原子氧防护涂层为“天和”太阳翼披上铠甲

2021-06-07李中华何延春王志民

真空与低温 2021年3期

李中华，何延春，王志民，李林

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

原子氧（Atomic Oxygen）是由太阳紫外光（波长＜243 nm）离解低地球轨道环境中的残余氧分子而形成的。低轨道原子氧的密度在109～105cm-3左右，航天器高速飞行（7.8 km/s）增大了原子氧对航天器表面材料的撞击能量（～5 eV）和通量。轨道越低，航天器表面经受的原子氧通量越大。原子氧是极强的氧化剂，可对航天器表面的有机材料和部分金属材料产生严重的氧化剥蚀作用，导致材料厚度减薄、表面形貌变化、热学/电学性能改变，甚至完全失效。如：厚度25µm的聚酰亚胺（PI）材料暴露在400 km轨道约10个月后，将会被原子氧完全剥蚀。因此，原子氧是低轨道长寿命航天器在轨高可靠运行的最大威胁。

NASA《低轨道材料选择指南》等相关报告指出，防护涂层（SiOx-PTFE、硅氧烷等）经2.5×1022atoms/cm2原子氧作用后的质量损失率（基底+防护涂层）小于7.24×10-4g/cm2，就能满足空间站15年的原子氧防护需求，并以此推算出在轨15年后的寿命末期，表面沉积了防护涂层的PI剩余质量仍然有79%。SiOx-PTFE涂层已经在国际空间站（ISS）上运行超过15年，为空间站太阳翼提供了良好的原子氧防护。

我国“天和”空间站运行在300～400 km低地球轨道，设计寿命15年，空间站上新型大面积柔性太阳翼使用了大量的PI。在轨期间，空间站迎风面经受的原子氧累积通量将达到7.83×1022atoms/cm2，原子氧剥蚀效应将严重影响空间站表面材料的性能和寿命，必须对其表面进行原子氧防护。

兰州空间技术物理研究所采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术为空间站柔性太阳翼板间电缆研制了一种硅氧烷防护涂层，如图1所示。该涂层厚度约为400 nm，表面结构以-[-Si-O-Si-]-为主，而内层结构中含有一定的甲基（-CH3）基团。因此，硅氧烷涂层既具有良好的原子氧防护性能，又具有较好的柔韧性。该涂层在地面模拟试验中经2.5×1022atoms/cm2原子氧作用后的质量损失率仅为3.3×10-4g/cm2，约为ISS太阳电池阵表面SiOx-PTFE复合防护涂层在相同条件下质量损失率（7.24×10-4g/cm2）的50%。硅氧烷涂层为我国空间站太阳翼板间电缆披上了一层防护“铠甲”。