空间辐射环境作用下热控涂层光学特性退化仿真方法研究

田 海，李丹明，张洪鹏，薛 华

(兰州空间技术物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，甘肃兰州730000)

1 引言

卫星热控系统是保证卫星中各类装置和仪器能够在一个比较稳定的温度环境中工作的重要系统，而热控涂层是卫星热控系统中使用最多、效果最显著的防护材料之一。它通过调节物体表面的太阳吸收率(αs)和红外辐射率(ε)来控制物体的热平衡［1］，是实现卫星被动热控制的关键。卫星在轨运行时，卫星外表面的热控涂层将受到空间环境诸因素的作用，其中电子、质子等带电粒子以及紫外线辐射将使得涂层吸收率增加，降低其光学性能。光学性能的退化对于热控涂层来说是需要重点考虑和评估的问题，要求它在卫星整个工作寿命期内的性能应保持稳定，即在空间各种环境条件作用下，光学性能的衰退应尽量小［2］，对于长寿命卫星而言，更需要评估热控涂层在空间使用期间的性能退化状况。应用地面模拟试验是进行评估的一个重要手段，在分析辐照作用机理的基础上建立模型，对热控涂层长期的退化状况进行预估也是近年来颇受重视且有待发展完善的一种方法。

作者在前期研究工作［3］的基础上，针对星用典型热控涂层制定了空间辐照环境作用下材料光学特性退化分析与预估软件编制方案，为空间环境作用下材料光学特性退化的计算模拟、以及典型热控涂层在空间辐照环境作用下光学特性退化的评估和长期退化状况的预估奠定了基础。

2 理论分析

根据材料吸收剂量与产生电子－空穴对数目的关系，材料中因辐照而产生的电子－空穴对的数目与其所吸收的辐照剂量成正比［4］，即

式中 n为单位体积中产生的电子－空穴对数目(个/cm3);ρ为材料密度(g/cm3);w为在该材料中产生一个电子－空穴对所需的最小能量(eV);D为吸收剂量［Gy(Si)］;k是为调整量纲的比例系数。辐照在材料中产生的电子－空穴对的数目应正比于所产生的色心浓度，于是有

式中 d为色心浓度(个/cm3);k1为比例系数。

材料吸收的辐照剂量随粒子入射深度呈现不均匀分布，可由剂量－深度分布曲线来描述。因此，在计算剂量－深度分布曲线过程中，可将材料垂直于入射方向分为若干层，如图1所示。若第i层材料的吸收剂量用Di表示，则有

式中 δi为以δ为分层厚度时第i层的深度;为材料剂量－深度分布曲线中第i层入射面深度所对应的辐照剂量则为第i+1层入射面深度所对应的辐照剂量。

图1 辐照与材料作用示意

结合式(2)，则相应于材料第i层所产生的色心浓度为

根据Beer定律

式中 I0为入射在材料表面的光强;σ为材料对特定波长光子的吸收系数(cm－1)，与波长和温度有关;x为光子进入材料的深度;I(x)为材料内x深度处的光强。可见，当单色光通过某种吸收物质时，透过的光强随该物质厚度按指数规律衰减。于是，对于材料第i层来说，对光子的吸收ΔIi可用式(6)表示

当波长为λ的一束单色光入射材料时，由于电子辐照在材料第i层中所产生的色心将对入射光子产生吸收，结合式(4)和式(6)，引起的吸收率的变化为

式中 Δαλ为材料对波长为λ的入射光吸收率的总变化;K为比例系数;N为材料在电子射程范围内被划分的总层数。

3 软件方案

为了使以上建立的热控涂层空间辐照环境下光学特性退化模型用于材料在轨道中电子、质子等辐照环境作用下光学特性退化的评估以及长期退化状况的预估，就必须在研究建立典型星用材料空间辐照环境下光学特性退化数理模型的基础上，编制空间辐照环境作用下材料光学特性退化分析与预估软件。该软件应能够为深入材料辐照损伤机理研究以及完善模型提供一种良好辅助工具。随着研究的拓展和深入，要建立与完善典型材料空间多种辐照环境及综合环境下性能退化的计算机仿真软件，以达到工程实用的目的。

软件由多个功能模块构成，可为不同辐照类型下的不同材料光学特性退化机理研究和建模提供手段。软件中的模型及其功能，也可根据材料空间辐照环境损伤机理及光学特性退化模型研究的深入而更新和完善。

软件应具备轨道及地面模拟辐照环境在材料(包括多层材料)中的剂量深度分布计算、求解材料吸收率变化模型、材料的单波长光吸收率变化预测、吸收光谱预测、太阳光吸收率预测、建立相关材料特性参数数据库等功能。主要功能为:

(1)建立材料模型，设置空间辐照环境参数;(2)计算材料的剂量深度分布;(3)采用非线性拟合的方法解析材料光吸收率变化数理模型;(4)计算单波长吸收率、吸收光谱、太阳光吸收率。软件由以下模块组成。

