低地球軌道原子氧?太陽遠(yuǎn)紫外協(xié)合效應(yīng)地面試驗(yàn)條件探討

焦子龍，姜海富，姜利祥，翟睿瓊，楊艷斌

（1.可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所：北京 100094）

0 引言

高度范圍200～700km 的低地球軌道是遙感衛(wèi)星、低軌通信衛(wèi)星和空間站等航天器運(yùn)行的主要軌道。該軌道高度范圍大氣的主要成分之一是具有強(qiáng)氧化性的原子氧。由于航天器的低地球軌道速度約為8km/s，相當(dāng)于原子氧以此速度撞擊航天器表面，容易造成航天器表面聚合物材料被氧化剝蝕，熱學(xué)、光學(xué)及力學(xué)等性能顯著變化。

同時(shí)，航天器在軌還受到太陽紫外輻照作用。Koontz 等最早提出紫外輻照可能與原子氧存在協(xié)合增強(qiáng)效應(yīng)。對(duì)于在航天器上應(yīng)用廣泛的聚合物材料而言，其化學(xué)鍵會(huì)在紫外光子作用下被切斷，形成激發(fā)態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生自由基，可促進(jìn)原子氧的剝蝕效應(yīng)。

目前已有一些研究者建立了相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)備，能夠進(jìn)行原子氧?紫外協(xié)合效應(yīng)的研究，但對(duì)紫外輻照條件的制定依據(jù)尚研究不足。原子氧通量和紫外曝輻照度與航天器相對(duì)于太陽、地球的位置，以及航天器自身的形狀、姿態(tài)等有關(guān)，因此航天器表面材料同時(shí)暴露在兩種環(huán)境后的效應(yīng)相對(duì)單一因素分別作用更為復(fù)雜。Yokota 等在原子氧?紫外協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中采用了紫外曝輻照度/原子氧注量比（以下簡稱注量比）參數(shù)，有助于試驗(yàn)結(jié)果分析和協(xié)合效應(yīng)機(jī)理分析。

本文提出將注量比參數(shù)作為原子氧?紫外協(xié)合效應(yīng)地面試驗(yàn)條件制定中的重要依據(jù)，以進(jìn)一步提高地面試驗(yàn)?zāi)M的真實(shí)性和有效性。為此，以空間站軌道條件和立方體衛(wèi)星模型為例，進(jìn)行計(jì)算分析，獲得紫外曝輻照度及原子氧注量隨在軌時(shí)間的變化，并對(duì)注量比的變化進(jìn)行討論，以期為今后地面試驗(yàn)提供參考。

1 現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

目前，國內(nèi)外已有多家研究單位建立了原子氧/紫外環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)設(shè)備。這些設(shè)備采用的原子氧源主要有離子束中性化和激光加熱2 種形式。離子束中性化原子氧源采用射頻等方式激發(fā)產(chǎn)生氧等離子體，然后將其加速，再通過電荷交換或與帶負(fù)偏壓的中性化板碰撞使離子中性化，從而獲得氧原子束流。激光加熱原子氧源則是通過激光產(chǎn)生高溫高壓等離子體，再使其膨脹以產(chǎn)生高速中性氧原子束流。近紫外輻照模擬一般采用超高壓汞燈、超高壓汞氙燈和超高壓氙燈等；200nm 以下波長的遠(yuǎn)紫外輻照模擬一般采用氫燈、氘燈或氣體放電裝置。

國內(nèi)外典型的原子氧?紫外環(huán)境效應(yīng)地面模擬設(shè)備的主要性能參數(shù)見表1。這些設(shè)備具備同時(shí)施加原子氧和紫外輻照的協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)?zāi)芰?，但由于硬件限制和試?yàn)?zāi)康牟煌x取的模擬條件不盡相同，與在軌實(shí)際環(huán)境條件的符合性有待深入研究。

表1 原子氧?紫外環(huán)境效應(yīng)地面模擬設(shè)備Table 1 List of typical operational ground simulation facilities for simulating orbital atomic oxygen and ultraviolet irradiation

