玻璃型镀铝二次表面镜的模拟空间环境辐照试验研究

赵印中，李 林，许 旻，王洁冰，何延春，吴春华，左华平

(兰州空间技术物理研究所，表面工程技术重点实验室，甘肃兰州730000)

1 引言

二次表面镜又称光学太阳反射镜(Optical Solar Reflector，简称OSR)，是目前卫星热控涂层中很常用的一种热控元件，广泛应用于空间各种飞行器的热控分系统。OSR具有太阳吸收率低，热发射率高的特点，其吸收－发射率比(αs/ε)可达 0.062，是目前吸收－发射率比最低的一种热控涂层［1，2］。

OSR在使用时，粘贴于卫星的外表面，用于控制、调节卫星的内部温度。OSR调节星体温度的能力主要依赖于本身的吸收－发射率比(αs/ε)。卫星在空间运行时，不可避免的受到空间带电粒子以及紫外线的辐照，因此研究辐照对粘贴于卫星外表面的OSR的吸收率以及发射率的影响，对航天器的热设计具有重要的参考价值［2～4］。

OSR按照其反射膜的不同，可分为镀银和镀铝两大类型。由于银在太阳光谱段的反射率比铝高，因此采用相同基底材料的镀银OSR要比镀铝OSR具有更低的吸收－发射率比。但是，由于两者热控性能差别不大，且铝比银与玻璃基底更容易结合牢固［5～7］，镀膜工艺简单、稳定，因此镀铝OSR和镀银OSR都在卫星上有应用。

兰州空间技术物理研究所对OSR已经有20多年的研究历史，对OSR的制备工艺、性能测试方法、空间稳定性评价等方面的研究介绍已经很多［3～9］，并且生产的镀银型产品已在我国的多颗卫星上成功应用。但是，以前报道介绍的主要是关于镀银OSR的，对于新开发的镀铝OSR的介绍还几乎没有。本文介绍的是兰州空间技术物理研究所研制成功的镀铝OSR的模拟空间环境辐照试验情况。

2 试验部分

2.1 试验条件确定及依据

2.1.1 试验条件

(1)50 keV 电子，总辐照量为2.5×1016e/cm2，注量率 1×1011e/cm2·s，累计辐照 69.44 h;

(2)50 keV 质子，质子总辐照量为 2.5×1015p/cm2，注量率 1×1010p/cm2·s，累计辐照69.44 h。

(3)近紫外辐照量为3 000 ESH，以4倍左右辐照度连续辐照。

2.1.2 试验条件确定依据

对于带电粒子的能量选择，目前各国综合辐照环境试验参数都有一定差异，但是共性趋势是辐照带电粒子以低能为主［10～12］。这主要是由于辐照样品的材料厚度一般都很薄，高能粒子很容易穿过而对材料的影响变小。根据相关文献的试验情况和设备条件，本次试验采用50 keV低能带电粒子辐照，电子、质子剂量大约相当于地球同步轨道在轨15年所接受的剂量［10］。

对于紫外参数的确定，主要考虑到地面紫外辐照试验时由于存在热效应，加速倍数一般不能超过5倍，否则，试样会因过热而导致变色等变化，从而影响数据的准确性。因此，较大的紫外辐照剂量将要求较长的试验周期以及较高的试验成本。

根据国内外以往紫外辐照试验的经验表明，无机材料受紫外辐照后，其性能的退化主要发生在3 000 ESH以内，而后性能变化趋于平缓;另外，大部分热控涂层，尤其是OSR的紫外退化均会较早趋于饱和［10］。因此综合上述考虑，本次试验采用3 000 ESH的紫外辐照剂量，加速倍数为3～5倍。

2.2 试验的过程

本次评价试验的电子与质子辐照采用在兰州空间技术物理研究所的RHM型空间综合环境模拟设备中进行，紫外辐照在兰州空间技术物理研究所的紫外辐照设备上进行。

由于辐照设备均一次仅能辐照4片40 mm×40 mm的OSR，且辐照试验周期较长，为在较短的时间内，获得更多的试验数据，采用了电子质子辐照试验和紫外辐照试验分批次同时进行的方式，辐照样品也按辐照试验的不同，分别编号。具体的样品编号见表1和表2。

由于电子质子辐照试验采用的是2种不同粒子，为考察电子、质子分别作用以及两者综合辐照作用时对OSR的影响，将第一批次采用电子质子综合辐照方式进行，第二批次采用电子质子先后辐照方式进行。

试验数据的采集，对于光学性能太阳吸收率(αs)，不仅在每次辐照试验的前后进行测试，在每次试验过程中也选取几个点进行测试，以观测其变化趋势;对于热学性能半球发射率(εh)，仅选择在每次辐照试验的前后进行测试。这是由于以前的经验数据表明，空间辐照对OSR的发射率影响不大，且测发射率容易划伤OSR，故发射率只在每次辐照试验前后测。

表1 紫外试验样品名称、规格、数量及编号

表2 电子质子试验样品名称、规格、数量及试验编号

3 试验结果与分析

3.1 辐照对镀铝OSR太阳吸收率的影响

3.1.1 紫外辐照对镀铝OSR太阳吸收率的影响

表3是3000ESH紫外辐照前后镀铝OSR太阳吸收率的变化数据统计结果，图1和图2是紫外辐照过程中镀铝OSR太阳吸收率的变化曲线图。

表3 3 000 ESH紫外辐照前后的镀铝OSR太阳吸收率变化统计

图1 0.15 mm厚镀铝OSR紫外辐照时间 与太阳吸收率的变化曲线图

图2 0.20 mm厚镀铝OSR紫外辐照时间与太阳吸收率的变化曲线图

可以看出:

