离轨薄膜帆帆面材料原子氧侵蚀的数值模拟研究

摘要

用于空间碎片减缓的增阻离轨薄膜帆在离轨过程中,帆面材料要长期暴露在较为恶劣的空间环境中,在低地轨道,原子氧对帆面薄膜材料的侵蚀最为严重.离轨帆帆面轻薄,对缺陷敏感,帆面材料为双面镀铝的聚酰亚胺或聚酯薄膜,帆面厚度几微米,镀层厚度几百纳米.为了合理的评估离轨薄膜帆帆面材料的寿命,本文基于对帆面孔隙、裂纹、折痕等缺陷的试验表征结果,采用蒙特卡洛数值模拟方法,分析不同缺陷尺度下原子氧对帆面材料的掏蚀情况.由于离轨帆帆面在叠收拢以及发射过程中均不可避免地会产生较为密集的缺陷,缺陷密度与薄膜膜厚具有可比性,因此重点研究了帆面薄膜材料的原子氧掏蚀缺陷密度效应.离轨帆从750km轨道经历38个月时间的离轨过程中,经历原子氧累积通量约为4.67E20atoms/cm2.帆面500nm和1μm宽度缺陷在原子氧掏蚀作用下破坏深度约1.2μm和1.4μm,宽度约为600nm和1.1μm.通过将仿真结果与NASA的长期暴露试验结果进行比对,验证了模型的有效性.该模型可为离轨帆寿命评估提供初步的理论依据.