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  • GB/T 41543-2022 空間環境 航天材料空間環境效應模擬試驗通用規范.pdf

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    • GB/T 41543-2022  空間環境 航天材料空間環境效應模擬試驗通用規范

      5.6月球空間環境因素

      月球的空間環境因素主要包括真空、NUV、FUV、太陽風、GCR、SEP、微流星體、磁層熱等離子體 熱循環、二次粒子、月塵等,

      郵政標準5.7火星空間環境因素

      火星的空間環境因素主要包括火星大氣、NUV、FUV、GCR、SEP、微流星體、太陽風、火星表 中子、火星塵暴等。

      5.8木星空間環境因素

      5.9土星空間環境因素

      5.10水星空間環境因素

      水星的空間環境因素主要包括NUV、FUV、GCR、SEP、微流星體、熱循環等。

      5.11金星空間環境因表

      金星的空間環境因素主要包括金星大氣、NUV、FUV、GCR、SEP、極端高溫、極端高壓等

      材料空間環境效應模擬運

      6.1空間環境對航天材料的影響

      在模擬空間環境對航關材料的作用時,將考慮空間環境對航關材料的物理作用和化學效應? 因素的選擇根據第5章中的主要空間環境因素和次要空間環境因素來確定

      6.1.2低地球軌道(包括極軌)環境對航天材料的影響

      低地球軌道空間環境對 極區帶電效應、南大西洋異常區

      6.1.3中地球軌道環境對航天材料的影響

      中地球軌道空間環境對航天材料的影響主要包括材料升華、紫外輻射下材料光學性能退化、磁層 子體帶電、ERB電子引起的內帶電、GCR和SEP引起的輻射損傷、空間碎片引起的表面撞擊損傷

      地球靜止軌道/地球同步軌道環境對航天材料的

      地球靜止軌道/地球同步軌道空間環境對航天材料的影響主要包括材料升華、紫外輻射下材料光 退化、磁層熱等離子體帶電、ERB電子引起的內帶電、GCR和SEP引起的輻射損傷、空間碎片引走 面撞擊損傷。

      6.1.5行星際空間環境對航天材料的影響

      GB/T41543—2022

      行星際空間環境對航天材料的影響主要包括材料升華、紫外輻射下材料的光學性能退化、太陽 引起的濺射、流星體引起的表面撞擊損傷

      6.1.6近月及月面空間環境對航天材料的影響

      近月及月面空間環境對航天材料的影響主要包括材料升華、紫外輻射下材料光學性能退化、太陽風 質子的濺射、GCR和SEP引起的輻射損傷、月表二次粒子和空間碎片表面撞擊損傷、月塵引起的表面 污染。

      6.1.7近火星及火星表面空間環境對航天材料白

      近火星及火星表面空間 下材料光學性能退化、

      6.1.8近木星空間環境對航天材料的影響

      近木星空間環境對航天材料的影響主要包括GCR和SEP引起的輻射損傷、木星磁層引起的 星體表面撞擊

      6.1.9近土星空間環境對航天材料的影響

      引起的輻射損傷、土星磁層引起的 星體或大的固體顆粒引起的表面撞擊

      6.1.10近水星及水星表面空間環境對航天材料的影響

      星及水星表面空間環境對航天材料的影響主要包括GCR和SEP引起的輻射損傷、水星磁層 電、流星體表面撞擊、熱循環引起的材料損傷,

      近金星及金星表面空間環境對航天材料的影響

      包括GCR和SEP引起的輻射損傷、金星磁 的帶電、流星體表面撞擊、極端溫 能退化

      6.2航天材料空間環境效應的研究流程

      當分析主要空間環境因素和次要空間環境因素對航天材料的效應時,一般使用三種方法,分別為: 航天材料樣品的地面實驗室實驗或試驗、理論研究和計算機模擬、空間飛行實驗。 以上三種方法密切相關,可以同時使用。圖1給出了航天器材料或器件的空間輻射環境效應研究 流程。

