低地球轨道原子氧‒太阳远紫外协合效应地面试验条件探讨

焦子龙，姜海富，姜利祥，翟睿琼，杨艳斌

（1.可靠性与环境工程技术重点实验室；2.北京卫星环境工程研究所：北京 100094）

0 引言

高度范围200～700km 的低地球轨道是遥感卫星、低轨通信卫星和空间站等航天器运行的主要轨道。该轨道高度范围大气的主要成分之一是具有强氧化性的原子氧。由于航天器的低地球轨道速度约为8km/s，相当于原子氧以此速度撞击航天器表面，容易造成航天器表面聚合物材料被氧化剥蚀，热学、光学及力学等性能显著变化。

同时，航天器在轨还受到太阳紫外辐照作用。Koontz 等最早提出紫外辐照可能与原子氧存在协合增强效应。对于在航天器上应用广泛的聚合物材料而言，其化学键会在紫外光子作用下被切断，形成激发态，进而产生自由基，可促进原子氧的剥蚀效应。

目前已有一些研究者建立了相关的试验设备，能够进行原子氧‒紫外协合效应的研究，但对紫外辐照条件的制定依据尚研究不足。原子氧通量和紫外曝辐照度与航天器相对于太阳、地球的位置，以及航天器自身的形状、姿态等有关，因此航天器表面材料同时暴露在两种环境后的效应相对单一因素分别作用更为复杂。Yokota 等在原子氧‒紫外协合效应试验数据分析中采用了紫外曝辐照度/原子氧注量比（以下简称注量比）参数，有助于试验结果分析和协合效应机理分析。

本文提出将注量比参数作为原子氧‒紫外协合效应地面试验条件制定中的重要依据，以进一步提高地面试验模拟的真实性和有效性。为此，以空间站轨道条件和立方体卫星模型为例，进行计算分析，获得紫外曝辐照度及原子氧注量随在轨时间的变化，并对注量比的变化进行讨论，以期为今后地面试验提供参考。

1 现有试验设备及参数

目前，国内外已有多家研究单位建立了原子氧/紫外环境效应地面模拟试验设备。这些设备采用的原子氧源主要有离子束中性化和激光加热2 种形式。离子束中性化原子氧源采用射频等方式激发产生氧等离子体，然后将其加速，再通过电荷交换或与带负偏压的中性化板碰撞使离子中性化，从而获得氧原子束流。激光加热原子氧源则是通过激光产生高温高压等离子体，再使其膨胀以产生高速中性氧原子束流。近紫外辐照模拟一般采用超高压汞灯、超高压汞氙灯和超高压氙灯等；200nm 以下波长的远紫外辐照模拟一般采用氢灯、氘灯或气体放电装置。

国内外典型的原子氧‒紫外环境效应地面模拟设备的主要性能参数见表1。这些设备具备同时施加原子氧和紫外辐照的协合效应试验能力，但由于硬件限制和试验目的不同，选取的模拟条件不尽相同，与在轨实际环境条件的符合性有待深入研究。

表1 原子氧‒紫外环境效应地面模拟设备Table 1 List of typical operational ground simulation facilities for simulating orbital atomic oxygen and ultraviolet irradiation

2 轨道原子氧和紫外环境计算

2.1 分析计算方法

为获得轨道原子氧/紫外环境特性，需根据轨道参数、航天器几何构型和姿态等初始参数计算出对应时刻航天器相对于太阳、地球的位置和速度，再根据该时刻的太阳活动指数和地磁活动指数计算原子氧通量和紫外曝辐照度（当航天器位于地球阴影区时，不进行紫外曝辐照度计算），流程如图1 所示。

图1 轨道原子氧/紫外环境计算流程Fig.1 Flowchart of calculation for orbital atomic oxygen/ultraviolet environment

