航天器空间多因素环境协同效应研究沈自才;邱家稳;丁义刚;刘宇明;赵春晴【摘要】The necessity of study on synergistic effect of space environments is analyzed. Some synergistic effects such as electron, proton and ultraviolet, atomic oxygen and ultraviolet, atomic oxygen and space debris, discharging induced by space debris and contamination induced by space environment were discussed. The present state and perspectives of study on synergistic effects were discussed and proposed. Some advices and countermeasures of systemic study on mechanism, simulation, test method, forecasting technique were given.%文章首先对空间多因素环境协同效应研究的必要性进行了分析,然后对不同空间环境因素间的协同效应,如带电粒子与太阳电磁辐射、原子氧与紫外、原子氧与空间碎片、空间碎片诱导放电及空间环境诱导污染效应等进行了探讨,最后对开展空间多因素环境协同效应的现状和方向进行了讨论,给出了系统开展空间多因素环境协同效应机理、模拟技术、试验方法、仿真及预示技术研究的建议和对策.【期刊名称】《中国空间科学技术》【年(卷),期】2012(032)005【总页数】7页(P54-60)【关键词】空间环境;多因素协同;效应分析;航天材料;航天器【作者】沈自才;邱家稳;丁义刚;刘宇明;赵春晴【作者单位】北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程重点实验室,北京100094;中国空间技术研究院,北京 100094;北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程重点实验室,北京 100094;北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程重点实验室,北京 100094;北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程重点实验室,北京100094【正文语种】中文1 引言航天器在轨运行期间所面临的空间环境包括真空、低温与冷黑、带电粒子辐射、太阳电磁辐照、空间碎片、微流星体及原子氧等［1-2］。

这些空间环境及效应将对其敏感材料和器件带来严峻的挑战，可导致其性能退化甚至失效，严重影响航天器在轨可靠性及寿命。

近年来，人们认识到地面单个环境因素的模拟试验常常与空间飞行试验的数据不吻合，多种环境因素引起的协同效应逐渐引起人们的注意。

美国空军实验室的Charles Stein等人研究发现，由于微小碎片的累积撞击效应引起的污染造成比未受碎片撞击的太阳电池光谱透射率下降超过15%［3］。

空间环境除了微小碎片外，还充满了各种带电粒子和电磁辐射环境，它们的共同作用将造成航天器外露材料的性能发生严重退化甚至失效。

因此，需要对航天器在轨的空间多因素环境协同效应进行研究，以指导航天器敏感材料与器件的空间环境效应地面模拟试验，并对航天器空间环境故障分析提供指导。

2 空间多因素环境协同效应研究的必要性航天器在轨寿命期间遭受的空间环境是复杂的，这些环境将不仅单独对航天器敏感材料及器件产生作用，有的环境可能诱发次生环境，有的环境对航天器的作用可能引发另一个环境对航天器的效应，有的环境可能对其他环境产生的效应具有增强作用，有的则有减弱作用，等等。

不同空间环境因素协同效应关系见表1。

由于单独研究某一种环境对航天器的影响可能带来研究不充分、效应误差较大等问题，所以有必要进一步加强空间多因素环境对航天器性能退化协同效应的研究。

1）空间环境是多因素环境。

航天器在轨空间环境是多种因素环境共同存在的。

这些环境因素不仅单独对航天器产生作用，其中的两种或者多种环境可能对航天器产生协同作用。

2）不同空间环境及效应是相互关联的。

航天器在轨空间环境效应包括总剂量效应、单粒子效应、位移损伤效应、充放电效应、空间碎片撞击效应等，可引起航天器敏感材料和器件的光学性能、电学性能、力学性能等发生退化，如热控涂层太阳吸收率增加、薄膜材料力学性能会变差、太阳电池光电效率下降等［2］。

不同环境引起的效应之间可能是互相关联的，如紫外辐射可能引起污染物的释放或污染效应的增强；原子氧的侵蚀效应则可能带来污染物的剥蚀，也可能增加污染效应等。

3）提高地面模拟试验和故障分析的有效性。

只有综合考虑多种环境因素引起的协同效应对航天器的影响才能提高航天器敏感材料及器件的地面模拟试验和航天器在轨故障分析的有效性。

表1 不同空间环境因素协同效应关系表Tab.1 Synergistic effect between different space environments注：1）带电粒子中的电子、质子与重离子间可能存在协同效应；2）紫外辐射中的近紫外辐射和远紫外辐射可能对材料与器件产生协同效应；3）“A”表示不存在协同效应，“B”表示可能存在协同效应，“C”表示存在一般协同效应，“D”表示存在显著的协同效应。

环境带电粒子紫外原子氧空间碎片等离子体污染带电粒子 B1） C C C B C紫外 C B2） D C B C原子氧 C D A D B D空间碎片 C C D A B D等离子体 B B B B A C污染 C C D D C A3 空间多因素环境协同效应空间多因素环境可对航天器在轨性能产生复杂的效应，不同的空间环境因素对航天器性能退化及产生故障的机制也不相同。

3.1 带电粒子辐射与太阳电磁辐射的协同效应航天器在轨运行期间，其外露材料遭受的辐射环境不但包括带电粒子辐射（主要是电子和质子），还包括太阳电磁辐射（主要是紫外线）。

