本發(fā)明屬于空間環(huán)境效應(yīng)領(lǐng)域，尤其涉及低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗。

背景技術(shù)：

低地球軌道距離地面100km～1000km，是對地觀測衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、載人飛船、空間站、航天飛機等航天器的主要軌道。低軌道區(qū)主要的空間環(huán)境包括地球中性高層大氣、等離子體(電離層和沉降等離子體)、地磁場、地球輻射帶、銀河宇宙線、太陽宇宙線、太陽電磁輻射、流星體與碎片等環(huán)境。由于低軌道空間環(huán)境很惡劣，它對航天器的影響一直為人們所關(guān)注?？臻g實踐表明：空間環(huán)境是誘發(fā)航天器故障和異常的主要原因之一。國內(nèi)外的衛(wèi)星故障統(tǒng)計分析表明，空間環(huán)境誘發(fā)的故障約占總故障的40％。低地球軌道中的原子氧對材料表面的腐蝕可導(dǎo)致材料性能的退化，空間輻射使有機材料性能劣化，熱循環(huán)造成材料尺寸的不穩(wěn)定和機械性能下降，微流星體和空間碎片的撞擊造成材料機械損傷甚至破壞，而超高真空則會導(dǎo)致有機材料分解蛻變、放氣。值得注意的是，這些因素往往協(xié)同作用，加速了材料的破壞，產(chǎn)生許多意想不到的結(jié)果。研究材料的低地球軌道環(huán)境效應(yīng)，開發(fā)滿足航天器性能要求且對空間環(huán)境有較好的適應(yīng)性和耐久性的材料已成為一個熱點課題?？臻g環(huán)境與航天器之間相互作用發(fā)生在太空，直接實驗研究難度大，搭載試驗所需成本費用高。解決問題的最基本途徑是在地面模擬空間環(huán)境。通過地面模擬試驗的研究，揭示空間環(huán)境與材料相互作用的基本規(guī)律，闡明材料空間環(huán)境效應(yīng)的基本特征與機理，并將所獲得的研究成果用于指導(dǎo)空間應(yīng)用。因此，為了有效地展開空間材料科學(xué)技術(shù)研究，十分需要建立低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方法。

低地球軌道空間環(huán)境很復(fù)雜，目前主要研究的是熱循環(huán)、太陽紫外、粉塵、原子氧、空間帶電粒子輻射及高真空對材料的影響。目前，人類積累了許多空間單因素環(huán)境下低地球軌道航天器用暴露材料地面模擬試驗方法，成為人類探索認識空間材料科學(xué)問題的重要依據(jù)，也為各國航天事業(yè)的發(fā)展作出了不可替代的貢獻。但是，這些研究均未能全面實現(xiàn)低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有低地球軌道航天器用暴露材料地面模擬試驗方法不能夠全面實現(xiàn)暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)研究的問題，現(xiàn)提供低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方法。

本發(fā)明所述的低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方法包括兩種方案：

第一種方案：低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方法，該方法包括以下步驟：

步驟一：將待實驗樣品置密封腔體內(nèi)，對待實驗樣品進行粉塵模擬試驗，然后執(zhí)行步驟二；

步驟二：對待實驗樣品進行原子氧環(huán)境及紫外環(huán)境試驗，然后執(zhí)行步驟三；

步驟三：對密封腔體抽真空，進行熱循環(huán)試驗，然后執(zhí)行步驟四；

步驟四：根據(jù)待試驗樣品的厚度t，選擇入射電子及質(zhì)子的能量，使得電子及質(zhì)子的入射深度大于2t，對待實驗樣品進行帶電粒子輻照試驗，當輻照粒子的總注量或總劑量達到試驗的要求時，進行低地球軌道航天器用暴露材料性能測試，完成低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗。

第二種方案：低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方法，該方法包括以下步驟：

步驟一：將待實驗樣品置密封腔體內(nèi)，對待實驗樣品進行粉塵模擬試驗，然后執(zhí)行步驟二；

步驟二：對待實驗樣品進行原子氧環(huán)境及紫外環(huán)境試驗，然后執(zhí)行步驟三；

步驟三：對密封腔體抽真空，然后執(zhí)行步驟四；

步驟四：根據(jù)待試驗樣品的厚度t，選擇入射電子及質(zhì)子的能量，使得電子及質(zhì)子的入射深度大于2t；對待實驗樣品同時進行熱循環(huán)試驗和帶電粒子輻照試驗，當輻照粒子的總注量或總劑量達到試驗的要求時，進行低地球軌道航天器用暴露材料性能測試，完成低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗。