图1 给出了轨道原子氧/紫外环境计算的主要功能模块，下面详细介绍各模块的计算方法及所用公式。

2.1.1航天器位置和速度计算

航天器的位置和速度计算采用二体模型。具体计算过程可参考文献[12]。本文设置轨道计算时间步长为1s，满足工程计算的精度要求。

2.1.2原子氧通量

根据自由分子流理论，表面入射原子氧通量可表示为

则原子氧注量为

其中t=+Δ，为计算起始时刻，Δ为轨道计算时间步长。

2.1.3紫外曝辐照度

紫外波段中，远紫外的协合效应更为显著，因此本文选取波长范围为120～200nm 的远紫外为研究对象。航天器单位面积表面上紫外曝辐照度的计算式为

式中：E为太阳紫外辐照度；cosα称为t时刻的取向因子，α为太阳入射方向与表面内法线夹角。

认为太阳光为准直，则可根据太阳位置得到太阳入射方向。计算步骤如下：

1）将当前协调世界时UTC 转换为儒略日JD，再将后者转换为儒略世纪，

2）计算平赤道地心坐标系下的平近点角，

3）计算平赤道地心坐标系下的平太阳经度λ，

4）计算太阳的黄道经度 λ，

5）计算日地距离及黄赤交角，

6）计算平赤道地心坐标系下的地球与太阳之间的位置矢量，

上述算法精度达0.0002AU，满足本文所需。

此外，紫外曝辐照度计算时还需考虑航天器是否位于地球阴影中。地球阴影近似为圆柱体，半径为地球半径，对于低地球轨道航天器，不考虑半影的影响。忽略1 个轨道周期内太阳位置的变化，在地心坐标系下，设航天器和太阳之间的位置矢量为，则当成立时，航天器位于地影外；反之，航天器位于地影之中。

2.2 输入参数

2.2.1航天器轨道及姿态参数

选取空间站任务作为典型LEO 任务，其轨道高度为400km，倾角42°；其他参数如升交点赤经、近地点幅角、真近点角等均为0°。作为初步计算，假设航天器为边长1m 的正立方体卫星，三轴稳定。卫星坐标系及星‒地‒日位置关系如图2 所示，+面为迎风面，-面为背风面。由式(1)可知，-面原子氧通量远小于+面的，可近似为0，因此计算中未考虑该面的协合环境。

图2 太阳、地球、卫星相对位置及卫星坐标系示意Fig.2 The relative positions of the sun,the Earth,and the satellite in satellite coordinate system

2.2.2环境参数

轨道中性大气原子氧环境受太阳活动和地磁活动影响变化显著，太阳活动高年相比太阳活动低年原子氧数密度变化可能达500 倍。计算表明，原子氧年平均注量变化与太阳活动11 年周期相对应。原子氧参数采用NRLMSIS00E 模式计算。模式所需太阳活动指数F10.7 和地磁活动指数Ap数据取自irimodel.org 网站。该网站为国际电离层参考模型的官方网站，提供了用于NRLMSIS00E计算的F10.7 每日数值、81 天平均值以及Ap 指数每3h 数值、每日平均值等数据。数据记录起始时间为1958 年1 月1 日，一直每日更新。

太阳紫外辐照具有包括约11 年太阳黑子周期和准27 天自转周期在内的不同时间尺度的规则变化，且波长越短，变化越剧烈。目前已有大量的太阳全波段观测数据，本文采用太阳辐射及气候试验（Solar Radiation and Climate Experiment,SORCE）卫星上搭载的SOLSTICE 仪器的观测数据作为计算的输入数据。

本文选取太阳活动高年和太阳活动低年作为典型环境工况进行计算。F10.7 是太阳活动的表征指数，故对自2004 年至2022 年的F10.7 指数变化进行了分析，如图3 所示。从图中可以看出太阳活动高年为2014 年，太阳活动低年为2008 年和2019年，本文计算选取2014 年和2019 年的数据。

图3 太阳F10.7 指数变化曲线Fig.3 Variations of the solar F10.7index

2014 年和2019 年远紫外曝辐照度观测数据如图4 所示，紫外辐照约27 天的变化周期明显可见。其中，2014 年因仪器故障导致观测数据起止日期为2 月24 日—12 月31 日（共311 天），2019 年数据起止日期为1 月1 日—12 月31 日（共365 天）。

图4 太阳远紫外曝辐照度随时间变化曲线Fig.4 Time variations of solar far ultraviolet irradiance

2.3 计算结果

图5 给出了航天器+面、+面原子氧注量和远紫外曝辐照度长时间的变化情况。+面为迎风面，+面法线与大气来流方向（-方向）垂直。从图5(a)、(c)中可以看出，+面原子氧注量显著高于+面的；从图5(b)、(d)中可以看出，+面远紫外曝辐照度显著高于+面的远紫外曝辐照度。

