姜利祥，劉宇明，劉國青 ，李 濤，丁義剛，鄭慧奇

（1. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所：北京 100094）

0 引言

熱控系統(tǒng)是航天器平臺的主要分系統(tǒng)之一。作為被動熱控系統(tǒng)的重要組成部分，熱控涂層是專門用來調(diào)整航天器表面熱輻射性質(zhì)從而達(dá)到熱控制目的的表面功能材料。在空間輻射環(huán)境（紫外、質(zhì)子、電子等）的作用下，熱控涂層的太陽吸收比和熱發(fā)射率會發(fā)生變化，造成航天器熱控系統(tǒng)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而影響航天器設(shè)計(jì)壽命的實(shí)現(xiàn)。

在熱控涂層帶電粒子輻射效應(yīng)方面，國內(nèi)開展過一些研究工作[1-5]，并且也有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布[6-7]。熱控涂層在軌道環(huán)境下性能退化隨飛行時間的變化關(guān)系在地面只有通過合理有效的加速試驗(yàn)才能獲得。目前相關(guān)的研究工作和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)并沒有完全覆蓋或解決這個問題。因此亟需制定一套熱控涂層軌道帶電粒子輻射效應(yīng)加速試驗(yàn)方法。

1 空間帶電粒子輻射環(huán)境特點(diǎn)

空間帶電粒子輻射環(huán)境主要指電子、質(zhì)子輻射環(huán)境。圖1是利用空間環(huán)境信息系統(tǒng)（SPENVIS）（http://www.spenvis.oma.be/spenvis/）計(jì)算出來的 GEO一年內(nèi)電子和質(zhì)子平均通量密度微分能譜。根據(jù)圖1可以總結(jié)出軌道帶電粒子輻射環(huán)境的兩個特點(diǎn)：1）電子、質(zhì)子能量分布范圍很廣；2）不同能量電子、質(zhì)子的輻射注量率不同。正是由于這兩個特點(diǎn)，地面模擬試驗(yàn)要準(zhǔn)確模擬空間能譜存在很大困難。

圖1 GEO電子、質(zhì)子微分能譜Fig. 1 The differential spectra of electron and proton in GEO

2 常用地面模擬技術(shù)及其存在的問題

由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面的制約，國內(nèi)外用于模擬軌道帶電粒子輻射環(huán)境的環(huán)境模擬設(shè)備大多只有一個電子源（或加速器）和一個質(zhì)子源（或加速器）。

地面模擬軌道帶電粒子輻射環(huán)境的方法之一是采用高能粒子加速器，利用帶電粒子穿透不同厚度靶材時能量損失的規(guī)律不同，在粒子源與被輻射樣品之間放置具有特定界面的金屬箔，從而可以在一定范圍內(nèi)獲得與實(shí)際軌道粒子分布近似的能譜。這種方法有很大的局限性：首先，由于質(zhì)子的射程較小，該方法無法模擬具有較高能量的質(zhì)子能譜；其次，該方法只能近似模擬一定能量范圍內(nèi)的帶電粒子能譜，無法實(shí)現(xiàn)軌道帶電粒子全能譜的模擬并且還會產(chǎn)生諸如軔致輻射、二次電子等附加效應(yīng)。

目前，地面模擬試驗(yàn)中，采用最廣泛的還是能量調(diào)節(jié)范圍有限的單能粒子加速器。采用單能粒子加速器的關(guān)鍵技術(shù)在于如何解決地面模擬輻射環(huán)境與軌道輻射環(huán)境的等效性問題。常用的等效方法有兩種。第一種方法，以帶電粒子輻射所產(chǎn)生的吸收劑量效應(yīng)和位移效應(yīng)作為判斷等效性的判據(jù)。這種方法只考慮了材料所吸收的總輻射劑量，而沒有很好地考慮輻射能量損失和粒子射程分布等問題。另一種方法是對第一種方法的改進(jìn)，以帶電粒子輻射在材料中的輻射劑量–深度分布等效作為等效性判據(jù)。這種方法應(yīng)用在熱控涂層地面試驗(yàn)中也存在一些問題：1）由于熱控涂層多數(shù)是混合物，成分復(fù)雜，且有時因?yàn)榧夹g(shù)保密的原因無法獲知熱控涂層的具體成分，因此，難以確定帶電粒子在熱控涂層中的準(zhǔn)確輻射劑量–深度分布，只能用一些簡單成分物質(zhì)的劑量–深度分布進(jìn)行近似；2）輻射劑量–深度分布模擬方法一般需要至少 2種能量的粒子進(jìn)行輻照，使其可操作性降低，特別是在綜合輻照試驗(yàn)過程中很難采用該方法；3）對同一個劑量–深度分布，可以有多種能量組合方式，并且存在輻照順序的問題，這些都可能會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

3 等效能譜模擬技術(shù)

在地面模擬試驗(yàn)中，希望能用更簡單的方法得到更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，即只用單一能量的粒子來模擬軌道帶電粒子輻射環(huán)境，進(jìn)行輻照試驗(yàn)。因此，如何利用單一能量粒子輻照模擬連續(xù)能量粒子輻照是必須要解決的技術(shù)問題，我們稱之為等效能譜模擬技術(shù)。