      GB/T 415432022

      航天器材料或器件的空間輻射環境效應研究流程

      航天器材料或器件的空間輻射環境效應研究流程如下。 a)需要知道空間輻射的模型和標準(1)、軌道類型和航天器的壽命(2),以及航天器設計、應用的 材料和在軌器件(3)。 b)給出對試驗設備的要求、用于空間輻射效應模擬的數學模型和軟件工具(4)。 C 選出最合適的實驗方法和設備(5)、數學模型和軟件工具(7)?臻g環境對航天材料影響的數 學模型可使用分析和數值計算的方法來實現。研究航天器與空間環境相互作用的推薦性數學 模型見附錄B。 d)對空間環境的特征、航天器內的輻射情況、對不同材料的輻射效應進行同時研究的空間綜合 實驗(6),需要與實驗室試驗和數值模擬的結果來一起考慮和分析。 用上述方法獲得的數據將用于構建材料和器件在不同空間環境下的退化模型(8),進而用于開 發分析航天器的可靠性和壽命預估的方法(9),以及給出航天器防輻射效應的方法和建議 (10)

      6.3航天材料空間環境效應地面模擬試驗原則

      在開展航天材料空間環境效應地面模擬試驗時,在保證空間環境對航天材料影響的物理和化學機 制保持不變和可以獲得正確的大量的試驗結果的前提下,充分考慮如何提高試驗效率、選擇合適的帶電 粒子能量、可替換的輻射方法等。 在航天材料的地面模擬試驗期間,將用到兩個主要的方法。第一個方法是對應的空間環境在實驗 室設備中的再現,而且沒有額外的環境產生。然而,在實驗室條件下,完全再現一定的空間環境并在同 一套裝置中同步模擬是不可能實現的,主要原因為空間輻射環境是多能譜分布,而且宇宙線的成分是復 雜的。第二個方法是模擬空間環境對航天器的效應。在這種情況下,基于特定的假設和通過研究獲得 的材料退化的物理機制,選取一種或幾種對航天材料有主要影響作用的空間環境因素來模擬。

      在效應模擬這一原則下,加速試驗的周期通常短于材料實際在軌的周期,而且,經常使用單能輻射 原或者一定類型的輻射替代源。然而,這種方法要求具有空間環境對航天材料作用機制的物理知識,因 加速試驗和替代性模擬的科學有效性不足將導致試驗的失敗。需要注意的是,航天材料的退化速率 加速倍率之間并不存在一個線性關系。 考慮到影響航天器的空間環境因素的多樣性和過程的復雜性,模擬試驗通常按照以下原則開展。 a)待試的材料或器件的耐用性受其最薄弱部分限定。 b)在充分考慮航天器的軌道類型和壽命的前提下,通常選取一種(有時是兩種或三種)空間環境 因素作為對航天材料的損傷因素。 需要考慮引起材料或設備退化的最重要物理過程。 d 選擇用一種環境來替代某特定空間環境的標準。例如,如果在被輻照樣品材料中的劑量是隨 厚度均勻分布的,那么在材料內部出現的輻射缺陷的類型和密度是相似的。

      6.4空間環境模型的應用方法

      基于對空間環境和研究方法的物理模型和數學模型來開展航天材料空間環境效應的地面模擬試驗 和數值仿真?臻g環境模型應用方法見圖2。 通過試驗方法或理論分析方法等形式將空間環境模型用于航天器空間環境效應研究,其中,很重要 的一點是要利用較全面的探測數據來開發一套公認的空間環境模型,以用于解決所有的航天任務。對 應用問題,則創建一個包括復雜空間環境模型和航天器與空間環境相互作用的數據庫專家系統是非常 必要的。對這些專家系統的要求將以技術條目來實現,如軌道參數、任務周期等。高水平的專家系統將 包括通過地球衛星獲取的近地空間實時在線數據,例如太陽風速度、行星際磁場、帶電粒子通量以及基 于地基觀測的地磁場、太陽電磁輻射、中子監測數據等。在這種情況下,專家系統可以實時運行,并能預 測空間環境對航天器的影響,給出相應的防護建議