(1)紫外辐照对镀铝OSR太阳吸收率的影响是使其逐步增大，3 000 ESH的紫外辐照可使掺铈玻璃型镀铝OSR的太阳吸收率变化达到0.008～0.018，可使石英玻璃型镀铝OSR的太阳吸收率变化达到0.009～0.027。但其变化趋势还是比较平缓的，总体变化幅度也都不是很大(不超过25%)，说明其耐紫外辐照性能比较好;

(2)相对而言，紫外辐照对石英玻璃型镀铝OSR的影响要比对掺铈玻璃型镀铝OSR大，即紫外辐照使石英玻璃型镀铝OSR太阳吸收率变化要比掺铈玻璃型镀铝OSR变化大;

(3)对于同种基底材料而言，0.15 mm和0.20 mm的厚度，对掺铈镀铝OSR的耐紫外辐照性能影响不大，而对石英镀铝OSR的耐紫外辐照性能稍有影响，0.20 mm厚的石英镀铝OSR的耐紫外辐照性能比0.15 mm厚的稍差;

(4)对于相同材料、相同尺寸规格的镀铝OSR而言，导电型镀铝OSR要比非导电型镀铝OSR的耐紫外辐照性能稍差，这可能是由于辐照对导电型镀铝OSR的透明导电薄膜产生影响，使其透过率下降所致。

3.1.2 电子、质子辐照对OSR太阳吸收率的影响

表4是电子、质子辐照试验的镀铝OSR吸收率变化数据统计结果;图3是镀铝OSR电子质子综合辐照试验的太阳吸收率变化曲线图。

表4 电子、质子辐照试验前后的镀铝OSR性能变化统计

可以看出:

(1)总体来看，电子、质子辐照对镀铝OSR的太阳吸收率有一定影响，使其总趋势上逐步增大，但变化幅度都不是很大(最大10%左右)，除对0.20厚的石英OSR影响较大外，其他规格均影响较小。尤其是相对紫外辐照来说，影响要小的多，说明其耐电子、质子辐照性能比较好;

(2)相比而言，导电与否、材料厚度对镀铝OSR的抗电子、质子辐照能力影响不大;

(3)基底材料类型对镀铝OSR的抗电子、质子辐照能力稍有影响。电子、质子辐照对石英基底的镀铝OSR影响要比掺铈基底的镀铝OSR影响要大，使石英基底的镀铝OSR 太阳吸收率增加0.04 ～0.012，使掺铈基底的镀铝OSR太阳吸收率增加0.03～0.06;

(4)电子和质子2种类型的辐照对镀铝OSR影响均比较小。因此，2种类型的辐照影响差别不大，且两者分别先后辐照和综合辐照后的影响也差别不大。

图3 0.15导电掺铈镀铝OSR电子质子综合辐照试验的太阳吸收率变化曲线

3.2 辐照对镀铝OSR半球发射率的影响

表5是镀铝OSR半球发射率(εh)在辐照试验前后的变化情况。可以看出，紫外辐照以及电子、质子辐照对镀铝OSR半球发射率影响都不大，使半球发射率的变化最大仅为0.01，在仪器测量误差之内(±0.01)，可以认为几乎没有变化。

表5 镀铝OSR半球发射率(εh)在辐照试验前后的变化情况

4 结论

作者通过对镀铝OSR分别进行紫外辐照以及电子、质子辐照，并结合太阳吸收率和半球发射率测试，研究了低能电子、质子以及紫外辐照对OSR热控性能的影响。通过对试验结果的分析得出以下结论:

(1)总体来说，对于辐照试验，无论紫外辐照还是电子、质子辐照，对镀铝OSR的影响主要是影响其太阳吸收率，而对其半球发射率性能影响都不大，可以认为半球发射率几乎没有变化;

(2)不同辐照试验对镀铝OSR太阳吸收率的影响程度不同。相对而言，紫外辐照的影响要远大于电子、质子辐照。电子、质子辐照对镀铝OSR的影响有一定影响，但均不是很大，使其变化值仅在0.030～0.012之间，幅度最大约10%左右;而3 000 ESH的紫外辐照可使掺铈玻璃型镀铝OSR的太阳吸收率变化达到0.008 ～0.027，幅度最大约25%左右;

(3)镀铝OSR在辐照试验过程中的吸收率变化趋势均比较平缓，且总体变化幅度也都不大，说明其耐辐照性能比较好;

(4)就抗电子、质子辐照能力而言，镀铝OSR导电与否对其影响不大;而基底材料类型稍有影响，相对而言，掺铈基底的镀铝OSR比石英基底的镀铝OSR抗电子、质子辐照能力要稍强;

(5)就抗紫外辐照能力而言，导电与否、材料厚度以及基底材料类型都对镀铝OSR的抗紫外辐照能力有一定影响。且相对而言，导电型影响最大;基底材料类型影响稍大，即石英玻璃型镀铝OSR的影响要比对掺铈玻璃型镀铝OSR大;而材料厚度，对掺铈镀铝OSR的耐紫外辐照性能影响不大，而对石英镀铝OSR的耐紫外辐照性能稍有影响，即0.20 mm厚的石英镀铝OSR的耐紫外辐照性能比0.15 mm厚的稍差。

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