中性大氣環境效應模擬試驗技術現狀及發展方向

姜海富，姜利祥,2，李 濤，鄭慧奇，劉向鵬，楊前進，院小雪，楊東升，臧衛國，王 璐

（1. 北京衛星環境工程研究所； 2. 可靠性與環境工程技術重點實驗室：北京 100094；3. 中國航天科技集團有限公司，北京 100048）

0 引言

在地球軌道航天器所處的近似真空的空間環境中，廣泛存在著中性大氣、等離子體、帶電粒子、各種尺度的微流星體及空間碎片；同時，還存在磁場、引力場和各種波長的電磁輻射。

中性大氣環境作為地球空間環境的重要組成部分，包含自然環境的中性氣體和航天器表面材料通過放氣或分解釋放的中性氣體。中性大氣環境作用可產生阻力效應及輝光干擾，是航天器設計中需考慮的重要影響因素；同時，中性大氣的氧化剝蝕作用會使航天器表面材料產生質量損失甚至出現裂紋，還會引發污染等現象，間接導致材料性能的退化，影響航天器的服役壽命。本文對中性大氣環境及效應進行分析，梳理中性大氣環境效應地面試驗技術現狀，并探討該項技術研究的未來發展方向。

1 中性大氣環境

低地球軌道（low earth orbit, LEO）指高度距地200～700 km 的軌道空間，是空間站、飛船、航天飛機以及一些應用衛星的主要運行軌道，中性大氣環境是該軌道的重要環境因素。LEO 環境處于高真空狀態，氣體總壓約為10～10Pa，環境大氣組分主要有O、He、N、O、Ar、H 和N。圖1 給出了LEO各種粒子的數密度分布（采用MSISE-00模型計算，F10.7=250，Ap=45）。可以看出，隨著軌道高度的上升，大氣各組分的密度都有所減小。

圖1 LEO 各種粒子的數密度分布[7]Fig. 1 Densities of atmospheric components in LEO[7]

在LEO 環境大氣中原子氧（AO）的含量較高。原子氧是氧分子受太陽紫外（波長小于243 nm）輻射發生光致解離而產生的，

其中，O（D）原子的壽命僅有110 s 左右，然后其向穩定的基態O（P）躍遷，并發射出1 個光子。LEO環境為高真空狀態，因此O（P）與第3 種粒子發生碰撞的概率極小，能維持原子氧狀態。

2 中性大氣環境效應

LEO 的中性大氣環境會引起航天器阻力、表面侵蝕和輝光效應。航天器本身釋放的中性氣體也會對航天器的其他部分造成污染。中性大氣對航天器系統的主要影響見表1，航天器姿態與控制、供配電、推進、結構機構等系統均會受到影響，造成燃料需求增加、傳感器干擾、關鍵材料性能退化等。

表1 中性大氣對航天器系統的主要影響Table 1 Main influences of neutral atmosphere on spacecraft

2.1 大氣阻力

中性大氣會對在軌運行的航天器產生嚴重的阻力，導致LEO 航天器的軌道高度不斷衰減。廢棄衛星可在大氣阻力作用下墜入大氣層燒毀。

中性氣體分子與LEO 航天器發生碰撞會向航天器傳遞能量和動量，根據動量守恒，作用于航天器上的阻力平行于航天器速度矢量的反方向，大小為

式中：為周圍中性氣體密度；為衛星投射到速度矢量方向上的橫截面面積；為阻力系數，是航天器所受到的阻力與氣流動壓和參考面積之比；為航天器速度。可見，航天器受到的阻力大小與阻力系數、氣體密度等密切相關。如圖2所示，180 km與360 km 軌道高度的大氣阻力系數相差50%。

圖2 不同軌道高度的大氣阻力系數[20]Fig. 2 Atmospheric drag coefficient for different orbital heights[20]

2.2 氧化剝蝕

氧化剝蝕效應主要由大氣環境中的原子氧引起。原子氧具有很強的氧化性，當航天器以7～8 km/s的速度在LEO 運行時，撞擊航天器表面的原子氧能量約為4～5 eV；原子氧通量密度在200 km 高度約為10cm·s，600 km 高度約為10cm·s。當這些強氧化性、高通量的原子氧與航天器表面作用時，會造成表面材料的剝蝕和光、機、電、熱等各方面性能退化，給航天器的可靠運行和在軌安全帶來隱患，進而影響到航天器的使用壽命。

