xué)測量、觀察和照相，降低這些光學(xué)設(shè)備的觀測能力，因此需要采取必要措施消減輝光現(xiàn)象的發(fā)生。

3 中性大氣環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 大氣阻力試驗(yàn)技術(shù)

空間大氣阻力會使衛(wèi)星軌道高度緩慢衰減，目前通常采用仿真計(jì)算方法對大氣阻力進(jìn)行預(yù)報(bào)，但大氣阻力的精確建模極為困難，因此大氣阻力的地面測試技術(shù)研究尤為重要。美國及歐空局開展大氣阻力測試技術(shù)的研究較早，美國科羅拉多大學(xué)研制了1 m×2 m 的大氣阻力模擬測試設(shè)備（見圖6），對不同速度、不同入射角度的中性氣流進(jìn)行了阻力測試。

圖6 大氣阻力模擬測試設(shè)備Fig. 6 Atmospheric drag simulation test facility

歐空局利用真空氣動(dòng)試驗(yàn)裝置VAU-2 測量了Amg-6 鋁鎂合金、隔熱用玻璃纖維、太陽電池玻璃蓋片、鍍漆鋁合金樣品的動(dòng)量交換系數(shù)。測力采用補(bǔ)償型扭秤，測速采用半錐角12°的全壓探頭，得到了不同攻角下的切向和法向動(dòng)量交換系數(shù)，并據(jù)此建立了大氣阻力系數(shù)計(jì)算方法。

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所是國內(nèi)最早開展大氣阻力測試技術(shù)研究的單位，研制了低氣壓高速中性束流模擬系統(tǒng)和阻力測試裝置（見圖7）。阻力測量利用倒立擺測力結(jié)構(gòu)通過測量模擬中性大氣作用后的位移來反演阻力的大小，其中位移通過激光位移傳感器測定。分別在大氣束流入射角0°、30°、60°和75°的情況下測得了阻力數(shù)值，建立了阻力系數(shù)計(jì)算公式（見圖8）；并通過圓柱曲面樣品阻力測試數(shù)據(jù)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，顯示該裝置的阻力測量誤差小于14%。

圖7 阻力測試裝置Fig. 7 The atmospheric drag test device

3.2 氧化剝蝕效應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)

材料被侵蝕是由于形成了揮發(fā)性或易剝落的氧化物，原子氧是產(chǎn)生氧化剝蝕效應(yīng)的主要組分。國內(nèi)外針對不同航天器材料開展了大量氧化效應(yīng)研究工作，美國、俄羅斯、歐盟、中國等研究了多種不同方式的原子氧發(fā)生技術(shù)，建立了多臺原子氧環(huán)境地面模擬試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行材料原子氧效應(yīng)試驗(yàn)，模擬設(shè)備的原子氧束流密度普遍可達(dá)10～10cm·s。表2 為國內(nèi)外原子氧環(huán)境典型試驗(yàn)設(shè)備情況。

表2 國內(nèi)外原子氧環(huán)境典型試驗(yàn)設(shè)備情況Table 2 Typical experimental equipment for simulating atomic oxygen environment

通過對原子氧環(huán)境效應(yīng)的研究，美國制定了原子氧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM E2089），NASA 編寫了原子氧地面試驗(yàn)方法草案（NASA CR-112589），對原子氧束流密度標(biāo)定方法、試驗(yàn)條件控制、試樣預(yù)處理過程等做出規(guī)定。我國在原子氧地面模擬試驗(yàn)方法方面進(jìn)行了相關(guān)研究，制定了GJB 2502.9－2015《航天器熱控涂層試驗(yàn)方法：第9 部分：原子氧試驗(yàn)》及部分相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

須指出的是，其他空間環(huán)境因素，如紫外、電子、質(zhì)子等，可能對原子氧氧化剝蝕效應(yīng)產(chǎn)生不同程度的影響。研究表明，原子氧試驗(yàn)中引入紫外輻照可增加Kapton的質(zhì)量損失。此外，對于超低軌衛(wèi)星，O、N是主要的大氣成分，其中N對原子氧侵蝕作用的影響還需試驗(yàn)證實(shí)。