      圖2空間環境模型應用方法

      GB/T 415432022

      材料空間環境效應地面模擬試驗參數選擇注意

      在利用空間環境效應地面模擬試驗裝置開展航天材料空間環境效應時,需要注意: a 當選擇地面模擬試驗裝置的參數時,需要考慮利用某一特定類型的輻射來替代其他類型的輻 射來開展加速試驗的可能性,以及利用單一能量的粒子來替代能譜分布的粒子流等。 b) 充分考慮地面模擬試驗可能帶來的額外效應,如原子氧源產生的紫外輻射、帶電粒子束流對材 料引起的熱效應等

      7航天材料空間環境效應地面模擬試驗要求

      7.1航天材料空間環境效應地面模擬試驗目的

      開展航天材料空間環境效應地面模擬試驗的目的是獲取航天材料在軌服役期間暴露于空間環境下 的性能變化情況,獲取航天材料在軌壽命期間的性能數據。 在開展航天材料的空間環境耐受性評估時,需要考慮: a 航天器壽命任務期間的輻射情況; b) 材料在航天器上的使用位置; c 航天器任務期間,溫度對材料的影響; d 對介質材料來說,表面和體充放電行為及防護方法; e) 外露非金屬材料和裝置在NUV/FUV和AO作用下的光學性能變化情況; 可能存在的不同空間環境的協同效應

      7.2航天材料空間環境效應地面模擬試驗程房

      如果航天材料沒有相應的空間環境效應數據,或者數據不充分,則需要對航天材料開展空間環境效 應地面模擬試驗。 標準的試驗將包括以下內容: a) 材料(試驗對象); 有待評估的定性和定量參數(或指標); C 材料可通過試驗的準則; d 試驗順序、模式和條件; e 允許的偏差值; 計算方法或公式; g) 試驗方法; h) 用于試驗的測量工具或試驗裝置; i 試驗結果處理方法。 試驗的程度由材料的功能性目的和損傷因素的變化和水平決定。在試驗中,人們可以分別來模擬 損傷因素,損傷因素的作用可以是順序的,也可以是幾種因素的綜合作用,或者幾種空間環境的全周期 作用。 試驗結果將根據材料的特性變化和使用限制給出使用建議。材料的在軌特性變化將在試驗過程中 測試獲得。 在客戶認可的情況下,材料特性可以在試驗前和試驗后測試,或者在試驗過程中,根據在軌環境的 變化來進行測試。

      7.3航天材料的功能分類

      航天材料可根據其功能分類如下: a 結構材料; b)絕緣材料; 密封材料; d)黏結材料; e) 涂層材料; f)光學材料; g)隔熱材料或防熱材料; h)離子交換材料。 有些材料可能具有不同的功能,需要開展的空間環境效應地面模擬試驗和方法根據其功能目的來 確定

      7.4航天材料NUV輻照地面模擬試驗

      對航天器外露涂層和光學材料等受太陽輻射的材料需要開展NUV輻照試驗。NUV源的光譜范 圍為200nm到400nm,并與太陽光譜盡量相似。在輻照試驗過程中,樣品的光學特性需要在真空腔而 不是移到外面大氣狀態下測試,即開展原位測試。當樣品的光學特性在真空腔外測試(即異位測試)時, 樣品在空氣中的暴露時間宜盡可能小以避免試驗后的氧化效應。樣品的光學特性變化與輻照時間相 關。樣品的光學性能的預估可由數學模型來計算獲得

      7.4.2NUV輻照退化機制

      NUV輻照將打斷聚合物的交聯價健。在另一方面,紫外加速了交聯。這些過程是由與鍵能相關 的特定波長的光引起。大多數據聚合物在紫外環境下的光學性能變化是由于顏色的變黑。同時,聚合 物的硬度將增加,進而將變脆。

      7.4.3NUV輻照敏感材料

      暴露于NUV輻照下的聚合物將受到影響?傋⒘渴芎教炱鞯淖藨B和材料在航天器上的位置決 定。紫外僅僅影響材料的表面。材料內部、多層覆蓋或者箱體的內部材料將不受影響。 金屬材料不受NUV輻照的影響。但當將表面化學處理或者氧化處理后用于熱控時,需要評估材 料的光學性能變化。

