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

（1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）

（2中国空间技术研究院，北京100094）

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

3 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0.05×10-24cm3／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0.36×10-24cm3／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）。

图1 碎片诱发太阳能电池板放电示意Fig.1 Discharge of solar panel induced by space debris

3.5 空间环境诱导污染效应

（1）空间碎片与微流星体诱导污染效应［10］

空间碎片和微流星体可能与航天器发生撞击并导致航天器的损伤，损伤的种类与程度取决于航天器大小、构型、工作时间以及微流星体质量、密度、速度等特性。这种撞击损伤包括压力容器的破裂、舷窗的退化、热控涂层的层裂、热防护性能的降低和天线系统的损伤等。

除了来自于自然污染和航天器自身挥发污染的累积，污染也可由于航天器受到空间碎片和微流星体的超高撞击而产生。例如，超高速碎片撞击大面积太阳电池板，其产生的污染，可吸收和散射在特定波长范围的电磁辐射。由超高速撞击引起的污染可导致透明表层玻璃材料太阳透过率高达15%的退化。

由于空间碎片是高速运动的，所以在碰撞事件中，即使微米级空间碎片与航天器相撞，也会造成航天器的损坏。根据计算，在低地球轨道，发生碰撞的平均速度为9.1km／s，峰值达到14km／s［2］。当超高速运动的空间碎片与航天器表面材料和器件发生碰撞后，撞击粒子将受到航天器材料和器件的阻碍而产生较高的温度和压力，从而在材料撞击点附近撞出一个坑、并部分发生高温熔化喷溅，喷溅物散落在撞击坑附近形成污染。

例如某光电薄膜盖片的污染效应试验，撞击试验选用平板铝碎片粒子，直径3mm，厚度3μm；盖板玻璃靶，尺寸为40mm×40mm。试验样品放在真空室中以减少空气对碎片撞击可能存在的缓冲。碎片撞击前的飞行距离约12mm。在试验中引起的损伤主要包括：前表面的弹坑、前表面和后表面的同心辐射破碎、后表面的隆起和破碎，并存在从撞击坑中的材料蒸发喷射形成再沉积到前表面上的污染。靶材的机械损伤可由扫描电镜 （SEM）获得 （见图2）。

在检查从撞击坑到靶表面的污染和喷溅物的沉积时发现了从撞击坑喷溅出来的材料形成了一系列不同的材料密度辐射环状带。图3是一个撞击样品的示意图。区域A表示粒子撞击表面的尺寸，区域B是材料移除表面的弹坑区域，在区域C发现了熔融的铝，在整个蒸汽沉积区域均发现了铝的存在，除了区域D仍保持相对干净之外。在区域E，离撞击位置A距离1.6cm处，表面再次被从撞击坑喷溅出来的物质覆盖。

图2 防护玻璃罩的光学图像 （放大：4倍）Fig.2 Image of cover glass of solar cell（magnitude：4×）

图3 撞击样品示意Fig.3 Impace zone distribution of sample

（2）紫外辐射、原子氧与污染的协同效应

紫外辐射和原子氧侵蚀均可以引起卫星材料的出气，出气物质在航天器表面的沉积进而引起对航天器敏感材料和器件的污染，造成光学器件透过率降低，热控涂层性能退化等［11］。

然而，紫外辐射和原子氧对航天器材料的诱发污染机制是复杂的：1）紫外辐射造成航天器表面材料，尤其是有机材料发生价键的断裂，吸附分子和材料组分的解吸附，引起出气，导致污染效应的发生；2）原子氧的侵蚀和对航天器表面材料的溅射及化学反应，引起材料分子或组分在周围扩散沉积，造成对航天器的污染；3）原子氧对航天器材料的侵蚀和溅射产生的污染物，在航天器表面沉积并受到紫外辐射的作用后，将固化在航天器的表面，加剧了污染对航天器的影响；4）航天器表面的污染在原子氧的溅射与化学反应的作用下，又将发生剥蚀与减少，对污染起到了减缓的作用。

因此，紫外辐射与原子氧对其诱发的污染效应机理与航天器表层材料的成分、结构等密切相关。针对不同的航天器材料，需要进行分别分析探讨。

（3）表面带电对污染的增强效应

航天器表面充电后还会产生带电粒子吸附，增加表面污染。这是由于从航天器上出气或溅射出来的中性原子被太阳光电离或与其他离子交换电荷，产生一个低能离子群。这些离子会被吸引到带负电的表面并附着于上，使表面光学性能产生变化，温度升高，透射率降低，吸收系数增大，表面电导率减小。卫星表面污染还会引起入射电子和次生电子数量的变化，从而引起光电性能的变化，表面电导率减小，加剧表面充放电。表面带电还将引起空间环境等离子体测量的误差。