3.3 污染效應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)

在空間環(huán)境下，污染分子會直接或間接到達(dá)并凝結(jié)在衛(wèi)星污染敏感表面，如光學(xué)元件、溫控涂層及太陽電池陣表面等，使其功能、性能下降，嚴(yán)重時(shí)會使航天器完全失效。國內(nèi)外在污染效應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)方面，針對材料真空放氣特性、污染效應(yīng)原位測試等建立了多個(gè)試驗(yàn)設(shè)備，用于測試航天器材料總質(zhì)損、可凝揮發(fā)物量、水汽回吸量等指標(biāo)，完成了大量航天器材料放氣及污染試驗(yàn)，形成了多個(gè)數(shù)據(jù)庫，供設(shè)計(jì)師進(jìn)行污染防護(hù)設(shè)計(jì)參考。

美國、歐洲等航天先進(jìn)國家和機(jī)構(gòu)在航天試驗(yàn)技術(shù)與方法方面廣泛開展合作，通過制定頂層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來約束各國的試驗(yàn)，如ISO 15388《航天系統(tǒng)：污染控制》、ECSS-Q-ST-70-01C《清潔和污染控制》等。我國也編制了QJ 1558B—2016《真空條件下材料揮發(fā)性能測試方法》、QJ 20013—2011《空間材料出氣特性測試方法》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 輝光效應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)

航天器輝光現(xiàn)象的發(fā)生與表面材料種類、性能相關(guān)，而目前國內(nèi)外對于輝光效應(yīng)的研究較少，僅在對輝光敏感的光學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)研制中對其視場、消雜光能力提出要求，而對于輝光主動(dòng)控制方法尚未開展系統(tǒng)研究。因此，理解輝光的機(jī)理和性質(zhì)，確定這種現(xiàn)象的起源及效應(yīng)，研究減緩其有害影響的措施顯得十分重要。

4 問題及建議

對于中性大氣環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)，面向?qū)I(yè)發(fā)展和空間任務(wù)需求存在以下兩方面問題：

1）環(huán)境效應(yīng)機(jī)理研究不夠深入

大氣環(huán)境效應(yīng)機(jī)理是地面試驗(yàn)加速因子確定的理論依據(jù)，對航天器材料優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能預(yù)示模型建立起到重要作用。但目前大氣環(huán)境效應(yīng)機(jī)理研究仍不夠深入，主要表現(xiàn)在：大氣成分、密度，材料表面狀態(tài)以及航天器構(gòu)型等因素對大氣阻力系數(shù)影響的機(jī)理研究匱乏；原子氧與其他空間因素耦合作用機(jī)理、超低軌N/O 環(huán)境作用機(jī)理不清晰；不同發(fā)生原理獲得的原子氧束與材料作用機(jī)理對比分析不足。

2）面向未來任務(wù)需求的地面試驗(yàn)技術(shù)能力不足

隨著我國航天技術(shù)的發(fā)展，太陽系內(nèi)行星、系外天體的探測將成為未來航天任務(wù)的主要趨勢。未來深空探測任務(wù)中的大氣環(huán)境與地球空間差別較大，如金星存在酸性氣體環(huán)境，木星存在塵暴環(huán)境等；此外，用于地外天體觀測的高敏感空間光學(xué)裝置的工作溫度將低于40 K，對污染評估也提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)，而目前國內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)能力不足。

針對以上問題，未來空間中性大氣環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注：

1）空間大氣阻力測試技術(shù)

衛(wèi)星定軌、軌道預(yù)報(bào)、姿態(tài)控制等均需要準(zhǔn)確的大氣阻力數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)數(shù)據(jù)以仿真計(jì)算為主，關(guān)于大氣阻力地面測試技術(shù)的研究不夠，如：大氣組分對阻力系數(shù)的影響，表面材料狀態(tài)及航天器構(gòu)型對阻力系數(shù)的影響等諸多方面亟待深入研究。