2 軌道原子氧和紫外環(huán)境計(jì)算

2.1 分析計(jì)算方法

為獲得軌道原子氧/紫外環(huán)境特性，需根據(jù)軌道參數(shù)、航天器幾何構(gòu)型和姿態(tài)等初始參數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)時(shí)刻航天器相對(duì)于太陽、地球的位置和速度，再根據(jù)該時(shí)刻的太陽活動(dòng)指數(shù)和地磁活動(dòng)指數(shù)計(jì)算原子氧通量和紫外曝輻照度（當(dāng)航天器位于地球陰影區(qū)時(shí)，不進(jìn)行紫外曝輻照度計(jì)算），流程如圖1 所示。

圖1 軌道原子氧/紫外環(huán)境計(jì)算流程Fig.1 Flowchart of calculation for orbital atomic oxygen/ultraviolet environment

圖1 給出了軌道原子氧/紫外環(huán)境計(jì)算的主要功能模塊，下面詳細(xì)介紹各模塊的計(jì)算方法及所用公式。

2.1.1航天器位置和速度計(jì)算

航天器的位置和速度計(jì)算采用二體模型。具體計(jì)算過程可參考文獻(xiàn)[12]。本文設(shè)置軌道計(jì)算時(shí)間步長為1s，滿足工程計(jì)算的精度要求。

2.1.2原子氧通量

根據(jù)自由分子流理論，表面入射原子氧通量可表示為

則原子氧注量為

其中t=+Δ，為計(jì)算起始時(shí)刻，Δ為軌道計(jì)算時(shí)間步長。

2.1.3紫外曝輻照度

紫外波段中，遠(yuǎn)紫外的協(xié)合效應(yīng)更為顯著，因此本文選取波長范圍為120～200nm 的遠(yuǎn)紫外為研究對(duì)象。航天器單位面積表面上紫外曝輻照度的計(jì)算式為

式中：E為太陽紫外輻照度；cosα稱為t時(shí)刻的取向因子，α為太陽入射方向與表面內(nèi)法線夾角。

認(rèn)為太陽光為準(zhǔn)直，則可根據(jù)太陽位置得到太陽入射方向。計(jì)算步驟如下：

1）將當(dāng)前協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC 轉(zhuǎn)換為儒略日J(rèn)D，再將后者轉(zhuǎn)換為儒略世紀(jì)，

2）計(jì)算平赤道地心坐標(biāo)系下的平近點(diǎn)角，

3）計(jì)算平赤道地心坐標(biāo)系下的平太陽經(jīng)度λ，

4）計(jì)算太陽的黃道經(jīng)度 λ，

5）計(jì)算日地距離及黃赤交角，

6）計(jì)算平赤道地心坐標(biāo)系下的地球與太陽之間的位置矢量，

上述算法精度達(dá)0.0002AU，滿足本文所需。

此外，紫外曝輻照度計(jì)算時(shí)還需考慮航天器是否位于地球陰影中。地球陰影近似為圓柱體，半徑為地球半徑，對(duì)于低地球軌道航天器，不考慮半影的影響。忽略1 個(gè)軌道周期內(nèi)太陽位置的變化，在地心坐標(biāo)系下，設(shè)航天器和太陽之間的位置矢量為，則當(dāng)成立時(shí)，航天器位于地影外；反之，航天器位于地影之中。

2.2 輸入?yún)?shù)

2.2.1航天器軌道及姿態(tài)參數(shù)

選取空間站任務(wù)作為典型LEO 任務(wù)，其軌道高度為400km，傾角42°；其他參數(shù)如升交點(diǎn)赤經(jīng)、近地點(diǎn)幅角、真近點(diǎn)角等均為0°。作為初步計(jì)算，假設(shè)航天器為邊長1m 的正立方體衛(wèi)星，三軸穩(wěn)定。衛(wèi)星坐標(biāo)系及星?地?日位置關(guān)系如圖2 所示，+面為迎風(fēng)面，-面為背風(fēng)面。由式(1)可知，-面原子氧通量遠(yuǎn)小于+面的，可近似為0，因此計(jì)算中未考慮該面的協(xié)合環(huán)境。

圖2 太陽、地球、衛(wèi)星相對(duì)位置及衛(wèi)星坐標(biāo)系示意Fig.2 The relative positions of the sun,the Earth,and the satellite in satellite coordinate system

2.2.2環(huán)境參數(shù)

