中性大气环境效应模拟试验技术现状及发展方向

姜海富，姜利祥,2，李 涛，郑慧奇，刘向鹏，杨前进，院小雪，杨东升，臧卫国，王 璐

（1. 北京卫星环境工程研究所； 2. 可靠性与环境工程技术重点实验室：北京 100094；3. 中国航天科技集团有限公司，北京 100048）

0 引言

在地球轨道航天器所处的近似真空的空间环境中，广泛存在着中性大气、等离子体、带电粒子、各种尺度的微流星体及空间碎片；同时，还存在磁场、引力场和各种波长的电磁辐射。

中性大气环境作为地球空间环境的重要组成部分，包含自然环境的中性气体和航天器表面材料通过放气或分解释放的中性气体。中性大气环境作用可产生阻力效应及辉光干扰，是航天器设计中需考虑的重要影响因素；同时，中性大气的氧化剥蚀作用会使航天器表面材料产生质量损失甚至出现裂纹，还会引发污染等现象，间接导致材料性能的退化，影响航天器的服役寿命。本文对中性大气环境及效应进行分析，梳理中性大气环境效应地面试验技术现状，并探讨该项技术研究的未来发展方向。

1 中性大气环境

低地球轨道（low earth orbit, LEO）指高度距地200～700 km 的轨道空间，是空间站、飞船、航天飞机以及一些应用卫星的主要运行轨道，中性大气环境是该轨道的重要环境因素。LEO 环境处于高真空状态，气体总压约为10～10Pa，环境大气组分主要有O、He、N、O、Ar、H 和N。图1 给出了LEO各种粒子的数密度分布（采用MSISE-00模型计算，F10.7=250，Ap=45）。可以看出，随着轨道高度的上升，大气各组分的密度都有所减小。

图1 LEO 各种粒子的数密度分布[7]Fig. 1 Densities of atmospheric components in LEO[7]

在LEO 环境大气中原子氧（AO）的含量较高。原子氧是氧分子受太阳紫外（波长小于243 nm）辐射发生光致解离而产生的，

其中，O（D）原子的寿命仅有110 s 左右，然后其向稳定的基态O（P）跃迁，并发射出1 个光子。LEO环境为高真空状态，因此O（P）与第3 种粒子发生碰撞的概率极小，能维持原子氧状态。

2 中性大气环境效应

LEO 的中性大气环境会引起航天器阻力、表面侵蚀和辉光效应。航天器本身释放的中性气体也会对航天器的其他部分造成污染。中性大气对航天器系统的主要影响见表1，航天器姿态与控制、供配电、推进、结构机构等系统均会受到影响，造成燃料需求增加、传感器干扰、关键材料性能退化等。

表1 中性大气对航天器系统的主要影响Table 1 Main influences of neutral atmosphere on spacecraft

2.1 大气阻力

中性大气会对在轨运行的航天器产生严重的阻力，导致LEO 航天器的轨道高度不断衰减。废弃卫星可在大气阻力作用下坠入大气层烧毁。

中性气体分子与LEO 航天器发生碰撞会向航天器传递能量和动量，根据动量守恒，作用于航天器上的阻力平行于航天器速度矢量的反方向，大小为

式中：为周围中性气体密度；为卫星投射到速度矢量方向上的横截面面积；为阻力系数，是航天器所受到的阻力与气流动压和参考面积之比；为航天器速度。可见，航天器受到的阻力大小与阻力系数、气体密度等密切相关。如图2所示，180 km与360 km 轨道高度的大气阻力系数相差50%。

图2 不同轨道高度的大气阻力系数[20]Fig. 2 Atmospheric drag coefficient for different orbital heights[20]

2.2 氧化剥蚀

氧化剥蚀效应主要由大气环境中的原子氧引起。原子氧具有很强的氧化性，当航天器以7～8 km/s的速度在LEO 运行时，撞击航天器表面的原子氧能量约为4～5 eV；原子氧通量密度在200 km 高度约为10cm·s，600 km 高度约为10cm·s。当这些强氧化性、高通量的原子氧与航天器表面作用时，会造成表面材料的剥蚀和光、机、电、热等各方面性能退化，给航天器的可靠运行和在轨安全带来隐患，进而影响到航天器的使用寿命。