对表层热控材料和光学器件，特别是对有机热控涂层，在带电粒子辐射和太阳电磁辐射的综合作用下，其性能将发生较大的退化乃至失效。

这是因为带电粒子辐射不但可能打断有机材料的化学价键，而且可引起材料内部发生电离效应或位移效应；而紫外辐射不仅可造成价键断裂乃至电离，而且可能引起带电粒子辐射损伤的加剧或损伤的修复。

冯伟泉等人对S781白漆、SR107-ZK白漆、F46镀银、OSR二次表面镜、ACR 导电白漆等在空间电子、质子和近紫外辐射环境下的协同效应进行了地面模拟试验研究［4］，研究结果与“东方红二号”卫星热控涂层的飞行试验结果非常接近。

这说明对航天器外露采用综合辐射较单因素辐射更能真实反应航天器在轨的实际情况。

3.2 原子氧及紫外协同效应在200km～700km的低地球轨道上同时存在原子氧环境和紫外辐射环境，大量飞行试验和地面模拟试验结果表明，原子氧和紫外环境是造成低地球轨道航天器表面退化的主要原因［5］。

（1）原子氧对紫外辐射效应的“漂白”作用紫外辐射环境和原子氧环境对航天器表面材料的协同作用机理复杂。

紫外辐射可造成航天器表面材料，如温控白漆，颜色加深甚至黑化，使太阳吸收率增加；原子氧环境则对紫外产生的温控漆退化产生“漂白”作用，使其光学性能有某种程度的恢复。

因此，两者对温控漆光学参数的影响表现为相互抵消的作用。

这是因为紫外辐射可以使航天器表面涂层材料内部的颜料粒子产生色心，即材料内部的金属氧化物吸收紫外辐射光子产生电子跃迁，形成空穴-电子对，从而引起吸收率增加，而金属氧化物颜料粒子的色心在暴露氧环境后会消失，产生“漂白”或“恢复”效应。

（2）紫外辐射对原子氧侵蚀效应的“促进”作用原子氧和紫外的协同效应会加剧某些温控漆表面剥蚀，表现为相互加强的作用。

这是因为紫外辐射会导致温控涂层或者有机聚合物发生分子链的交联，价键的断裂，从而引起材料的表面软化或者碎裂，为原子氧的侵蚀提供了通道，加剧原子氧的侵蚀。

目前，人们非常重视原子氧与紫外辐射的协同效应。

紫外辐射的存在，将会影响到原子氧与某些材料的反应或剥蚀速度。

但不能简单的考虑协同效应是加强或减弱了环境效应的影响，视具体情况表现出其复杂性。

例如：Teflon在单一原子氧环境中表现出较高的稳定性（反应系数小于0.05×10-24 cm3／Atom），但在原子氧、紫外环境的协同效应作用下，反应加剧，反应系数高达0.36×10-24 cm3／Atom［6-7］；Kapton在紫外辐射的作用下性能变化较小，而原子氧、紫外的协同作用对其剥蚀率几乎没有影响。

因此，对原子氧、紫外多因素环境协同效应模拟技术和试验方法的研究，能更真实地模拟航天器经受的原子氧环境条件，对提高设计品质、保证航天器寿命有重要意义。

3.3 空间碎片与原子氧的协同作用空间碎片和原子氧的协同作用将大大加剧空间材料遭受侵蚀的程度。

小于1mm的空间微小碎片通常不会对航天器造成灾难性损伤，但是由于数量大，与航天器的碰撞几率高，其表面多次撞击造成的长期积累效应是很明显的。

在微小碎片的撞击下，空间功能性防护膜上产生许多针孔或裂纹，尽管这些缺陷小得难以发现，但给原子氧提供了一个进入基底材料的通道，造成原子氧在防护层下“潜蚀”并掏空，造成防护层撕裂和脱落，进而导致防护措施失败，尤其是对大面积板形结构的平面阵天线和太阳能电池阵危害更大。

以色列Ronen Verker研究小组利用激光驱动的高速微小碎片研究了微小碎片与原子氧对航天器表面聚合物热控材料的协同效应［7］，研究发现微小碎片高速撞击热控材料后引起了原子氧刻蚀速率的增加，损伤变为以新的孔洞形成为主要因素。

这就说明了由于微小碎片的撞击而引起了氧扩散的增强，从而给航天器表面材料带来了更大的危害，证实了二者的协同作用确实存在。

3.4 空间碎片及微流星体诱导放电太阳能电池是航天器的重要能源系统，其工作状态直接影响到航天器的正常工作状态和使用寿命。

由于其面积较大，并暴露于空间，遭受空间碎片撞击的概率非常高。

Levy等人研究表明，静电放电能够在太阳高压电池板中产生持续的二次电弧。

静电放电一定是在边缘发生，例如在太阳电池片之间，那儿存在偏压和介质材料［8］。

然而，超高速碎片产生的喷射物和污染能够较静电放电更容易诱发高压太阳阵二次电弧，该现象得到了Crawford和Schultz等人工作的证实，研究发现在撞击点附件产生的高电导率等离子体喷溅物能够为放电提供一个便利的渠道［9］。

在他们的工作中，以4.9km／s发射的Al粒子产生了负粒子喷射，在撞击点附件55cm的位置几毫秒的时间内变为正电荷。

考虑到这个二次电弧放电诱发机制，可以认为撞击产生的等离子体或者碎片喷溅物是太阳能电池间1mm缝隙处引起放电的原因（见图1）。