原子氧與聚合物間的相互作用以氧化剝蝕反應為主，大部分碳氫聚合物材料受到氧化后產生CO、CO、HO 等揮發性物質（見圖3），導致質量損失。聚酰亞胺（Kapton）是一種航天器常用的有機高聚物薄膜，如果Kapton 膜單面或雙面未加保護暴露在原子氧環境中，則在400 km 以下低軌道使用1 年后迎風面的厚度損失可達百μm。

圖3 聚合物氧化剝蝕效應示意Fig. 3 The schematic diagram of oxidation erosion of polymers

大部分金屬暴露于原子氧后會生成致密的金屬氧化膜，氧化膜具有很強的抗原子氧防護性能，會阻止原子氧對材料的進一步氧化。但有些金屬對原子氧作用較為敏感，如：銀與原子氧作用后生成疏松的氧化銀層，原子氧會穿透此氧化銀層進入銀基底，與下面的銀繼續反應，產生累積破壞。

2.3 污染

污染是中性大氣環境效應的一個重要方面。地球上所有物質表面都吸附著一層氣體分子，一旦大氣壓力降低或者溫度升高，與表面結合松散的分子和具有高揮發性的分子就會釋放出來。這些表面吸附的物質種類包括水蒸氣以及分布在整個材料中的氣體，如溶劑、催化劑和未完全聚合的聚合物。放氣機理主要包括氣體從表面物理脫附、從材料內部擴散至表面以及在表面發生的化學反應。

空間污染物沉積會對航天器污染敏感系統的性能產生影響。例如：天基激光系統光學表面性狀的微小、長期變化，可能會導致災難性的后果；熱控表面吸收率的微小變化將降低其熱控有效性，并最終導致熱控系統乃至整個航天器失效。圖4 為高頻電纜插頭污染物照片，可以看到污染物已嚴重改變器件表面性狀，極有可能影響其電連接性能。未來，隨著深低溫高敏感空間光學系統的設計及應用，污染的評估與控制愈發重要。

圖4 高頻電纜插頭污染物Fig. 4 The contamination of high-frequency cable’s plug

2.4 輝光

飛行器輝光呈現為航天器表面或附近的一種幽暗的背景光，國外多次航天飛行任務都曾報道過航天器外表面出現輝光輻射現象（見圖5）。目前還無法很好地解釋輝光現象發生的物理機制，但可以肯定的是這種現象與中性大氣層有直接關系。飛行試驗表明，輝光過程與是否在迎風面、發動機是否點火等因素有關。不同條件下產生的輝光現象在外觀上會有細微的區別，顯示出不同的作用機理。

圖5 大氣輝光Fig. 5 The atmospheric glow

可見輝光是由被稱為Langmuir-Hinsheiwood（L-H）過程的表面反應產生的激發態NO發射的，反應發生在表面的O 和NO 之間，

形成NO的氧來自周圍環境的大氣，而NO 是吸附在表面的。

由于許多航天器都帶有光學設備，航天器本身的輝光現象會成為光譜儀、光敏感器、空間望遠鏡和空間相機的干擾源，尤其會影響低照度下的光學測量、觀察和照相，降低這些光學設備的觀測能力，因此需要采取必要措施消減輝光現象的發生。

3 中性大氣環境效應模擬試驗技術現狀

3.1 大氣阻力試驗技術

空間大氣阻力會使衛星軌道高度緩慢衰減，目前通常采用仿真計算方法對大氣阻力進行預報，但大氣阻力的精確建模極為困難，因此大氣阻力的地面測試技術研究尤為重要。美國及歐空局開展大氣阻力測試技術的研究較早，美國科羅拉多大學研制了1 m×2 m 的大氣阻力模擬測試設備（見圖6），對不同速度、不同入射角度的中性氣流進行了阻力測試。