原子氧与聚合物间的相互作用以氧化剥蚀反应为主，大部分碳氢聚合物材料受到氧化后产生CO、CO、HO 等挥发性物质（见图3），导致质量损失。聚酰亚胺（Kapton）是一种航天器常用的有机高聚物薄膜，如果Kapton 膜单面或双面未加保护暴露在原子氧环境中，则在400 km 以下低轨道使用1 年后迎风面的厚度损失可达百μm。

图3 聚合物氧化剥蚀效应示意Fig. 3 The schematic diagram of oxidation erosion of polymers

大部分金属暴露于原子氧后会生成致密的金属氧化膜，氧化膜具有很强的抗原子氧防护性能，会阻止原子氧对材料的进一步氧化。但有些金属对原子氧作用较为敏感，如：银与原子氧作用后生成疏松的氧化银层，原子氧会穿透此氧化银层进入银基底，与下面的银继续反应，产生累积破坏。

2.3 污染

污染是中性大气环境效应的一个重要方面。地球上所有物质表面都吸附着一层气体分子，一旦大气压力降低或者温度升高，与表面结合松散的分子和具有高挥发性的分子就会释放出来。这些表面吸附的物质种类包括水蒸气以及分布在整个材料中的气体，如溶剂、催化剂和未完全聚合的聚合物。放气机理主要包括气体从表面物理脱附、从材料内部扩散至表面以及在表面发生的化学反应。

空间污染物沉积会对航天器污染敏感系统的性能产生影响。例如：天基激光系统光学表面性状的微小、长期变化，可能会导致灾难性的后果；热控表面吸收率的微小变化将降低其热控有效性，并最终导致热控系统乃至整个航天器失效。图4 为高频电缆插头污染物照片，可以看到污染物已严重改变器件表面性状，极有可能影响其电连接性能。未来，随着深低温高敏感空间光学系统的设计及应用，污染的评估与控制愈发重要。

图4 高频电缆插头污染物Fig. 4 The contamination of high-frequency cable’s plug

2.4 辉光

飞行器辉光呈现为航天器表面或附近的一种幽暗的背景光，国外多次航天飞行任务都曾报道过航天器外表面出现辉光辐射现象（见图5）。目前还无法很好地解释辉光现象发生的物理机制，但可以肯定的是这种现象与中性大气层有直接关系。飞行试验表明，辉光过程与是否在迎风面、发动机是否点火等因素有关。不同条件下产生的辉光现象在外观上会有细微的区别，显示出不同的作用机理。

图5 大气辉光Fig. 5 The atmospheric glow

可见辉光是由被称为Langmuir-Hinsheiwood（L-H）过程的表面反应产生的激发态NO发射的，反应发生在表面的O 和NO 之间，

形成NO的氧来自周围环境的大气，而NO 是吸附在表面的。

由于许多航天器都带有光学设备，航天器本身的辉光现象会成为光谱仪、光敏感器、空间望远镜和空间相机的干扰源，尤其会影响低照度下的光学测量、观察和照相，降低这些光学设备的观测能力，因此需要采取必要措施消减辉光现象的发生。

3 中性大气环境效应模拟试验技术现状

3.1 大气阻力试验技术

空间大气阻力会使卫星轨道高度缓慢衰减，目前通常采用仿真计算方法对大气阻力进行预报，但大气阻力的精确建模极为困难，因此大气阻力的地面测试技术研究尤为重要。美国及欧空局开展大气阻力测试技术的研究较早，美国科罗拉多大学研制了1 m×2 m 的大气阻力模拟测试设备（见图6），对不同速度、不同入射角度的中性气流进行了阻力测试。

