空间微小碎片环境下光学石英玻璃撞击效应

摘要

随着空间活动次数的增加,微米级、亚微米级的微小空间碎片和微流星体(也被称为空间粉尘)对航天器有效载荷的撞击产生的结构损伤效应逐渐受到各国地面研究工作者的重视。本文利用ORDEM2000对空间粉尘环境进行了剪裁,使用激光驱动飞片技术、光学显微镜、扫描电子显微镜和分光光度仪及计算机模拟高速撞击模型等手段,主要以毫米以下尺寸的铝飞片高速撞击适用于卫星和在轨执行任务的航天器上的光学玻璃为研究对象,观察了被高速撞击后光学玻璃表面结构损伤特征,同时对其光学性能即光学透过率进行了表征。
　　本文选用熔融石英玻璃作为航天器用光学玻璃,空间碎片采用Al、Cu两种材质通过不同镀膜方法得到微米级金属飞片。试验模拟了飞片速度、飞片材料种类、飞片体态、飞片尺寸和飞片撞击角度等不同条件下微小飞片对熔融石英玻璃表面产生的结构损伤,随后也对石英玻璃表面损伤处的光学透过率进行了测定。
　　具有一定速度的微小飞片粒子碰撞石英玻璃后,对材料表面的观察结果表明,脆性玻璃表面的损伤区域和损伤形式与飞片速度、种类、尺寸、体态和碰撞角度有关。玻璃表面损伤主要表现为三种形式:飞片粒子吸附在表面造成污染、高速撞击产生陷坑和微裂纹。测量被飞片粒子撞击的石英玻璃损伤处透过率结果显示,高速撞击下石英玻璃光学透过率明显下降。
　　在石英玻璃表面结构损伤和其性能退化的基础上,本文建立模型对不同条件碰撞后的石英玻璃表面透过率降低进行了解释。分析结果表明,光线透过率随着整个损伤区域面积的增加而降低;若石英玻璃表面只有陷坑和裂纹,则光线透过率随着陷坑尺寸增大而急速降低。
　　本文最后就光学玻璃表面各种损伤缺陷建立了半无限靶模型,以期解释单次撞击情况下缺陷与光学玻璃透过率变化间的关系。并建立综合的数学模型用来定量预测不同程度损伤情况下光学玻璃透过率的变化形式。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景与提出

1.2空间光学材料

1.3空间碎片环境与效应

1.4光学材料高速撞击损伤研究

1.5高速撞击地面模拟方法

1.6研究目的及内容

第二章 试验材料及试验方法

2.1空间碎片环境剪裁

2.2试验材料

2.3飞片靶的制备

2.4撞击模拟试验

2.5分析测试方法

2.6计算机模拟软件

第三章 光学材料微小碎片撞击效应

3.1光学玻璃类材料

3.2撞击损伤效应

3.3本章小结

第四章 光学材料微小碎片撞击损伤缺陷形成机制

4.1侵切陷坑

4.2扩展裂纹

4.3溅射污染

4.4本章小结

第五章 撞击损伤缺陷与光学性能变化规律模型

5.1假设模型

5.2陷坑散射模型

5.3污染模型

5.4裂纹模型

5.5综合损伤模型

5.6本章结论

第六章 全文结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