近地空间原子氧对有保护层Kapton材料侵蚀效应数值模拟研究

摘要

近地轨道空间的环境条件恶劣，其中具有高能量高氧化性的原子氧侵蚀是危害航天器寿命的最主要因素之一。为了研究原子氧与航天器表面温控涂层常用材料Kapton之间的相互作用规律及机理，本文通过地面模拟试验和数值模拟计算对此过程进行了分析研究。 运用地面模拟器对Kapton材料进行了不同原子氧通量的辐照试验。通过对原子氧辐照前后Kapton样片表面形貌观察和质量损失的测量，探讨了原子氧与Kapton作用的基本物理过程，认为原子氧对Kapton的作用是一个多次碰撞复合作用的过程。 借助于NASA在原子氧研究领域得出的长期飞行试验数据及其对原子氧与Kapton材料相互作用的物理过程提出的假设，本文将原子氧对Kapton的掏蚀过程看作粒子输运的过程，采用Monte Carlo法、使用C++语言编写程序源代码进行了数值模拟计算。计算结果与试验结果的吻合证明了计算模型的合理性与准确性。 数值模拟的结果表明，原子氧的掏蚀效应受到原子氧的通量、保护层中缺陷的宽度、保护层的厚度、飞行器飞行方向与飞行器受原子氧撞击面的夹角等各种因素的影响。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题的目的与意义

1.2国内外研究现状及分析

1.2.1低地轨道(LEO)空间环境特点

1.2.2原子氧与聚合物材料的交互作用

1.2.3原子氧效应地面模拟试验研究概况

1.2.4空间飞行试验

1.2.5计算模型及数值模拟

1.3本文研究内容

第2章地面模拟试验研究

2.1试验设备

2.2原子氧束流强度的测量

2.3试验材料

2.4试验内容

2.4.1试验条件

2.4.2原子氧对材料的侵蚀效应试验

2.4.3结果与讨论

2.5本章小结

第3章原子氧对Kapton掏蚀作用的数值模拟

3.1引言

3.2原子氧对Kapton掏蚀效应的蒙特卡洛模拟

3.2.1原子氧与Kapton作用的物理过程

3.2.2对原子氧掏蚀作用过程的基本假设

3.2.3数值模拟的方法和原理

3.3程序流程图

3.4结果与分析

3.4.1数值模拟与地面模拟器试验结果对照

3.4.2模拟结果与空间飞行试验结果对照

3.5本章小结

第4章空间飞行中各种因素对掏蚀效应的影响

4.1引言

4.2原子氧通量的影响

4.2.1原子氧通量对掏蚀空腔形貌的影响

4.2.2原子氧通量对掏蚀深度的影响

4.3保护层缺陷宽度的影响

4.3.1缺陷宽度对掏蚀空腔形貌的影响

4.3.2缺陷宽度对掏蚀深度的影响

4.3.3缺陷尺寸与掏蚀空腔颈部宽度的影响

4.4保护层厚度对掏蚀效应的影响

4.5飞行速度方向的影响

4.5.1飞行速度方向对掏蚀空腔形貌的影响

4.5.2飞行速度方向对入射原子氧反应效率的影响

4.6材料掺杂引起的原子氧反应概率变化对掏蚀效应的影响

4.7本章小结

结论

参考文献

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致谢