空间辐射环境模型不确定性对ITO/Kapton/Al薄膜防静电性能评价分析

沈自才，牟永胜，刘宇明，丁义刚

（1.北京卫星环境工程研究所，北京 100094；2.山东省特种设备检验研究院临沂分院，临沂 山东 276000）

0 引言

航天器在轨运行期间将受到极端温度、各种带电粒子及等离子体等环境的作用，可引起温度的急剧变化和充放电等效应。通常在航天器的外表面采用防静电热控涂层进行温度控制和防止充放电效应的发生[1-2]。薄膜基二次表面镜ITO/Kapton/Al作为一种性能优异的防静电热控涂层，用于各类轨道航天器上。

在对ITO/Kapton/Al二次表面镜开展空间辐射环境作用下防静电性能地面模拟试验评价的过程中，通常采用目前较为成熟的AE8/AP8对其在轨空间辐射环境进行分析。然而，这些模型为统计平均模型，受到当时探测能力和探测数据范围的限制，以及太阳活动的影响、是否各项同性以及南大西洋异常区漂移等影响，空间辐射环境模型与很多在轨探测数据相差2～3倍，有些高轨道区域甚至相差10倍[3-5]。

虽然国内外对空间辐射环境模型的不确定性均有统一的认识，但对空间辐射环境模型对航天材料地面模拟试验评价的影响研究甚少。目前，世界各航天大国是通过增加设计余量的方式来降低不确定性对航天设计的影响[6-7]。

首先在对电子和质子辐照下的ITO/Kapton/Al的防静电性能进行试验研究，进而研究了不同的不确定性对其性能评价的影响。

1 空间辐射环境模型的不确定性

1.1 不确定性来源

虽然新一代空间质子和电子辐射环境模型AP9和AE9已经得到开发并逐步得到试用，但航天器研制过程中大多数情况下仍然使用AP8和AE8模型。这两个空间辐射环境模型的不确定性主要来源于以下几个方面：

（1）太阳活动周期的依赖性。AE/AP模型只能提供太阳活动谷年或太阳活动峰年及其附近的通量，而不能提供太阳活动周期期间的变化；

（2）瞬态性。AE/AP模型是统计模型，在提供周期为6个月或更长时间的平均通量是比较准确的，尤其是对由于地磁扰动引起的高纬度暂时变化是无法预测的；

（3）方向性。AE/AP模型仅仅提供全向通量而不是任意角度的通量；

（4）能量外推。以质子为例，在低于10 MeV的AP8模型质子能谱是飞行数据的外推，这些外推数据的准确性有待评估；

（5）南大西洋异常区（SAA）漂移。以质子为例，由于长期的地磁变化，质子通量在低纬度和高强度的SAA区域向西以每年0.3度速度漂移。AP8不能准确预测SAA区域的通量正确地理位置，但可以讲AP8预测通量以对应于AP8数据库以每年0.3度向西漂移。在低于800 km的高度，NOAA卫星数据结合NOAAPRO模型可用于精确处理SAA的漂移。

1.2 不确定因子

空间辐射环境模型的不确定性，可以利用不确定因子来表征。不确定因子定义为实际在轨空间辐射环境与空间辐射环境模型之间的比值。

式中：Ff为空间某一环境的实际注量，cm-2；FM为基本空间辐射环境模型的环境注量，cm-2；。UF一般与太阳活动有关。对航天器表面功能材料，UF与选定的地面模拟试验的粒子的种类、能量有关。

1.3 相对偏差

空间辐射环境模型的不确定性对试验件被测性能的影响可以用相对偏差来表征。

式中：Δx为不同不确定性因子下被测性能值的绝对变化；x0为不确定性因子为1时的被测性能的值；x为不确定性因子为除1以外的某一值时的被测性能的值。

2 实验

2.1 实验样品

试验样品ITO/Kapton/Al防静电热控涂层，结构示意图如图1所示，其中ITO膜厚度约0.1 μm，位于热控涂层的最外层，Kapton厚度50 μm，背面镀Al。

图1 ITO/Kapton/Al涂层结构示意图Fig.1 The configuration of ITO/Kapton/Al coating

2.2 实验参数

辐照试验在F800空间综合辐照试验设备上进行。实验过程中，真空度优于10-3Pa，样品温度约为30℃，热沉温度≤-35℃，具体实验参数如表1列。

表1 辐照试验参数表Table 1 Test parameters of ion irradiations

2.3 性能测试

根据GB1410－89和ASTM-D257-99，对实验样品进行表面电阻率原位测试，表面电阻率原位测试线路如图2所示[8-9]。

图2 表面电阻率原位测试线路示意图Fig.2 The schematic diagram for in-situ measurement of surface resistivity

3 防静电性能变化

在不同电子辐照注量下的ITO/Kapton/Al表面电阻率变化及拟合分析如图3所示。由图可知，随着电子注量的增加，其表面电阻率呈二阶指数衰减趋势，拟合关系如式（3）：