上述低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方法，密封腔體內(nèi)設(shè)有溫度控制裝置，溫度控制裝置的引線通過密封腔的真空插頭連接電源，溫度控制裝置的調(diào)節(jié)范圍為-180℃～150℃。

上述低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方法，粉塵模擬試驗中，粉塵尺寸為0.01μm～500μm，粉塵速度為1km/s～100km/s。

上述低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方法，原子氧環(huán)境試驗中，原子氧能量為3eV～9eV，原子通量為1e10atoms/cm2s～1e19atoms/cm2s；

紫外環(huán)境試驗中，紫外波長0nm～400nm，強度為0.1suns～10suns。

上述低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方法，步驟三中，密封腔體抽真空，使密封腔體內(nèi)的壓強為10^-1Pa～10^-5Pa。

上述低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方法，熱循環(huán)試驗中，升溫及降溫速率為0.01℃/min～50℃/min，且保溫時間能夠使得待實驗樣品表面與待實驗樣品內(nèi)部的溫度相同。

上述低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方法，其特征在于，帶電粒子輻照試驗中，質(zhì)子的入射方向垂直于待實驗樣品表面，電子的入射方向與待實驗樣品法向的夾角在45°角以內(nèi)；

質(zhì)子及電子的輻照均勻度大于10％；

質(zhì)子及電子的輻照面積大于等于待實驗樣品表面積的1.5倍，且能夠?qū)悠吠耆采w住。

本發(fā)明是基于地面單因素和多因素模擬環(huán)境，建立一種可以模擬低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)的地面模擬試驗方法。本發(fā)明的應(yīng)用不同類型地面單因素及多因素環(huán)境，步驟簡單，易于操作。本發(fā)明所提出的技術(shù)途徑能夠大幅度降低試驗的費用，對低地球軌道航天器用暴露材料空間環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗和研究具有重大意義。在空間環(huán)境效應(yīng)研究與抗輻照加固技術(shù)應(yīng)用中，有著明顯的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是速度為9km/s、尺寸為10um的粉塵撞擊光學(xué)玻璃時的示意圖；

圖2是電子和質(zhì)子在Teflon(聚四氟乙烯)材料中的射程曲線圖，A表示電子，B表示質(zhì)子；

圖3是5MeV質(zhì)子、1MeV電子及熱循環(huán)共同作用在Teflon材料上的試驗結(jié)果曲線圖；

圖4是粉塵、原子氧及1MeV電子共同作用在Teflon材料上的試驗結(jié)果曲線圖。

具體實施方式

低地球軌道航天器用暴露材料主要受到真空、熱循環(huán)、太陽紫外、粉塵、原子氧及帶電粒子輻照等空間環(huán)境因素的影響。本發(fā)明基于真空、熱循環(huán)、太陽紫外、粉塵、原子氧、電子輻照及質(zhì)子輻照同時或順序作用，通過選擇控制真空度、熱循環(huán)溫度范圍區(qū)間、太陽紫外強度、粉塵尺寸大小及速度、原子氧能量及通量、電子能量及通量、質(zhì)子能量及通量，以及控制同時或順序綜合作用，來達到低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬的目的。

具體來說，為了達到上述技術(shù)目的，本具體實施方式采用以下具體方法：

本實施方式所述的低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方法，該方法包括以下步驟：

步驟S1：將溫度控制裝置放置在密封腔內(nèi)，溫度控制裝置引線利用密封腔的真空插頭進行連接；調(diào)節(jié)溫度區(qū)間到所需要的范圍為：-180℃～+150℃；

步驟S2：準確測試待試驗樣品的厚度t，并測試其初始性能參數(shù)，然后進行粉塵模擬試驗，粉塵尺寸選擇為0.01μm～500μm、速度為1km/s～100km/s；

步驟S3：進行原子氧環(huán)境及紫外環(huán)境試驗。原子氧能量為3eV～9eV、原子通量為1e10atoms/cm2s～1e19atoms/cm2s；紫外波長0nm～400nm，強度為0.1suns～10suns；

步驟S4：完成該項試驗后，將樣品固定在溫控試樣臺。根據(jù)樣品厚度t，基于Geant4和SRIM軟件計算仿真，選擇入射電子及質(zhì)子的能量，粒子能量的選擇使其入射深度大于2t；

步驟S5：質(zhì)子的入射方向應(yīng)垂直于樣品表面，電子的入射方向與樣品法向的夾角應(yīng)在45°角以內(nèi)。并且，質(zhì)子及電子的輻照不均勻度應(yīng)小于10％；質(zhì)子及電子的輻照面積應(yīng)至少是樣品面積的1.5倍，且可將樣品完全覆蓋??；