等效能譜模擬技術(shù)的等效性判據(jù)是輻射效應(yīng)等效，即

式中：Δαs(試驗(yàn))為地面模擬試驗(yàn)中的熱控涂層太陽吸收比退化量；Δαs(軌道, t)為軌道帶電粒子輻射環(huán)境下飛行時間t后的熱控涂層太陽吸收比退化量。

設(shè)dφ/dE是軌道帶電粒子分布的微分能譜（已知量），如果采用能量為E0的帶電粒子進(jìn)行地面模擬輻照試驗(yàn)，達(dá)到輻射注量為φeq時能實(shí)現(xiàn)輻射效應(yīng)等效，則式(1)可以改寫為

根據(jù)熱控涂層退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)[8]，Δαs可以描述為

式中：A、b是與材料有關(guān)的系數(shù)，a是與帶電粒子能量有關(guān)的系數(shù)。

將式(3)代入式(2)，可以得到當(dāng)?shù)孛婺M試驗(yàn)采用能量為E0的帶電粒子進(jìn)行輻照時，等效注量為

等效注量率（等效束流密度）為

式中：B是通過兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)按公式(3)擬合得到系數(shù) a1、a2和 b，并按公式計(jì)算得到的，其中

4 加速試驗(yàn)的加速因子確定技術(shù)

熱控涂層軌道帶電粒子輻射效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)一般采用加速試驗(yàn)的方法，以便在較短的時間內(nèi)完成試驗(yàn)。加速試驗(yàn)的一個重要表征參數(shù)就是加速因子，定義為實(shí)際在軌飛行時間與地面模擬試驗(yàn)時間的比值，即

加速試驗(yàn)一般通過采用高于實(shí)際情況的帶電粒子輻射注量率來實(shí)現(xiàn)。提高試驗(yàn)中帶電粒子的輻射注量率，可以增大加速因子，縮短地面模擬試驗(yàn)時間。加速因子選擇是否合理，決定了熱控涂層太陽吸收比在軌退化試驗(yàn)結(jié)果的正確性。通常認(rèn)為，在一定的輻射注量率范圍內(nèi)，有[6-7,9]

式中 φ(在軌)可利用式(5)計(jì)算得出，φ(在軌)= φeq。

該輻射注量率范圍即為等效模擬區(qū)間[10]。而該等效模擬區(qū)間最大輻射注量率對應(yīng)的加速因子就是地面模擬試驗(yàn)可以采用的最大加速因子。

我們研究認(rèn)為，只要熱控材料的輻射損傷機(jī)理沒有發(fā)生改變，就可以采用更高的輻射注量率來進(jìn)行加速試驗(yàn)，即使輻射注量率超出等效模擬區(qū)間。但此時加速因子不能由式(7)進(jìn)行計(jì)算，而應(yīng)根據(jù)輻射效應(yīng)等效性判據(jù)即式(1)進(jìn)行判斷。

假設(shè)有兩組粒子能量相同的輻照試驗(yàn)，輻射注量率分別為φ1和φ2，其中φ1在等效模擬區(qū)間內(nèi)，φ2超出了等效模擬區(qū)間。則第一組試驗(yàn)的加速因子為

而第二組試驗(yàn)的加速因子計(jì)算公式應(yīng)為

式中m是修正系數(shù)。

從式(9)可以看出，當(dāng)輻射注量率超出等效模擬區(qū)間后，加速因子的計(jì)算公式中多出一個修正系數(shù)m，其數(shù)值可以通過輻射效應(yīng)等效性判據(jù)公式、熱控涂層太陽吸收比的退化計(jì)算公式以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。該系數(shù)保證了加速因子選擇的有效性。

5 GEO電子輻照加速試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

5.1 等效注量率的確定

試驗(yàn)對象選用防靜電Kapton二次表面鏡，分別采用20 keV、40 keV、60 keV能量的電子進(jìn)行輻照試驗(yàn)，電子注量率均為4.5×1010cm-2·s-1，試驗(yàn)真空度優(yōu)于 2×10-3Pa，熱沉溫度為-25 ℃，樣品臺溫度控制在 10～20 ℃，其他試驗(yàn)條件滿足 GJB 2502—2006的規(guī)定。

圖2是利用式(3)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的結(jié)果，所示為在不同能量電子的輻照下，Kapton的太陽吸收比與電子注量的變化關(guān)系。

圖2 不同能量電子輻照下Kapton的太陽吸收比與電子注量的關(guān)系Fig. 2 The solar absorptance versus electron fluence for ITO/Kapton/Al films under different energy electron irradiations

從圖中可以看出，在20～60 keV電子能量范圍內(nèi)，相同輻射注量下，電子的能量越大，對Kapton光學(xué)性能的損傷越大。利用式(5)并帶入GEO電子分布能譜，可以得到

即利用能量為40 keV的電子來等效GEO電子進(jìn)行輻照時，其等效的電子注量率應(yīng)為3.0×108cm-2·s-1。

5.2 加速因子的選取

采用能量為40 keV的電子進(jìn)行輻照試驗(yàn)，電子注量率分別為 4.5×1010cm-2·s-1和 2.5×1011cm-2·s-1，其他試驗(yàn)條件不變。

