空間站原子氧環境仿真研究

翟睿瓊，姜海富，田東波，姜利祥，楊東升，安晶

(1.北京衛星環境工程研究所，北京100094;2.北京空間技術研制試驗中心，北京100094)

航天技術的發展日新月異，空間站等大型長壽命低軌道航天器的研制對國防建設及國家科技水平的提升都具有重要意義。低軌道航天器在軌期間可能遭受原子氧、熱循環、紫外輻照、帶電粒子輻射等空間環境的作用［1—5］。

原子氧是低地球軌道大氣的主要成分，其含量大約占中性大氣的80%［6］。原子氧由太陽紫外線分解氧分子而產生，隨著軌道高度、軌道傾角、太陽活動周期與季節等的不同而異。原子氧自身在低地球軌道環境中的密度并不高，靜態環境下其影響是可以忽略的，但當航天器以8 km/s左右的速度沿軌道飛行時，原子氧撞擊的束流密度可達1013～1015atoms/(s·cm2)。在如此高的撞擊速度下，原子氧的平均撞擊能約為5 eV［7］，這一能量足以使許多材料的化學鍵斷裂并發生氧化。同時，由于原子氧自身具有極強的氧化性，它會造成材料表面的氧化剝蝕，使材料產生質量損失，進而引起性能退化。原子氧對有機材料的腐蝕作用還會生成可凝性氣體揮發物，進而污染衛星上的光學儀器及其他設備［8—10］。

我國未來的空間站將在低地球軌道長期運行，因此，開展原子氧環境仿真研究具有重要的工程意義。

1 原子氧密度計算分析

1.1 原子氧環境分析

假定空間站軌道方案是傾角為42°～43°，高度為400 km的近圓軌道。該軌道空間中性大氣中氧原子占主要成份，其含量約占80%左右，如圖1所示。

圖1 低軌道中性大氣各組分密度分布Fig.1 Density distribution of the neutral atmosphere components in LEO

影響地球高層大氣中原子氧密度的因素眾多，主要有軌道高度、太陽活動、地磁活動、地球公轉與自轉及經緯度等。

目前用于高層大氣密度分析的主要模型有MSISE模型、MET模型等，這些模型的主要輸入參數為時間、高度、經緯度、F10.7、Ap等，計算結果有一定的偏差，但一般小于10%。

本研究分析工作使用國際上常用的MSISE 90模型。

1.2 任務期間原子氧密度分析

目前，空間站暫定于2020年發射，在軌時間約20年。壽命期內原子氧平均密度計算結果見表1。

表1 壽命期內空間站任務環境原子氧密度計算結果Table 1 AO density computation results of the ISSworking environment

根據統計分析，若2020年發射，空間站20年壽命期內所經受的大氣環境中原子氧的平均密度為1.20×108cm-3，各年份原子氧平均密度如圖2所示。可以發現，2021年、2022年原子氧通量密度為2.50×108cm-3，處于高峰值;2026—2029年原子氧通量密度相對較低，大致在3×107cm-3，空間原子氧密度也顯現出11年的周期性變化。

圖2 空間站在軌各年份原子氧平均密度Fig.2 Average AO densities of the ISS orbit in each year

2 航天器表面原子氧積分通量分析

空間站不同的外表面與飛行方向有著不同的攻角，因此原子氧與之發生撞擊的通量密度與積分通量也不盡相同。

根據定義，某一個面上的原子氧積分通量為通量密度在時間范圍內的卷積分，通量密度由大氣的數密度與原子氧撞擊的平均速度計算獲得。

應該注意的是，假設定義粒子的入射方向為x軸，如圖3所示，只有當vx≥0時才對平均速度進行計算。

圖3 原子氧對航天器表面撞擊示意Fig.3 Schematic diagram of AO impact on the surface of spacecraft

原子氧的平均速率的計算公式為:

粒子的速度是由動力學速度(aerodynamic velocity)和熱運動速度(thermalmotion)兩部分矢量求和得出的。即:

高層大氣中的粒子熱運動服從Maxwellian分布，速度方向分布服從各向同性。

若f(ui)是速率為ui的概率，則:

式中:um為熱運動速率;ui為x，y或z方向的熱運動速率分量。

大氣的熱運動速率um又可由下述公式獲得:

式中:T為大氣的環境溫度，K;R為常量，R= 314 J/(kmol·K);M為分子的質量濃度，g/mol;

動力學速度為大氣自旋速度與航天器速度的矢量和為:

3 空間站運行軌道空間原子氧積分通量分析

3.1 空間站構型

根據空間站構型設計，應用ENVIPACK軟件對空間站構型進行建模。依照空間站初步方案，未來空間站由核心艙、節點艙、實驗艙Ⅰ、實驗艙Ⅱ、神舟飛船、貨運飛船組成，如圖4所示。核心艙、實驗艙Ⅰ、實驗艙Ⅱ、神舟飛船通過節點艙對接，貨運飛船與核心艙尾部對接。經過整體構型網格化設置，空間站各艙體共設置網格化節點2924個，如圖5所示，規則結構網格化相對疏松，不規則區域相對密集。