3.1 辐照环境模块

(1)设定辐照的种类和粒子能量。

(2)设定辐照注量。

(3)设定预测点。

3.2 材料模型构建模块

(1)设定材料的组成。

(2)将材料分割成多层。

3.3 吸收率数据与反射率数据转化模块

(1)根据吸收率α和反射率ρ关系公式α=1－ρ，将吸收率数据转化成反射率数据。

(2)将反射率数据转化成吸收率数据。

3.4 材料剂量深度分布计算模块

计算出不同辐照类型及注量下的材料剂量深度分布数据，生成对应于每个辐照注量和预测点的剂量深度分布数据文件。

3.5 材料吸收率变化数理模型求解模块

(1)将单波长吸收率－注量数据中各辐照注量对应的吸收率数据与辐照前的吸收率数据相减，获得吸收率变化－注量数据。

(2)将各辐照注量对应的剂量深度分布数据代入光学特性退化模型(见式8)，通过拟合算法求解出未知参数 K、σ、b。

(3)将预测点所对应的剂量深度分布数据代入求解模型，计算出预测点的吸收率变化。

(4)将吸收率变化与初始吸收率相加得到预测点的吸收率。

(5)计算出材料在预测点的单波长吸收率，保存单波长吸收率变化数据(吸收率变化数据和预测点单波长吸收率变化数据)，绘制出吸收率变化曲线。

模块流程见图2所示。

3.6 吸收光谱计算模块

(1)按照用户设定的光波长范围选取数据。

(2)将吸收光谱数据以间距1 nm取整数插值。

(3)将插值后的每个波长所对应数据依次输入到3.5材料吸收率变化数理模型求解模块。

(4)将材料剂量深度分布数据输入到材料吸收率变化数理模型求解模块。

(5)记录材料吸收率变化数理模型求解模块的输出值。

(6)计算出预测点的吸收光谱数据，保存采样所得单波长吸收率－注量数据集(实际为按照波长间距1 nm整理后的光吸收率注量数据)，并将两者合成一个文件。

模块流程如图3所示。

图2 材料吸收率变化数理模型求解模块流程图

图3 吸收光谱计算模块流程图

3.7 太阳光谱吸收率计算模块

输入参数包括光谱范围、吸收光谱数据、太阳光谱数据。

根据太阳光吸收率公式［5］，计算出材料对太阳光的吸收率

式中 Iλ为波长为λ的太阳光强度;λ0为光谱的起始波长;λn为截止波长波段的太阳光强度为材料吸收的λ0～λn波段的太阳光强度;ρs为光反射率。

3.8 输出模块

(1)主要功能

1)将光谱数据转化为图形;2)输出剂量深度分布数据和图形;3)输出单波长吸收率的值;4)输出太阳光谱吸收率;5)输出吸收光谱的数据和图形;6)根据公式绘图;7)将多幅光谱图叠加;8)对光谱图取值线取值。

(2)输入条件

1)由光谱光学特性－注量数据经吸收率数据与反射率数据转化模块转化而来的吸收光谱－注量数据;2)材料剂量深度分布计算模块输出的剂量深度分布数据;3)吸收光谱计算模块输出的吸收光谱数据;4)单波长吸收率预估中得到的预测点的吸收率;5)太阳光吸收率计算模块输出的太阳光吸收率;6)模型公式。

(3)结 果

1)生成剂量深度分布和吸收光谱的数据文件;2)生成剂量深度分布和吸收光谱的图形文件;3)生成单波长吸收率和太阳光吸收率的数据文件;4)绘制出关于吸收率变化的曲线和太阳光谱变化曲线;5)生成叠加后的光谱图文件;6)界面显示所取值。

3.9 材料特性参数数据库模块

生成材料特性参数数据库文件，并可对数据库进行添加修改。

4 结论

基于材料辐照剂量深度分布和光吸收理论建立了典型热控涂层的光学特性退化模型，并提出了空间辐照环境作用下材料光学特性退化分析与预估软件的编制方案，对解决星用热控涂层空间作用下性能退化预示有重要的参考价值。

［1］BROADWAY N J.Radiation effects design handbook Section 2:thermal control coating［R］.N－71－32280.

［2］王志民，卢榆孙，冯煜东，等.空间辐射与原子氧环境对导电型热控薄膜性能的影响［J］.真空与低温，2004，10(3):152～158.

［3］DANMING LI，DEYAN HE，YUXIONG XUE，et al.Degradation of Optical Characteristics of a ZnO Organic White Paint by Electron Irradiation［C］.Protection of Materials and Structures from Space Environment.Proceedings of the 9th International Conference，2009 AIP(American Institute of Physics)，CP 1087:623 ～628.

［4］林理彬.辐射固体物理学导论［M］.成都:四川科学技术出版社，2004:126～129.

［5］闵桂荣，郭舜.《航天器热控制》，第二版［M］.北京:科学出版社，1998:68～95.