      7.4.4NUV輻照地面模擬試驗的局限性

      需要對試驗樣品冷卻以去除NUV燈的熱的影響。但樣品表面溫度可能與冷卻板的溫度不同 ,宜直接測量參考樣品的表面溫度。

      7.4.5典型NUV輻照試驗裝置

      將樣品放置在真空腔內的冷卻板上。輻照紫外光通過窗口進入?奢^為近似地模擬250nm到 1100nm的太陽光的氙燈被廣泛地應用

      7.4.6NUV輻照試驗參考標準

      可參考的試驗標準有:

      7.5航天材料FUV輻照地面模擬試驗

      對航天器外露涂層和光學材料等受太陽輻照的材料需要開展紫外輻照試驗。FUV源的光譜范圍 為10nm到200nm,并與太陽光譜盡量相似。在客戶同意的情況下,也可使用FUV線性光譜源。在 輻照試驗過程中,樣品的光學特性需要在真空腔內而不是移到外面大氣狀態下測試。光學特性的變化 與輻照時間相關。光學性能的預估可由數學模型來計算獲得。

      7.5.2FUV輻照退化機制

      7.5.3FUV輻照敏感材料

      一些材料在FUV輻照試驗下將出現與NUV輻照試驗相比更大的變化。

      7.5.4FUV輻照地面模擬試驗的局限性

      7.5.5典型FUV輻照試驗裝置

      FUV輻照試驗參考標準

      7.6航天材料AO侵蝕地面模擬試驗

      對位于航天器外層的涂層、光學材料、熱絕緣材料、熱防護材料、非金屬材料,需要開展AO試驗 AO輻照退化機制 由于化學侵蝕,高速原子氧轟擊將引起材料的質量損失

      7.6.2AO輻照退化機制

      化學侵蝕,高速原子氧轟擊將引起材料的質量損

      7.6.3AO敏感材料

      直接暴露在原子氧輻照環境下的聚合物材料將受到影響。航天器由于其高速運行而與AO相撞 擊,迎風面將受到最大的AO注量,AO也可以從表面反射。AO只影響材料的表面。位于航天器內部 的材料、多層(MIL)覆蓋或者箱體內部的材料將不受AO的影響。然而,經MLI邊緣或侵蝕的孔洞 AO可經多次反射并進入覆蓋區域。材料的暴露區域、多層的邊緣或者孔洞附近將被AO侵蝕。 由于可能很快被氧化,銀和不可用于暴露的AO輻照的位置。其他材料不受影響。

      7.6.4A0輻照地面模擬試驗的局限性

      GB/T415432022

      試驗樣品應被冷卻以去除AO源的熱效應。 微波解離原子氧或激光解離原子氧裝置將產生UV 光副產物。AO侵蝕產生的金屬污染也可能產生。等離子體中性化不能再現在軌狀態如AO束流或速 度。輻照狀態對材料退化的影響將被評估。對長期在軌飛行的模擬試驗時間由加速倍率來確定。

      7.6.5典型AO輻照試驗裝置

      微波或激光解離型裝置可模擬LEO軌道8km/s的航關器的AO輻照。等離子體中性化方法是 使用更簡單的裝置來近似模擬AO輻照

      7.6.6A0輻照試驗參考標準

      所有位手航天器外表面 達到80℃、對航大器光敏感表面或者電子學器件是一個潛 源的非金屬聚合物材料均需要開展出氣試驗。

      7.7.2出氣退化機制

      在真空環境下,聚合物材料表面吸附的分子或者揮發性分子將被釋放出來。高溫將加速這些 釋放。

      7.7.3出氣敏感材料

      每一種聚合物都將釋放氣體?傮w上,較軟的、低熔點和低限制溫度的聚合物釋放氣體更多。 的溫度下,材料將釋放更多的氣體

      7.7.4出氣地面模擬試驗的局限性

      出氣試驗目給出在熱 失情況,試驗口參照GB3 開展。但通過這些試驗獲取的數據關 對不同的樣品溫度或者加熱時 包是可以的

      7.7.5典型出氣試驗裝置

      7.7.6出氣試驗參考標準

      可參考的試驗標準有: a) GB/T 34517; b)ASTME595:

      GB/T41543—2022

      7.8航天材料熱循環地面模擬試驗

      7.8.2熱循環退化機制

      對兩個粘合在一起的熱膨脹系數不同的材料,熱應力將引起變形、剝落。 當溫度高于其玻璃轉換點溫度時,材料將發生軟化。

      7.8.3熱循環敏感材料

      用于低溫或高溫臨界點附近的聚合物材料。 力學夾緊材料或者黏結材料。在設計中,兩種熱膨脹系數相差較大的材料不宜連接。

      7.8.4熱循環地面模擬試驗的局限性

      盡管可以快速實現溫度改變,但熱沖擊試驗并不適合在真空下執行。 由于受變溫速率的限制,具有多循環周期的熱真空試驗往往需要較長的時間

      1.8.5典型熱循環試驗裝

      典型熱循環試驗裝置主要分為熱沖擊試驗裝置和熱真空試驗裝置。 a)熱沖擊試驗裝置 熱沖擊試驗裝置具有極冷和極熱兩個腔。試驗樣品在兩個腔之間轉換?焖俚臏囟茸兓梢 實現較短的循環時間和較多的循環周期。試驗可以在大氣壓力下開展。一些材料可能發生氧 化效應。 b) 熱真空試驗裝置 將樣品放人真空腔中,利用太陽模擬器、紅外(IR)板、IR燈或籠等熱源對樣品進行加熱,利用 冷板或冷環對樣品進行制冷。 由于輻射是主要的傳熱方式,溫度變化速率將受到限制

      7.8.6熱循環試驗參考標準

      7.9航天材料輻射效應地面模擬試驗

      ERB的電離輻射主要是電子和質子,能量范圍從數百eV到數百MeV。由于具有不同的穿透性和

      ERB的電離輻射主要是電子和質子,能量范圍從數百eV到數百MeV。由于具有不同的穿透性

      7.9.2輻射效應退化機制

      輻射將打斷聚合物中的價健。在另一方面,輻射加速價健的交聯。這些過程可引起組分的解離、脆 化、變黃、電性能的變化和力學性能的退化等。 電線絕緣層的退化將降低材料的擊穿電壓。主要退化機制與材料的類型、LET值、射線的類型等 相關。 除熱控材料外,大多數聚合物將不表現出或者表現出輕微的熱光性能變化,然而,輻射也會加速由 UV引起的熱光性能的改變。

      7.9.3輻射敏感材料

      7.9.4輻射效應地面模擬試驗的局限性

      能夠開展離子輻照試驗的裝置較少。經常使用電子束輻照來代替其他離子。試驗樣品應被冷 除來自于輻射離子的熱效應。典型試驗裝置應能提供較大的加速倍率,而材料退化與束流間的 尚待研究。

      7.9.5典型輻射效應地面模擬試驗裝置

      典型試驗裝置包括: a)電子束:電子加速器; b)質子束:回旋加速器,串列加速器; c)射線:5°Co源; d)重離子; e)串列加速器(重離子由于較小的注量從而不是材料性能退化的主要因素)

      7.9.6輻射效應地面模擬試驗參考標準

      探傷標準7.10航天材料空間碎片或微流星體撞擊試驗

      對位于航天器外面的熱控涂層和光學材料需要開展空間碎片與微流屋體撞擊試驗,試驗方法參照

      GB/T 415432022

      ISO11227相關規定,

      試驗、檢測與鑒定間碎片或微流星體撞擊退

      空間碎片或微流星體將對航天材料產生高速撞擊。主要參數包括撞擊速度、噴濺物、材料強度、熱 電容、厚度、多層結構等

      7.10.3高速撞擊敏感材料

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