3.2 任務環境輸入條件

假設空間站飛行軌道高度為400 km，軌道傾角為43°，2020年發射升空，在軌飛行20年。該軌道星下點軌跡(10軌)如圖6所示。

4 空間站運行軌道空間原子氧積分通量分析

圖4 空間站構型建模Fig.4 Modeling of the ISS configuration

圖5 空間站構型網格化Fig.5 Gridding of the ISS configuration

圖6 空間站在軌運行星下點軌跡示意Fig.6 Ground track of the ISS in orbit

本研究以年為單位，對空間站壽命期內各年份“途經”的空間位置處原子氧密度平均值、迎風方向/撞擊平均束流密度/劑量進行分析。

以空間站軌道、發射時間及在軌壽命等參數為輸入，利用MSISE90模型進行計算分析，結果見表2。

表2 壽命期內空間站經受的原子氧積分通量計算結果Table 2 Computation results of the AO flux attacking the ISS within its lifetime

通過應用ENVIPACK軟件對空間站在軌期間原子氧積分通量進行仿真計算，空間站在軌運行20年后，各個表面所遭受的原子氧積分通量如圖7所示。

圖7 空間站在軌20年各處表面原子氧積分通量仿真結果Fig.7 Simulation resultof the AO flux attacking the ISS for 20 years

5 結論

對仿真計算結果進行分析，可得到以下結論。

1)迎風方向上原子氧撞擊累計劑量最高，達到5.79×1022atoms/cm2左右，主要出現在兩個實驗艙的迎風方向上和太陽帆板上。

2)實驗艙相對原子氧撞擊方向夾角β在0°～90°范圍內的表面，以及節點艙前端面遭受原子氧作用劑量在2×1022atoms/cm2左右。

3)載人飛船、核心艙以及貨運飛船表面由于基本平行于飛行方向，也即基本平行于原子氧束流方向，因而其表面遭受原子氧劑量小于1×1022atoms/cm2。

4)實驗艙相對原子氧撞擊方向夾角β在90°～180°范圍內的表面基本不受原子氧影響(背風面)。

［1］ CONNELL JW，YOUNG P R.The Effects of Low Earth Orbit Exposure on Some Experimental Fluorine and Silicon-containing Polymer［C］//NASA Goddard Space Flight Center，the 18th Space Simulation Conference: Space Mission Success Through Testing.1994:157—175.(余不詳)

［2］ 都亨，葉宗海.低軌道航天器空間環境手冊［M］.北京:國防工業出版社，1996.DU Heng，YE Zong-hai.Handbook for Spacecraft Traveling in Low Orbit［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1996.

［3］ 姜利祥，李濤，馮偉泉，等.原子氧環境下磁力矩器用聚合物材料的質損和紅外光譜分析［J］.航天器環境工程，2008，25(6):542—545.JIANG Li-xiang，LI Tao，FENG Wei-quan，et al.FT-IR and Mass Loss Analysis of Polymer Materials in Magnetic Torquer after Atomic Oxygen Exposure［J］.Spacecraft Environment Engineering，2008，25(6):542—545.

［4］ 劉宇明，姜利祥，馮偉泉，等.防靜電Kapton二次表面鏡的電子輻照效應［J］.航天器環境工程，2009，26 (5):411—414.LIU Yu-ming，JIANG Li-xiang，FENG Wei-quan，et al.The Effects of Electron Irradiation on ITO/Kapton/Al Films［J］.Spacecraft Environment Engineering，2009，26 (5):411—414.

［5］ 黃本誠，童靖宇.空間環境工程學［M］.北京:中國科學技術出版社，2010.HUANG Ben-cheng，TONG Jing-yu.Space Environment Engineering［M］.Beijing:China Science and Technology Press，2010.

［6］ 童靖宇，劉向鵬，張超，等.CAST2000衛星太陽電池陣基板原子氧防護技術研究［J］.裝備環境工程，2008，5 (6):72—75.TONG Jing-yu，LIU Xiang-peng，ZHANG Chao.et al.Study on Atomic Oxygen Protection Coating of Solar Cell Array Panel on CAST2000 Satellite［J］.Equipment Environmental Engineering，2008，5(6):72—75.

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［8］ GROH de K K，BANKSB A，MCCARTHY CE，etal.Misse 2 Peace Polymer Atomic Oxygen Erosion Experiment on the International Space Station［J］.High Performance Polymers，2008.

［9］ BRUCE A B，JANE A B，GROH de K K，et al.Atomic Oxygen Erosion Yield Predictive Tool for Spacecraft Polymers in Low Earth Orbit［R］.NASA Report，2008.(余不詳)

［10］BANKSB A，GROH de K K，MILLER SK.Low Earth Orbital Atomic Oxygen Interactionswith SpacecraftMaterials［C］//Materials Research Society Symposium Proceedings.2004.(余不詳)