图6 大气阻力模拟测试设备Fig. 6 Atmospheric drag simulation test facility

欧空局利用真空气动试验装置VAU-2 测量了Amg-6 铝镁合金、隔热用玻璃纤维、太阳电池玻璃盖片、镀漆铝合金样品的动量交换系数。测力采用补偿型扭秤，测速采用半锥角12°的全压探头，得到了不同攻角下的切向和法向动量交换系数，并据此建立了大气阻力系数计算方法。

北京卫星环境工程研究所是国内最早开展大气阻力测试技术研究的单位，研制了低气压高速中性束流模拟系统和阻力测试装置（见图7）。阻力测量利用倒立摆测力结构通过测量模拟中性大气作用后的位移来反演阻力的大小，其中位移通过激光位移传感器测定。分别在大气束流入射角0°、30°、60°和75°的情况下测得了阻力数值，建立了阻力系数计算公式（见图8）；并通过圆柱曲面样品阻力测试数据对计算结果进行验证，显示该装置的阻力测量误差小于14%。

图7 阻力测试装置Fig. 7 The atmospheric drag test device

3.2 氧化剥蚀效应试验技术

材料被侵蚀是由于形成了挥发性或易剥落的氧化物，原子氧是产生氧化剥蚀效应的主要组分。国内外针对不同航天器材料开展了大量氧化效应研究工作，美国、俄罗斯、欧盟、中国等研究了多种不同方式的原子氧发生技术，建立了多台原子氧环境地面模拟试验设备进行材料原子氧效应试验，模拟设备的原子氧束流密度普遍可达10～10cm·s。表2 为国内外原子氧环境典型试验设备情况。

表2 国内外原子氧环境典型试验设备情况Table 2 Typical experimental equipment for simulating atomic oxygen environment

通过对原子氧环境效应的研究，美国制定了原子氧试验标准（ASTM E2089），NASA 编写了原子氧地面试验方法草案（NASA CR-112589），对原子氧束流密度标定方法、试验条件控制、试样预处理过程等做出规定。我国在原子氧地面模拟试验方法方面进行了相关研究，制定了GJB 2502.9－2015《航天器热控涂层试验方法：第9 部分：原子氧试验》及部分相关行业标准。

须指出的是，其他空间环境因素，如紫外、电子、质子等，可能对原子氧氧化剥蚀效应产生不同程度的影响。研究表明，原子氧试验中引入紫外辐照可增加Kapton的质量损失。此外，对于超低轨卫星，O、N是主要的大气成分，其中N对原子氧侵蚀作用的影响还需试验证实。

3.3 污染效应试验技术

在空间环境下，污染分子会直接或间接到达并凝结在卫星污染敏感表面，如光学元件、温控涂层及太阳电池阵表面等，使其功能、性能下降，严重时会使航天器完全失效。国内外在污染效应试验技术方面，针对材料真空放气特性、污染效应原位测试等建立了多个试验设备，用于测试航天器材料总质损、可凝挥发物量、水汽回吸量等指标，完成了大量航天器材料放气及污染试验，形成了多个数据库，供设计师进行污染防护设计参考。

美国、欧洲等航天先进国家和机构在航天试验技术与方法方面广泛开展合作，通过制定顶层标准规范来约束各国的试验，如ISO 15388《航天系统：污染控制》、ECSS-Q-ST-70-01C《清洁和污染控制》等。我国也编制了QJ 1558B—2016《真空条件下材料挥发性能测试方法》、QJ 20013—2011《空间材料出气特性测试方法》等行业标准。

3.4 辉光效应试验技术

航天器辉光现象的发生与表面材料种类、性能相关，而目前国内外对于辉光效应的研究较少，仅在对辉光敏感的光学设备设计研制中对其视场、消杂光能力提出要求，而对于辉光主动控制方法尚未开展系统研究。因此，理解辉光的机理和性质，确定这种现象的起源及效应，研究减缓其有害影响的措施显得十分重要。

