离轨薄膜帆原子氧侵蚀的缺陷密度效应数值模拟研究

摘要

离轨薄膜帆在离轨过程中要长期暴露在低地轨道较为恶劣的空间环境中,其中原子氧对帆面薄膜材料的侵蚀效应会导致帆面结构损伤严重。为了合理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,建立数值仿真模型,分析不同尺度缺陷下原子氧对帆面材料的侵蚀情况,重点研究了帆面薄膜材料的原子氧掏蚀缺陷密度效应。以离轨帆从750km轨道经历38个月的离轨过程为例进行研究,计算结果表明:帆面宽度缺陷为500nm和1μm时,原子氧侵蚀作用下掏蚀形貌深度分别为1.2μm和1.4μm,掏蚀宽度分别为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。