圖6 大氣阻力模擬測試設備Fig. 6 Atmospheric drag simulation test facility

歐空局利用真空氣動試驗裝置VAU-2 測量了Amg-6 鋁鎂合金、隔熱用玻璃纖維、太陽電池玻璃蓋片、鍍漆鋁合金樣品的動量交換系數。測力采用補償型扭秤，測速采用半錐角12°的全壓探頭，得到了不同攻角下的切向和法向動量交換系數，并據此建立了大氣阻力系數計算方法。

北京衛星環境工程研究所是國內最早開展大氣阻力測試技術研究的單位，研制了低氣壓高速中性束流模擬系統和阻力測試裝置（見圖7）。阻力測量利用倒立擺測力結構通過測量模擬中性大氣作用后的位移來反演阻力的大小，其中位移通過激光位移傳感器測定。分別在大氣束流入射角0°、30°、60°和75°的情況下測得了阻力數值，建立了阻力系數計算公式（見圖8）；并通過圓柱曲面樣品阻力測試數據對計算結果進行驗證，顯示該裝置的阻力測量誤差小于14%。

圖7 阻力測試裝置Fig. 7 The atmospheric drag test device

3.2 氧化剝蝕效應試驗技術

材料被侵蝕是由于形成了揮發性或易剝落的氧化物，原子氧是產生氧化剝蝕效應的主要組分。國內外針對不同航天器材料開展了大量氧化效應研究工作，美國、俄羅斯、歐盟、中國等研究了多種不同方式的原子氧發生技術，建立了多臺原子氧環境地面模擬試驗設備進行材料原子氧效應試驗，模擬設備的原子氧束流密度普遍可達10～10cm·s。表2 為國內外原子氧環境典型試驗設備情況。

表2 國內外原子氧環境典型試驗設備情況Table 2 Typical experimental equipment for simulating atomic oxygen environment

通過對原子氧環境效應的研究，美國制定了原子氧試驗標準（ASTM E2089），NASA 編寫了原子氧地面試驗方法草案（NASA CR-112589），對原子氧束流密度標定方法、試驗條件控制、試樣預處理過程等做出規定。我國在原子氧地面模擬試驗方法方面進行了相關研究，制定了GJB 2502.9－2015《航天器熱控涂層試驗方法：第9 部分：原子氧試驗》及部分相關行業標準。

須指出的是，其他空間環境因素，如紫外、電子、質子等，可能對原子氧氧化剝蝕效應產生不同程度的影響。研究表明，原子氧試驗中引入紫外輻照可增加Kapton的質量損失。此外，對于超低軌衛星，O、N是主要的大氣成分，其中N對原子氧侵蝕作用的影響還需試驗證實。

3.3 污染效應試驗技術

在空間環境下，污染分子會直接或間接到達并凝結在衛星污染敏感表面，如光學元件、溫控涂層及太陽電池陣表面等，使其功能、性能下降，嚴重時會使航天器完全失效。國內外在污染效應試驗技術方面，針對材料真空放氣特性、污染效應原位測試等建立了多個試驗設備，用于測試航天器材料總質損、可凝揮發物量、水汽回吸量等指標，完成了大量航天器材料放氣及污染試驗，形成了多個數據庫，供設計師進行污染防護設計參考。

美國、歐洲等航天先進國家和機構在航天試驗技術與方法方面廣泛開展合作，通過制定頂層標準規范來約束各國的試驗，如ISO 15388《航天系統：污染控制》、ECSS-Q-ST-70-01C《清潔和污染控制》等。我國也編制了QJ 1558B—2016《真空條件下材料揮發性能測試方法》、QJ 20013—2011《空間材料出氣特性測試方法》等行業標準。

3.4 輝光效應試驗技術

航天器輝光現象的發生與表面材料種類、性能相關，而目前國內外對于輝光效應的研究較少，僅在對輝光敏感的光學設備設計研制中對其視場、消雜光能力提出要求，而對于輝光主動控制方法尚未開展系統研究。因此，理解輝光的機理和性質，確定這種現象的起源及效應，研究減緩其有害影響的措施顯得十分重要。