軌道中性大氣原子氧環(huán)境受太陽活動(dòng)和地磁活動(dòng)影響變化顯著，太陽活動(dòng)高年相比太陽活動(dòng)低年原子氧數(shù)密度變化可能達(dá)500 倍。計(jì)算表明，原子氧年平均注量變化與太陽活動(dòng)11 年周期相對(duì)應(yīng)。原子氧參數(shù)采用NRLMSIS00E 模式計(jì)算。模式所需太陽活動(dòng)指數(shù)F10.7 和地磁活動(dòng)指數(shù)Ap數(shù)據(jù)取自irimodel.org 網(wǎng)站。該網(wǎng)站為國際電離層參考模型的官方網(wǎng)站，提供了用于NRLMSIS00E計(jì)算的F10.7 每日數(shù)值、81 天平均值以及Ap 指數(shù)每3h 數(shù)值、每日平均值等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄起始時(shí)間為1958 年1 月1 日，一直每日更新。

太陽紫外輻照具有包括約11 年太陽黑子周期和準(zhǔn)27 天自轉(zhuǎn)周期在內(nèi)的不同時(shí)間尺度的規(guī)則變化，且波長越短，變化越劇烈。目前已有大量的太陽全波段觀測數(shù)據(jù)，本文采用太陽輻射及氣候試驗(yàn)（Solar Radiation and Climate Experiment,SORCE）衛(wèi)星上搭載的SOLSTICE 儀器的觀測數(shù)據(jù)作為計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)。

本文選取太陽活動(dòng)高年和太陽活動(dòng)低年作為典型環(huán)境工況進(jìn)行計(jì)算。F10.7 是太陽活動(dòng)的表征指數(shù)，故對(duì)自2004 年至2022 年的F10.7 指數(shù)變化進(jìn)行了分析，如圖3 所示。從圖中可以看出太陽活動(dòng)高年為2014 年，太陽活動(dòng)低年為2008 年和2019年，本文計(jì)算選取2014 年和2019 年的數(shù)據(jù)。

圖3 太陽F10.7 指數(shù)變化曲線Fig.3 Variations of the solar F10.7index

2014 年和2019 年遠(yuǎn)紫外曝輻照度觀測數(shù)據(jù)如圖4 所示，紫外輻照約27 天的變化周期明顯可見。其中，2014 年因儀器故障導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)起止日期為2 月24 日—12 月31 日（共311 天），2019 年數(shù)據(jù)起止日期為1 月1 日—12 月31 日（共365 天）。

圖4 太陽遠(yuǎn)紫外曝輻照度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Time variations of solar far ultraviolet irradiance

2.3 計(jì)算結(jié)果

圖5 給出了航天器+面、+面原子氧注量和遠(yuǎn)紫外曝輻照度長時(shí)間的變化情況。+面為迎風(fēng)面，+面法線與大氣來流方向（-方向）垂直。從圖5(a)、(c)中可以看出，+面原子氧注量顯著高于+面的；從圖5(b)、(d)中可以看出，+面遠(yuǎn)紫外曝輻照度顯著高于+面的遠(yuǎn)紫外曝輻照度。

圖5 原子氧注量、遠(yuǎn)紫外曝輻照度隨在軌時(shí)間變化Fig.5 Variations of fluence of atomic oxygen and FUV irradiation against the orbiting time

圖6 為航天器+、+面的原子氧注量和遠(yuǎn)紫外曝輻照度入軌3 天內(nèi)變化曲線。可以看出：+面和+面的相對(duì)強(qiáng)度與圖5 一致；且+面原子氧注量呈現(xiàn)周期性波浪式增長，這是由于原子氧數(shù)密度隨地方時(shí)變化，在地方時(shí)14:00 數(shù)密度最高。

圖6 入軌后3 天內(nèi)原子氧注量、遠(yuǎn)紫外曝輻照度隨在軌時(shí)間變化Fig.6 The fluence of atomic oxygen and FUV irradiation withinthreedaysafterenteringorbit

計(jì)算得到的航天器+面和+面的原子氧注量和遠(yuǎn)紫外曝輻照度，如表2 所示。如前所述，2014 和2019 工況的計(jì)算時(shí)間分別為311 天和365 天。

表2 兩種工況下原子氧注量和遠(yuǎn)紫外曝輻照度Table2 Fluenc of atomic oxygen and FUV irradiance under two conditions

從表2 可以看出，太陽活動(dòng)高年（2014 年）相對(duì)于太陽活動(dòng)低年（2019 年），原子氧注量增大近4 倍，遠(yuǎn)紫外曝輻照度增大約10%。