2）原子氧與其他因素耦合效應(yīng)機(jī)理

研究表明LEO 原子氧/紫外存在耦合效應(yīng)，二者同時(shí)作用的結(jié)果不同于單獨(dú)作用效果的疊加，因此須開展原子氧/紫外耦合效應(yīng)作用機(jī)理的研究，尤其要關(guān)注原子氧/紫外不同強(qiáng)度比率下作用機(jī)理的差異、新材料耦合效應(yīng)研究等問題。此外，原子氧/質(zhì)子/電子、原子氧/熱循環(huán)、原子氧/應(yīng)力耦合效應(yīng)機(jī)理也有待深入研究。

3）超低軌中性大氣環(huán)境作用機(jī)制

超低軌衛(wèi)星服役的軌道環(huán)境不同于其他低軌衛(wèi)星：超低軌大氣成分主要為N及O，二者對航天器外露組件及材料的剝蝕作用不可忽視；由于軌道高度較低，航天器高速運(yùn)行時(shí)與大氣相互作用產(chǎn)生的激波會導(dǎo)致氣體電離，形成激發(fā)態(tài)的粒子或輝光放電效應(yīng)。因此，超低軌航天器用材料的大氣環(huán)境效應(yīng)機(jī)制十分復(fù)雜，需加強(qiáng)研究。

4）深低溫高敏感空間光學(xué)裝置污染效應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)

高敏感空間光學(xué)裝置通常工作在40 K 以下的深低溫和高真空環(huán)境下，很多常溫下的氣態(tài)物質(zhì)在深低溫表面將轉(zhuǎn)化為液態(tài)甚至固態(tài)，導(dǎo)致深低溫表面吸附更多的分子污染物，且吸附物的成分和形態(tài)更復(fù)雜，其吸附機(jī)理與吸附閾值亟待研究。吸附物在深低溫下對敏感表面光學(xué)性質(zhì)的影響與常溫及一般低溫條件下不同，直接影響探測器的設(shè)計(jì)及核心部件的工作，因此極端條件下污染水平的評估及控制日益成為保證此類光學(xué)探測任務(wù)完成的關(guān)鍵因素之一，需加強(qiáng)研究。

5）不同類型原子氧源對標(biāo)分析

目前地面模擬用原子氧源主要有激光解離型、氧等離子體型及微波放電型等，由于不同原理產(chǎn)生的原子氧環(huán)境能量及成分的不同導(dǎo)致其與材料作用效應(yīng)的差異，可能會對試驗(yàn)評價(jià)的有效性產(chǎn)生影響，應(yīng)該對不同類型原子氧源進(jìn)行對標(biāo)分析。

6）地外行星大氣環(huán)境效應(yīng)模擬及評估

地外行星探測是深空探測的主要方向，對這些星體進(jìn)行探測時(shí)需要面對與地球大氣環(huán)境極為不同的環(huán)境，而大氣環(huán)境是影響行星探測器性能的主要環(huán)境因素，必須在地面對探測器進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性評估。因此，對火星、金星、木星等大氣環(huán)境開展模擬及評估技術(shù)研究十分必要。

5 結(jié)束語

對于中性大氣環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)，長期以來國內(nèi)以氧化剝蝕及污染效應(yīng)研究為主，經(jīng)過多年積累，建立了GB、GJB、QJ 等多項(xiàng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，用于指導(dǎo)地面試驗(yàn)。近年來，大氣阻力測試技術(shù)逐漸得到關(guān)注。但隨著新型航天器的研制、新材料的不斷涌現(xiàn)及深空探測任務(wù)的逐步開展，現(xiàn)有的機(jī)理研究和模擬試驗(yàn)技術(shù)水平與未來型號長壽命、精細(xì)化的設(shè)計(jì)需求間還存在差距，需進(jìn)一步拓展空間中性大氣環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)技術(shù)研究的深度和廣度。