空间站原子氧环境仿真研究

翟睿琼，姜海富，田东波，姜利祥，杨东升，安晶

(1.北京卫星环境工程研究所，北京100094;2.北京空间技术研制试验中心，北京100094)

航天技术的发展日新月异，空间站等大型长寿命低轨道航天器的研制对国防建设及国家科技水平的提升都具有重要意义。低轨道航天器在轨期间可能遭受原子氧、热循环、紫外辐照、带电粒子辐射等空间环境的作用［1—5］。

原子氧是低地球轨道大气的主要成分，其含量大约占中性大气的80%［6］。原子氧由太阳紫外线分解氧分子而产生，随着轨道高度、轨道倾角、太阳活动周期与季节等的不同而异。原子氧自身在低地球轨道环境中的密度并不高，静态环境下其影响是可以忽略的，但当航天器以8 km/s左右的速度沿轨道飞行时，原子氧撞击的束流密度可达1013～1015atoms/(s·cm2)。在如此高的撞击速度下，原子氧的平均撞击能约为5 eV［7］，这一能量足以使许多材料的化学键断裂并发生氧化。同时，由于原子氧自身具有极强的氧化性，它会造成材料表面的氧化剥蚀，使材料产生质量损失，进而引起性能退化。原子氧对有机材料的腐蚀作用还会生成可凝性气体挥发物，进而污染卫星上的光学仪器及其他设备［8—10］。

我国未来的空间站将在低地球轨道长期运行，因此，开展原子氧环境仿真研究具有重要的工程意义。

1 原子氧密度计算分析

1.1 原子氧环境分析

假定空间站轨道方案是倾角为42°～43°，高度为400 km的近圆轨道。该轨道空间中性大气中氧原子占主要成份，其含量约占80%左右，如图1所示。

图1 低轨道中性大气各组分密度分布Fig.1 Density distribution of the neutral atmosphere components in LEO

影响地球高层大气中原子氧密度的因素众多，主要有轨道高度、太阳活动、地磁活动、地球公转与自转及经纬度等。

目前用于高层大气密度分析的主要模型有MSISE模型、MET模型等，这些模型的主要输入参数为时间、高度、经纬度、F10.7、Ap等，计算结果有一定的偏差，但一般小于10%。

本研究分析工作使用国际上常用的MSISE 90模型。

1.2 任务期间原子氧密度分析

目前，空间站暂定于2020年发射，在轨时间约20年。寿命期内原子氧平均密度计算结果见表1。

表1 寿命期内空间站任务环境原子氧密度计算结果Table 1 AO density computation results of the ISSworking environment

根据统计分析，若2020年发射，空间站20年寿命期内所经受的大气环境中原子氧的平均密度为1.20×108cm-3，各年份原子氧平均密度如图2所示。可以发现，2021年、2022年原子氧通量密度为2.50×108cm-3，处于高峰值;2026—2029年原子氧通量密度相对较低，大致在3×107cm-3，空间原子氧密度也显现出11年的周期性变化。

图2 空间站在轨各年份原子氧平均密度Fig.2 Average AO densities of the ISS orbit in each year

2 航天器表面原子氧积分通量分析

空间站不同的外表面与飞行方向有着不同的攻角，因此原子氧与之发生撞击的通量密度与积分通量也不尽相同。

根据定义，某一个面上的原子氧积分通量为通量密度在时间范围内的卷积分，通量密度由大气的数密度与原子氧撞击的平均速度计算获得。

应该注意的是，假设定义粒子的入射方向为x轴，如图3所示，只有当vx≥0时才对平均速度进行计算。

图3 原子氧对航天器表面撞击示意Fig.3 Schematic diagram of AO impact on the surface of spacecraft

原子氧的平均速率的计算公式为:

粒子的速度是由动力学速度(aerodynamic velocity)和热运动速度(thermalmotion)两部分矢量求和得出的。即:

高层大气中的粒子热运动服从Maxwellian分布，速度方向分布服从各向同性。

若f(ui)是速率为ui的概率，则:

式中:um为热运动速率;ui为x，y或z方向的热运动速率分量。

大气的热运动速率um又可由下述公式获得:

式中:T为大气的环境温度，K;R为常量，R= 314 J/(kmol·K);M为分子的质量浓度，g/mol;

动力学速度为大气自旋速度与航天器速度的矢量和为:

3 空间站运行轨道空间原子氧积分通量分析

3.1 空间站构型

根据空间站构型设计，应用ENVIPACK软件对空间站构型进行建模。依照空间站初步方案，未来空间站由核心舱、节点舱、实验舱Ⅰ、实验舱Ⅱ、神舟飞船、货运飞船组成，如图4所示。核心舱、实验舱Ⅰ、实验舱Ⅱ、神舟飞船通过节点舱对接，货运飞船与核心舱尾部对接。经过整体构型网格化设置，空间站各舱体共设置网格化节点2924个，如图5所示，规则结构网格化相对疏松，不规则区域相对密集。