4 問題及建議

對于中性大氣環境效應試驗技術，面向專業發展和空間任務需求存在以下兩方面問題：

1）環境效應機理研究不夠深入

大氣環境效應機理是地面試驗加速因子確定的理論依據，對航天器材料優化設計及性能預示模型建立起到重要作用。但目前大氣環境效應機理研究仍不夠深入，主要表現在：大氣成分、密度，材料表面狀態以及航天器構型等因素對大氣阻力系數影響的機理研究匱乏；原子氧與其他空間因素耦合作用機理、超低軌N/O 環境作用機理不清晰；不同發生原理獲得的原子氧束與材料作用機理對比分析不足。

2）面向未來任務需求的地面試驗技術能力不足

隨著我國航天技術的發展，太陽系內行星、系外天體的探測將成為未來航天任務的主要趨勢。未來深空探測任務中的大氣環境與地球空間差別較大，如金星存在酸性氣體環境，木星存在塵暴環境等；此外，用于地外天體觀測的高敏感空間光學裝置的工作溫度將低于40 K，對污染評估也提出了嚴峻考驗，而目前國內相關試驗技術能力不足。

針對以上問題，未來空間中性大氣環境效應模擬試驗技術應重點關注：

1）空間大氣阻力測試技術

衛星定軌、軌道預報、姿態控制等均需要準確的大氣阻力數據。目前國內數據以仿真計算為主，關于大氣阻力地面測試技術的研究不夠，如：大氣組分對阻力系數的影響，表面材料狀態及航天器構型對阻力系數的影響等諸多方面亟待深入研究。

2）原子氧與其他因素耦合效應機理

研究表明LEO 原子氧/紫外存在耦合效應，二者同時作用的結果不同于單獨作用效果的疊加，因此須開展原子氧/紫外耦合效應作用機理的研究，尤其要關注原子氧/紫外不同強度比率下作用機理的差異、新材料耦合效應研究等問題。此外，原子氧/質子/電子、原子氧/熱循環、原子氧/應力耦合效應機理也有待深入研究。

3）超低軌中性大氣環境作用機制

超低軌衛星服役的軌道環境不同于其他低軌衛星：超低軌大氣成分主要為N及O，二者對航天器外露組件及材料的剝蝕作用不可忽視；由于軌道高度較低，航天器高速運行時與大氣相互作用產生的激波會導致氣體電離，形成激發態的粒子或輝光放電效應。因此，超低軌航天器用材料的大氣環境效應機制十分復雜，需加強研究。

4）深低溫高敏感空間光學裝置污染效應試驗技術

高敏感空間光學裝置通常工作在40 K 以下的深低溫和高真空環境下，很多常溫下的氣態物質在深低溫表面將轉化為液態甚至固態，導致深低溫表面吸附更多的分子污染物，且吸附物的成分和形態更復雜，其吸附機理與吸附閾值亟待研究。吸附物在深低溫下對敏感表面光學性質的影響與常溫及一般低溫條件下不同，直接影響探測器的設計及核心部件的工作，因此極端條件下污染水平的評估及控制日益成為保證此類光學探測任務完成的關鍵因素之一，需加強研究。

5）不同類型原子氧源對標分析

目前地面模擬用原子氧源主要有激光解離型、氧等離子體型及微波放電型等，由于不同原理產生的原子氧環境能量及成分的不同導致其與材料作用效應的差異，可能會對試驗評價的有效性產生影響，應該對不同類型原子氧源進行對標分析。

6）地外行星大氣環境效應模擬及評估

地外行星探測是深空探測的主要方向，對這些星體進行探測時需要面對與地球大氣環境極為不同的環境，而大氣環境是影響行星探測器性能的主要環境因素，必須在地面對探測器進行環境適應性評估。因此，對火星、金星、木星等大氣環境開展模擬及評估技術研究十分必要。

5 結束語

對于中性大氣環境效應試驗技術，長期以來國內以氧化剝蝕及污染效應研究為主，經過多年積累，建立了GB、GJB、QJ 等多項試驗標準，用于指導地面試驗。近年來，大氣阻力測試技術逐漸得到關注。但隨著新型航天器的研制、新材料的不斷涌現及深空探測任務的逐步開展，現有的機理研究和模擬試驗技術水平與未來型號長壽命、精細化的設計需求間還存在差距，需進一步拓展空間中性大氣環境效應模擬試驗技術研究的深度和廣度。