前期研究表明，當(dāng)電子注量率為4.5×1010cm-2·s-1時，處于等效模擬區(qū)間內(nèi)。而當(dāng)注量率提高到2.5×1011cm-2·s-1時，已超出等效模擬區(qū)間，其加速因子應(yīng)通過式(9)進(jìn)行計(jì)算。

圖3是相同能量、不同注量率的電子輻照下，Kapton的太陽吸收比與電子注量的變化關(guān)系。

圖3 不同電子注量率下Kapton的太陽吸收比與電子注量的變化關(guān)系Fig. 3 The solar absorptance changes versus electron fluence for ITO/Kapton/Al films under 40 keV electron irradiation with different flux densities

從圖中可以看出，在相同輻射注量下，當(dāng)電子注量率提高后，Kapton的性能退化減小，但最后都有穩(wěn)定的趨勢。

圖3中的曲線是試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用式(3)的擬合結(jié)果，可以得到

式中：γ1，γ2分別是電子注量率為 4.5×1010cm-2·s-1和 2.5×1011cm-2·s-1時的加速因子。

從式(11)可以看出，雖然輻射注量率增加到約5.5倍，但實(shí)際的加速因子只增加到約2.2倍，加速的效率只有40%。

5.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

模擬GEO環(huán)境15 a飛行時間內(nèi)，防靜電Kapton二次表面鏡的太陽吸收比電子輻射效應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)，可以選擇能量為40 keV的電子來等效GEO電子進(jìn)行輻照。由式(10)已知其等效的電子注量率應(yīng)為 3.0×108cm-2·s-1。當(dāng)選擇輻射注量率為 4.5×1010cm-2·s-1（位于等效模擬區(qū)間內(nèi)）時，總注量為3.0×108cm-2·s-1×15 a=1.42×1017cm-2，試驗(yàn)時間約為36 d；當(dāng)選擇輻射注量率為2.5×1011cm-2·s-1（超出等效模擬區(qū)間）時，總注量為2.5×1011cm-2·s-1×15 a/[2.2×(4.5×1010cm-2·s-1/3.0×108cm-2·s-1)]=3.58×1017cm-2，試驗(yàn)時間約為 16 d。

6 總結(jié)

給定一個軌道帶電粒子輻射環(huán)境后，地面加速試驗(yàn)的關(guān)鍵是要確定3個參數(shù)：輻射粒子能量E0，輻射注量率φ0和總注量φ0。

首先，分析軌道帶電粒子輻射環(huán)境，以及帶電粒子在熱控材料中的射程和能量損失，對軌道帶電粒子輻射環(huán)境進(jìn)行剪裁。一般來說，低能粒子（10 keV以下）對熱控涂層退化效應(yīng)較??；而高能電子、高能質(zhì)子數(shù)量很少；且高能電子穿透深度很深，對熱控涂層表層的影響較小。因此可以忽略低能和高能的帶電粒子輻射，只考慮從10 keV到幾百keV能量范圍內(nèi)的帶電粒子所引起的輻射效應(yīng)。

其次，根據(jù)第一步確定帶電粒子主要關(guān)注能量范圍，以及該能量范圍的軌道粒子輻射注量大小，加之試驗(yàn)設(shè)備能力，確定試驗(yàn)中輻射粒子的能量E0。

第三，開展幾組不同能量帶電粒子輻射效應(yīng)試驗(yàn)，利用公式(5)計(jì)算輻射粒子能量為 E0時的等效注量率 φeq。

第四，根據(jù)設(shè)備能力，選取試驗(yàn)中的輻射注量率 φ0。如果通過前期工作已知φ0在等效模擬區(qū)間內(nèi)，則總注量φ0=φeqt。如果不能確定φ0是否在等效模擬區(qū)間內(nèi)，則需要再進(jìn)行一組低注量率φl輻射試驗(yàn)，φl處于等效模擬區(qū)間內(nèi)，利用式(8)和式(9)計(jì)算出加速因子γ，并獲得總注量φ0。

按照輻射粒子能量E0、輻射注量率φ0和總注量φ0這3個參數(shù)，進(jìn)行地面模擬輻射效應(yīng)加速試驗(yàn)，即可得到熱控涂層軌道帶電粒子輻射環(huán)境下的太陽吸收比退化評估數(shù)據(jù)。

7 結(jié)束語

由于軌道帶電粒子的能譜為連續(xù)分布，因此在地面進(jìn)行熱控涂層性能退化試驗(yàn)評估時，一是要解決軌道帶電粒子輻照環(huán)境等效能譜模擬技術(shù)；二是要確定加速試驗(yàn)的加速因子。在國家“863”計(jì)劃相關(guān)課題的支持下，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所開展了此方面的相關(guān)工作，獲得了部分研究成果，建立了GEO帶電粒子輻照試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。希望能在后續(xù)工作中繼續(xù)補(bǔ)充完善，并將該項(xiàng)技術(shù)推廣到型號的試驗(yàn)設(shè)計(jì)中。

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