式中：y为表面电阻率（104Ω/□）；x为电子注量（1014e/cm2）。

图3 ITO/Kapton/Al表面电阻率随电子注量的变化曲线Fig.3 Surface resistivity of ITO/Kapton/Al vs.electron fluence

在不同质子辐照注量下的ITO/Kapton/Al表面电阻率变化及拟合分析，如图4所示。

由图4可知，随着质子注量的增加，其表面电阻率呈二阶指数衰减趋势，拟合关系如式（4）：

式中：y为表面电阻率（104Ω/□）；x为质子注量（1014e/cm2）。

图4 ITO/Kapton/Al表面电阻率随质子注量的变化曲线Fig.4 Surface resistivity of ITO/Kapton/Al vs.proton fluence

4 辐射环境模型不确定性对结果的影响分析

在通用模型中，电子辐射环境模型和质子辐射环境模型以AE8和AP8为主，通常选用不确定性因子为2。实验中分别选用不确定性因子为0.5、2.0、5.0、10.0进行分析。

4.1 电子辐射环境模型的不确定性对热控涂层防静电性能评价的影响

根据式（1），对不同的不确定度对其表面电阻率的变化进行计算分析，如图5所示。

图5 不同不确定度下ITO/Kapton/Al的表面电阻率随电子辐照注量的变化曲线Fig.5 Surface resistivity of ITO/Kapton/Al vs.electron fluence in different uncertainties

不确定度带来的影响分析如表2和图6所示。由表2分析可知，对不确定度因子取0.5时，当电子注量为200×1014e/cm2时，其相对偏差为6.84%，当不确定因子为2.0、5.0、10.0时，当电子注量100×1014e/cm2时，其相对偏差小于7%，当电子注量200×1014e/cm2时，其相对偏差小于0.2%。认为其影响可忽略不计。

表2 不确定度对电子辐照下ITO/Kapton/Al的表面电阻率带来的相对偏差（%）Table 2 Relative deviation of surface resistivity of ITO/Kapton/Al from uncertainty

图6 不确定度对电子辐照下ITO/Kapton/Al的表面电阻率相对偏差的影响曲线Fig.6 Surface resistivity relative derivation of ITO/Kapton/Al by electron irradiation vs.uncertainty

4.2 质子辐射环境模型的不确定性对热控涂层防静电性能评价的影响

根据式（2），对不同的不确定度对其表面电阻率的变化进行计算分析，如图7所示。

图7 不同不确定度下ITO/Kapton/Al的表面电阻率随质子辐照注量的变化图Fig.7 Surface resistivity of ITO/Kapton/Al vs.proton fluence in different uncertainties

不确定度带来的相对偏差分析如表3所列，相对偏差比如图8所示。

表3 不确定度对质子辐照下ITO/Kapton/Al的表面电阻率带来的相对偏差（%）Table 3 Relative deviation of surface resistivity of ITO/Kapton/Al from uncertainty[surface resistivity

图8 不确定度对质子辐照下ITO/Kapton/Al的表面电阻率相对偏差的影响曲线Fig.8 Surface resistivity relative derivation of ITO/Kapton/Al by proton irradiation vs.uncertainty

由表3和图8分析分析可知，对不确定度因子取0.5时，当质子注量为10×1014p/cm2时，其相对偏差最大，接近70%，而后随着注量的增加而逐渐减小，当质子注量达到25×1014p/cm2时，其相对偏差接近1%。当不确定因子为2.0、5.0、10.0时，当质子注量15×1014p/cm2时，其相对偏差小于2%，而后随着注量的增加，其相对偏差逐渐减小，可认为其影响可忽略不计。

4 结论

通过对电子和质子辐照下的ITO/Kapton/Al薄膜的表面电阻率变化研究发现：

（1）空间辐射环境模型的不确定性对热控涂层的防静电性能具有较大的影响，但随着辐照注量的增加，其不确定性对最终结果的影响越来越小。当达到一定的辐照注量后，其影响可忽略不计；

（2）不确定性对热控材料防静电性能的影响随着不确定因子的增大而增大；

（3）当不确定因子小于1时，空间辐射环境模型不确定性对防静电热控材料表面电阻率评价带来的相对偏差为正，当不确定因子大于1时，则为负。

参考文献：

[1]沈自才.空间辐射环境工程[M].北京：宇航出版社，2013.

[2]沈自才，赵春晴，冯伟泉，等.近紫外辐照对塑料薄膜型防静电热控涂层导电性能的退化效应[J].航天器环境工程，2009，26（5）：415-418.

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[7]ESA Requirements and Standards Division.ECSS-E-ST-10-12C，Space engineering-Methods for the calculation of radia⁃tion received and its effects，and a policy for design margins[S].15November2008.

[8]袁明珍，顾宁君.GB1410-89.固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法[S].北京：全国绝缘材料标准化技术委员会，1990.

[9]ASTM Committee.ASTM-D257-99.Standard Test Methods for DC Resistance or Conductance of Insulating Materials[S].1999.