步驟S6：將密封腔體進行抽真空，壓強大小為10^-1Pa～10^-5Pa，開始熱循環(huán)試驗。熱循環(huán)試樣升溫及降溫速率為：0.01～50℃/min；保溫時間應(yīng)保證樣品表面及內(nèi)部的溫度相同；

步驟S7：完成不同次數(shù)的熱循環(huán)后，可原位進行輻照試驗；或者在進行熱循環(huán)試驗的同時，進行帶電粒子輻照試驗；

步驟S8：帶電粒子輻照試驗時，可基于電子及質(zhì)子同時輻照進行空間綜合輻射環(huán)境試驗研究，或者通過電子及質(zhì)子順序輻照試驗進行綜合輻射環(huán)境試驗研究。當輻照粒子的總注量(或總劑量)達到試驗的要求時，進行綜合環(huán)境試驗后的低地球軌道航天器用暴露材料性能測試。

為了在科學(xué)上實現(xiàn)空間綜合環(huán)境與低地球軌道航天器用暴露材料作用基本理論和方法研究，揭示空間綜合環(huán)境下低地球軌道航天器用暴露材料性能退化的基本規(guī)律與各種空間環(huán)境綜合效應(yīng)的物理本質(zhì)，建立空間綜合環(huán)境下低地球軌道航天器用暴露材料地面模擬試驗的方法。

本實施方式所涉及的綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方法，可以在低地球軌道航天器用暴露材料中產(chǎn)生空間綜合環(huán)境效應(yīng)的試驗方法，其應(yīng)用對象包括各類低地球軌道航天器用暴露材料。本實施方式基于選擇控制真空度、熱循環(huán)溫度范圍區(qū)間、太陽紫外強度、粉塵尺寸大小及速度、原子氧能量及通量、電子能量及通量、質(zhì)子能量及通量，以及控制各環(huán)境因素的作用次序，可對低地球軌道航天器用暴露材料產(chǎn)生相同的損傷效果，達到低地球軌道航天器用暴露材料空間綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬。

對于上述環(huán)境的綜合，粉塵尺寸大小及速度，電子和質(zhì)子的能量選擇特別關(guān)鍵。因為如果空間粉塵能夠使得材料表面發(fā)生損傷或破裂，會對其他空間環(huán)境因素的作用產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。并且，需要電子及質(zhì)子能夠完全穿透低地球軌道航天器用暴露材料樣品。此外，需要保證電子及質(zhì)子輻照，在低地球軌道航天器用暴露材料樣品中產(chǎn)生均勻的損傷。為此，需要選擇合適的電子和質(zhì)子能量，使其射程超過低地球軌道航天器用暴露材料樣品厚度的2倍以上。速度為9km/s、尺寸為10um的粉塵撞擊光學(xué)玻璃時的示意圖，如圖1所示。電子及質(zhì)子在Teflon材料中的曲線如圖2所示。

為了進一步說明上述方式的合適性，將試樣選擇為Teflon材料，其厚度為100μm、面積為1cm×3cm。試驗條件為真空條件下，真空度為10-3Pa。圖3給出了5MeV質(zhì)子、1MeV電子及熱循環(huán)共同作用的試驗結(jié)果。圖3中熱循環(huán)條件為：溫度范圍為-100℃～+50℃、循環(huán)次數(shù)為200次、升降溫速率5℃/min。輻照條件為：1MeV電子輻照通量1e10e/cm2s、輻照面積20cm×50cm、輻照不均勻度小于5％；5MeV質(zhì)子輻照通量1e8p/cm2s、輻照面積2cm×20cm、輻照不均勻度小于5％。電子和質(zhì)子采取順序輻照方式，且與熱循環(huán)采用順序和同時作用方式。由圖3可以看出，不論順序作用還是同時作用，對聚合物材料造成的損傷程度相同。

圖4給出了粉塵、原子氧及1MeV電子共同作用的試驗結(jié)果。圖中，1MeV電子的條件與圖3相同；粉塵物質(zhì)為Al球，其直徑為30μm，速度為8km/s；原子氧能量為5eV，輻照通量為1e15atoms/cm2s。粉塵、原子氧及1MeV電子采取順序作用的方式。由圖可見，粉塵和原子氧作用后，再進行電子輻照時，會加劇電子輻照所造成的損傷。會造成加劇，和質(zhì)子采取順序輻照方式，且與熱循環(huán)采用順序和同時作用方式。并且，與先原子氧環(huán)境試驗再粉塵環(huán)境試驗相比，先粉塵環(huán)境試驗再進行原子氧環(huán)境試驗后，進行電子輻照時所造成損傷程度更大。