图5 原子氧注量、远紫外曝辐照度随在轨时间变化Fig.5 Variations of fluence of atomic oxygen and FUV irradiation against the orbiting time

图6 为航天器+、+面的原子氧注量和远紫外曝辐照度入轨3 天内变化曲线。可以看出：+面和+面的相对强度与图5 一致；且+面原子氧注量呈现周期性波浪式增长，这是由于原子氧数密度随地方时变化，在地方时14:00 数密度最高。

图6 入轨后3 天内原子氧注量、远紫外曝辐照度随在轨时间变化Fig.6 The fluence of atomic oxygen and FUV irradiation withinthreedaysafterenteringorbit

计算得到的航天器+面和+面的原子氧注量和远紫外曝辐照度，如表2 所示。如前所述，2014 和2019 工况的计算时间分别为311 天和365 天。

表2 两种工况下原子氧注量和远紫外曝辐照度Table2 Fluenc of atomic oxygen and FUV irradiance under two conditions

从表2 可以看出，太阳活动高年（2014 年）相对于太阳活动低年（2019 年），原子氧注量增大近4 倍，远紫外曝辐照度增大约10%。

入轨后3 天内航天器+面和+面注量比随在轨时间的变化如图7 所示。当航天器进入地影，+面未受光照时，注量比定义为0。从图中可以看出：注量比以天为周期变化的特征，当地方时14:00 左右注量比取该天最小值；且2019 年和2014 年工况的变化规律相似。

图7 入轨后3 天内注量比随在轨时间的变化Fig.7 Variations of FUV/AO ratio against in-orbit time within three days after entering orbit

表3 给出各工况注量比最大值及最小值的具体数值。可以看出，太阳活动高年（2014 年）的注量比最大值约为太阳活动低年（2019 年）的4 倍，符合前述远紫外曝辐照度和原子氧注量的变化规律。

表3 2014工况和2019 工况注量比最值Table3 Maximum and minimum value of FUV/AO ratio in the year of 2014 and 2019

2.4 计算结果讨论

太阳活动的周期性变化导致远紫外曝辐照度和大气原子氧密度发生变化，但两者的变化幅度不同。从表2 可以看出，对于前述空间站轨道，太阳活动高年相对于太阳活动低年，原子氧累积通量增大约4 倍，而远紫外曝辐照度增大约10%，即注量比变化主要由原子氧通量变化决定。因此从工程角度考虑，进行原子氧/远紫外协合效应试验设计时，可不考虑远紫外曝辐照度随太阳活动的变化，视其为定值。

从图7 可以看出，航天器各个表面的注量比均呈现一定周期性波动。Yokota 等进行的试验表明，随着注量比增大，协合效应下的材料反应率与原子氧单独作用时材料反应率的比值显著增大。例如，注量比为7.6×10J/个时，Kapton 材料反应率增大2.8 倍；注量比为1.5×10J/个时，Kapton 材料反应率增大约0.14 倍。从工程角度考虑，应以注量比最大值进行试验，得到的材料试验结果为在轨最恶劣情况。从图7 和表3 可以看出，该注量比最大值在夏至时点取得，这可作为试验条件简化计算的依据。此外，从表3 还可以看出，航天器不同朝向表面的注量比明显不同，相差至少1 个数量级，在试验设计中对这种情况应给予充分考虑。

3 结束语

在原子氧‒远紫外协合效应下，低地球轨道航天器用聚合物材料的反应率相比单独考虑原子氧作用时可能明显增大，而现有地面试验条件未对此情况给予充分考虑。

因此本文提出增加远紫外曝辐照度/原子氧注量比这一参数作为试验条件制定中的重要依据，针对空间站轨道的太阳活动高年和低年原子氧和远紫外暴露环境进行了计算分析。结果表明，注量比呈现日变化、年变化等周期性特征，这是由中性大气密度和太阳远紫外辐照的周期性变化引起的；并且，对于航天器不同朝向的表面，其对应同一时刻的注量比明显不同。因此，建议在考虑材料使用位置朝向的基础上，以最大注量比进行原子氧‒远紫外协合效应试验。

现有试验设备具备同时施加原子氧、远紫外辐照的协合效应试验能力，且试验中一般采用加速试验方法，远紫外波长范围加速因子最大可为100。本文的注量比参数对加速试验方法的适用性、注量比试验控制技术均需深入研究。