（4）带电粒子辐射与污染的协同效应

带电粒子辐射航天器外露材料或器件，也可引起材料的出气，从而加重航天器敏感材料或器件的污染，造成其光学性能下降。对热控材料则造成其太阳吸收率的升高，影响航天器热控的安全性。

此外，空间高真空、高低温及温度交变也将与原子氧、辐射等环境发生协同效应，进而对航天器的在轨性能与可靠性带来威胁。

4 研究现状与对策

4.1 研究现状

经过几十年的发展，目前世界各航天大国已经初步具备开展航天器空间多环境因素环境协同效应地面模拟试验评价的能力并开展了一系列的地面模拟试验研究，但与实际在轨环境相比较，仍然需要付出更大的努力。主要表现在以下4个方面：

1）空间多因素环境及效应地面模拟能力不足。目前，各航天大国已经初步具备空间带电粒子和太阳电磁辐射、原子氧和紫外、空间碎片诱导等离子体充放电的地面模拟能力，但尚不能在同一台设备上实现开展空间带电粒子辐射环境、太阳电磁辐射环境、空间原子氧环境、空间碎片等多因素环境协同效应的地面模拟试验，不能实现在地面模拟实验设备上开展材料成分、微观缺陷的原位测试。

2）空间多因素环境协同效应机理不清楚。虽然从事航天器空间环境效应的科学家与工程技术人员越来越深刻地认识到空间多因素环境协同效应研究的重要性，初步开展了空间多因素环境协同效应地面模拟试验和机理的研究，但目前的研究仍处于起步阶段，有待进一步加强。

3）空间多因素环境协同效应试验方法有待建立与完善。目前各航天大国虽然已经开展了部分环境因素的协同效应的实验研究，但尚未系统建立空间多因素环境效应的地面模拟试验方法。

4）尚不具备空间多因素环境协同效应仿真能力。目前，世界各航天大国尚未开展航天器材料与器件的空间多因素环境协同效应评价的仿真研究。

4.2 对策

由于航天器在轨运行期间是多种空间环境的综合作用，因此，在地面模拟试验时，单一因素环境得到的结果往往与飞行试验结果相差较大，与航天器经历的真实环境效应有很大不同。所以，需要进一步开展空间多因素环境对航天器协同效应的研究。为此，可以从以下4个方面开展工作：

1）搭建多功能的综合环境效应地面模拟试验装置。能够同时实现多种空间环境及效应地面模拟的试验装置是开展空间多因素环境协同效应地面模拟试验的前提，为此，需要搭建不但能够同时实现空间电子、质子、紫外、空间碎片、原子氧、等离子体、真空、高低温以及污染环境的地面模拟试验装置，而且要具备对各类空间环境因素及效应的实时监测能力，具备对材料成分和微观缺陷的原位分析能力，这也是目前国际航天大国的发展趋势［12］。

2）加强多因素环境协同效应机理研究。针对不同的材料或器件，空间环境对航天器的协同效应或者空间环境对航天器的诱发效应机理是不同的，只有对其效应机理进行充分研究，才能对试验结果给予正确的判读，对试验方法给予指导，对性能退化趋势给予分析。

3）建立空间多因素环境协同效应试验方法。由于地面模拟试验过程中，往往很难同时实现所有环境因素的共同作用；同时，还要受到环境模拟试验能力的限制，一般采用几种环境同时作用或者顺序作用。因此，需要建立空间多因素环境协同效应试验方法，以提高航天器空间多因素环境协同效应研究的有效性。

4）加强航天器多因素环境协同效应仿真及预示方法的研究。由于地面模拟试验很难实现在航天器全寿命周期的模拟试验，因此可在对航天器性能退化机理和试验分析的基础上，建立航天器敏感材料或器件的性能退化预示模型，以对其在轨性能进行仿真预示。

5 结束语

随着 “天宫一号”和 “神舟九号”的成功对接，我国拉开了空间站建设的序幕，同时随着高分辨率对地观测、导航系统等航天工程的不断推进，航天器在轨寿命要求越来越长，可靠性要求越来越高。空间多因素环境协同效应将对航天器在轨性能与可靠性带来严峻挑战，在航天器材料与器件的设计、研制与选用过程中，要充分考虑空间多因素环境协同效应对其性能的影响，进而在地面模拟试验过程中要加强环境及效应剪裁、协同效应试验方法、退化机理及预示方法的研究，以更好地提高航天器在轨的可靠性，满足未来航天活动与航天器长寿命的要求。

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