入軌后3 天內(nèi)航天器+面和+面注量比隨在軌時(shí)間的變化如圖7 所示。當(dāng)航天器進(jìn)入地影，+面未受光照時(shí)，注量比定義為0。從圖中可以看出：注量比以天為周期變化的特征，當(dāng)?shù)胤綍r(shí)14:00 左右注量比取該天最小值；且2019 年和2014 年工況的變化規(guī)律相似。

圖7 入軌后3 天內(nèi)注量比隨在軌時(shí)間的變化Fig.7 Variations of FUV/AO ratio against in-orbit time within three days after entering orbit

表3 給出各工況注量比最大值及最小值的具體數(shù)值?？梢钥闯觯柣顒?dòng)高年（2014 年）的注量比最大值約為太陽活動(dòng)低年（2019 年）的4 倍，符合前述遠(yuǎn)紫外曝輻照度和原子氧注量的變化規(guī)律。

表3 2014工況和2019 工況注量比最值Table3 Maximum and minimum value of FUV/AO ratio in the year of 2014 and 2019

2.4 計(jì)算結(jié)果討論

太陽活動(dòng)的周期性變化導(dǎo)致遠(yuǎn)紫外曝輻照度和大氣原子氧密度發(fā)生變化，但兩者的變化幅度不同。從表2 可以看出，對(duì)于前述空間站軌道，太陽活動(dòng)高年相對(duì)于太陽活動(dòng)低年，原子氧累積通量增大約4 倍，而遠(yuǎn)紫外曝輻照度增大約10%，即注量比變化主要由原子氧通量變化決定。因此從工程角度考慮，進(jìn)行原子氧/遠(yuǎn)紫外協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，可不考慮遠(yuǎn)紫外曝輻照度隨太陽活動(dòng)的變化，視其為定值。

從圖7 可以看出，航天器各個(gè)表面的注量比均呈現(xiàn)一定周期性波動(dòng)。Yokota 等進(jìn)行的試驗(yàn)表明，隨著注量比增大，協(xié)合效應(yīng)下的材料反應(yīng)率與原子氧單獨(dú)作用時(shí)材料反應(yīng)率的比值顯著增大。例如，注量比為7.6×10J/個(gè)時(shí)，Kapton 材料反應(yīng)率增大2.8 倍；注量比為1.5×10J/個(gè)時(shí)，Kapton 材料反應(yīng)率增大約0.14 倍。從工程角度考慮，應(yīng)以注量比最大值進(jìn)行試驗(yàn)，得到的材料試驗(yàn)結(jié)果為在軌最惡劣情況。從圖7 和表3 可以看出，該注量比最大值在夏至?xí)r點(diǎn)取得，這可作為試驗(yàn)條件簡化計(jì)算的依據(jù)。此外，從表3 還可以看出，航天器不同朝向表面的注量比明顯不同，相差至少1 個(gè)數(shù)量級(jí)，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中對(duì)這種情況應(yīng)給予充分考慮。

3 結(jié)束語

在原子氧?遠(yuǎn)紫外協(xié)合效應(yīng)下，低地球軌道航天器用聚合物材料的反應(yīng)率相比單獨(dú)考慮原子氧作用時(shí)可能明顯增大，而現(xiàn)有地面試驗(yàn)條件未對(duì)此情況給予充分考慮。

因此本文提出增加遠(yuǎn)紫外曝輻照度/原子氧注量比這一參數(shù)作為試驗(yàn)條件制定中的重要依據(jù)，針對(duì)空間站軌道的太陽活動(dòng)高年和低年原子氧和遠(yuǎn)紫外暴露環(huán)境進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，注量比呈現(xiàn)日變化、年變化等周期性特征，這是由中性大氣密度和太陽遠(yuǎn)紫外輻照的周期性變化引起的；并且，對(duì)于航天器不同朝向的表面，其對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻的注量比明顯不同。因此，建議在考慮材料使用位置朝向的基礎(chǔ)上，以最大注量比進(jìn)行原子氧?遠(yuǎn)紫外協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)。

現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備具備同時(shí)施加原子氧、遠(yuǎn)紫外輻照的協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)?zāi)芰?，且試?yàn)中一般采用加速試驗(yàn)方法，遠(yuǎn)紫外波長范圍加速因子最大可為100。本文的注量比參數(shù)對(duì)加速試驗(yàn)方法的適用性、注量比試驗(yàn)控制技術(shù)均需深入研究。