4 问题及建议

对于中性大气环境效应试验技术，面向专业发展和空间任务需求存在以下两方面问题：

1）环境效应机理研究不够深入

大气环境效应机理是地面试验加速因子确定的理论依据，对航天器材料优化设计及性能预示模型建立起到重要作用。但目前大气环境效应机理研究仍不够深入，主要表现在：大气成分、密度，材料表面状态以及航天器构型等因素对大气阻力系数影响的机理研究匮乏；原子氧与其他空间因素耦合作用机理、超低轨N/O 环境作用机理不清晰；不同发生原理获得的原子氧束与材料作用机理对比分析不足。

2）面向未来任务需求的地面试验技术能力不足

随着我国航天技术的发展，太阳系内行星、系外天体的探测将成为未来航天任务的主要趋势。未来深空探测任务中的大气环境与地球空间差别较大，如金星存在酸性气体环境，木星存在尘暴环境等；此外，用于地外天体观测的高敏感空间光学装置的工作温度将低于40 K，对污染评估也提出了严峻考验，而目前国内相关试验技术能力不足。

针对以上问题，未来空间中性大气环境效应模拟试验技术应重点关注：

1）空间大气阻力测试技术

卫星定轨、轨道预报、姿态控制等均需要准确的大气阻力数据。目前国内数据以仿真计算为主，关于大气阻力地面测试技术的研究不够，如：大气组分对阻力系数的影响，表面材料状态及航天器构型对阻力系数的影响等诸多方面亟待深入研究。

2）原子氧与其他因素耦合效应机理

研究表明LEO 原子氧/紫外存在耦合效应，二者同时作用的结果不同于单独作用效果的叠加，因此须开展原子氧/紫外耦合效应作用机理的研究，尤其要关注原子氧/紫外不同强度比率下作用机理的差异、新材料耦合效应研究等问题。此外，原子氧/质子/电子、原子氧/热循环、原子氧/应力耦合效应机理也有待深入研究。

3）超低轨中性大气环境作用机制

超低轨卫星服役的轨道环境不同于其他低轨卫星：超低轨大气成分主要为N及O，二者对航天器外露组件及材料的剥蚀作用不可忽视；由于轨道高度较低，航天器高速运行时与大气相互作用产生的激波会导致气体电离，形成激发态的粒子或辉光放电效应。因此，超低轨航天器用材料的大气环境效应机制十分复杂，需加强研究。

4）深低温高敏感空间光学装置污染效应试验技术

高敏感空间光学装置通常工作在40 K 以下的深低温和高真空环境下，很多常温下的气态物质在深低温表面将转化为液态甚至固态，导致深低温表面吸附更多的分子污染物，且吸附物的成分和形态更复杂，其吸附机理与吸附阈值亟待研究。吸附物在深低温下对敏感表面光学性质的影响与常温及一般低温条件下不同，直接影响探测器的设计及核心部件的工作，因此极端条件下污染水平的评估及控制日益成为保证此类光学探测任务完成的关键因素之一，需加强研究。

5）不同类型原子氧源对标分析

目前地面模拟用原子氧源主要有激光解离型、氧等离子体型及微波放电型等，由于不同原理产生的原子氧环境能量及成分的不同导致其与材料作用效应的差异，可能会对试验评价的有效性产生影响，应该对不同类型原子氧源进行对标分析。

6）地外行星大气环境效应模拟及评估

地外行星探测是深空探测的主要方向，对这些星体进行探测时需要面对与地球大气环境极为不同的环境，而大气环境是影响行星探测器性能的主要环境因素，必须在地面对探测器进行环境适应性评估。因此，对火星、金星、木星等大气环境开展模拟及评估技术研究十分必要。

5 结束语

对于中性大气环境效应试验技术，长期以来国内以氧化剥蚀及污染效应研究为主，经过多年积累，建立了GB、GJB、QJ 等多项试验标准，用于指导地面试验。近年来，大气阻力测试技术逐渐得到关注。但随着新型航天器的研制、新材料的不断涌现及深空探测任务的逐步开展，现有的机理研究和模拟试验技术水平与未来型号长寿命、精细化的设计需求间还存在差距，需进一步拓展空间中性大气环境效应模拟试验技术研究的深度和广度。