3.2 任务环境输入条件

假设空间站飞行轨道高度为400 km，轨道倾角为43°，2020年发射升空，在轨飞行20年。该轨道星下点轨迹(10轨)如图6所示。

4 空间站运行轨道空间原子氧积分通量分析

图4 空间站构型建模Fig.4 Modeling of the ISS configuration

图5 空间站构型网格化Fig.5 Gridding of the ISS configuration

图6 空间站在轨运行星下点轨迹示意Fig.6 Ground track of the ISS in orbit

本研究以年为单位，对空间站寿命期内各年份“途经”的空间位置处原子氧密度平均值、迎风方向/撞击平均束流密度/剂量进行分析。

以空间站轨道、发射时间及在轨寿命等参数为输入，利用MSISE90模型进行计算分析，结果见表2。

表2 寿命期内空间站经受的原子氧积分通量计算结果Table 2 Computation results of the AO flux attacking the ISS within its lifetime

通过应用ENVIPACK软件对空间站在轨期间原子氧积分通量进行仿真计算，空间站在轨运行20年后，各个表面所遭受的原子氧积分通量如图7所示。

图7 空间站在轨20年各处表面原子氧积分通量仿真结果Fig.7 Simulation resultof the AO flux attacking the ISS for 20 years

5 结论

对仿真计算结果进行分析，可得到以下结论。

1)迎风方向上原子氧撞击累计剂量最高，达到5.79×1022atoms/cm2左右，主要出现在两个实验舱的迎风方向上和太阳帆板上。

2)实验舱相对原子氧撞击方向夹角β在0°～90°范围内的表面，以及节点舱前端面遭受原子氧作用剂量在2×1022atoms/cm2左右。

3)载人飞船、核心舱以及货运飞船表面由于基本平行于飞行方向，也即基本平行于原子氧束流方向，因而其表面遭受原子氧剂量小于1×1022atoms/cm2。

4)实验舱相对原子氧撞击方向夹角β在90°～180°范围内的表面基本不受原子氧影响(背风面)。

［1］ CONNELL JW，YOUNG P R.The Effects of Low Earth Orbit Exposure on Some Experimental Fluorine and Silicon-containing Polymer［C］//NASA Goddard Space Flight Center，the 18th Space Simulation Conference: Space Mission Success Through Testing.1994:157—175.(余不详)

［2］ 都亨，叶宗海.低轨道航天器空间环境手册［M］.北京:国防工业出版社，1996.DU Heng，YE Zong-hai.Handbook for Spacecraft Traveling in Low Orbit［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1996.

［3］ 姜利祥，李涛，冯伟泉，等.原子氧环境下磁力矩器用聚合物材料的质损和红外光谱分析［J］.航天器环境工程，2008，25(6):542—545.JIANG Li-xiang，LI Tao，FENG Wei-quan，et al.FT-IR and Mass Loss Analysis of Polymer Materials in Magnetic Torquer after Atomic Oxygen Exposure［J］.Spacecraft Environment Engineering，2008，25(6):542—545.

［4］ 刘宇明，姜利祥，冯伟泉，等.防静电Kapton二次表面镜的电子辐照效应［J］.航天器环境工程，2009，26 (5):411—414.LIU Yu-ming，JIANG Li-xiang，FENG Wei-quan，et al.The Effects of Electron Irradiation on ITO/Kapton/Al Films［J］.Spacecraft Environment Engineering，2009，26 (5):411—414.

［5］ 黄本诚，童靖宇.空间环境工程学［M］.北京:中国科学技术出版社，2010.HUANG Ben-cheng，TONG Jing-yu.Space Environment Engineering［M］.Beijing:China Science and Technology Press，2010.

［6］ 童靖宇，刘向鹏，张超，等.CAST2000卫星太阳电池阵基板原子氧防护技术研究［J］.装备环境工程，2008，5 (6):72—75.TONG Jing-yu，LIU Xiang-peng，ZHANG Chao.et al.Study on Atomic Oxygen Protection Coating of Solar Cell Array Panel on CAST2000 Satellite［J］.Equipment Environmental Engineering，2008，5(6):72—75.

［7］ ARNOLD G S，PEPLINSKID R.Reaction of High-velocity Atomic Oxygen Carbon［J］.AIAA Journal，1984，24 (4):673—677.

［8］ GROH de K K，BANKSB A，MCCARTHY CE，etal.Misse 2 Peace Polymer Atomic Oxygen Erosion Experiment on the International Space Station［J］.High Performance Polymers，2008.

［9］ BRUCE A B，JANE A B，GROH de K K，et al.Atomic Oxygen Erosion Yield Predictive Tool for Spacecraft Polymers in Low Earth Orbit［R］.NASA Report，2008.(余不详)

［10］BANKSB A，GROH de K K，MILLER SK.Low Earth Orbital Atomic Oxygen Interactionswith SpacecraftMaterials［C］//Materials Research Society Symposium Proceedings.2004.(余不详)