专利名称：一种航天器用表面功能材料空间综合辐射效应模拟试验方法
技术领域：
本发明涉及一种航天器用表面功能材料空间综合辐射效应模拟试验方法，属于空间环境工程领域，适用于航天器用表面功能材料轨道辐射环境效应的地面模拟试验与评价。
背景技术：
航天器在轨工作时，多数表面功能材料直接暴露在轨道环境中，直接受到空间环境的影响。在各种环境因素中，辐照环境是影响非常显著的一种因素。表面功能材料受到轨道粒子辐照(电子、质子、α粒子、重离子等)作用，将会产生材料性能下降、退化失效等现象，进而可能导致卫星运行中的故障。辐照环境是一个复杂、多因素组合的环境，各种环境因素对材料的作用是相互影响的，其综合作用将使所产生的各种效应更趋复杂，这不是单一环境试验结果的简单相加所能够评价的。对此的认识及采取的措施将直接关系到卫星的空间适存能力和可靠性。因此，在航天器系统设计过程中，针对长期飞行任务，必须以合理的方法对航天器用表面功能材料的轨道辐照效应进行地面模拟试验，也即在有限的试验周期内，模拟出实际空间中长期的作用效应。

发明内容
鉴于以上分析，本发明提出一种航天器用表面功能材料空间综合辐射效应模拟试验方法，可应用于航天器用表面功能材料轨道辐射环境效应的评价。该方法可以在地面模拟试验设备中同时应用电子和质子辐照模拟轨道多种粒子 (电子、质子、α粒子、重离子等)对表面功能材料的作用效应。内容如下表面功能材料在轨服役过程中受到多种因素轨道辐射效应的作用，包括电子、质子、α粒子和重离子等。各种辐射都会使航天器表面功能材料的性能发生退化，由于粒子具有不同的能量和种类，材料吸收剂量的剖面分布随厚度方向并不是均勻的。由这些粒子引起的材料性能的变化是吸收剂量随深度分布的函数，为了模拟材料在轨道辐照环境下性能的变化，需要在实验室里模拟粒子辐射的吸收剂量-深度分布。轨道综合辐射效应地面模拟试验参数制定的具体步骤如下(1)轨道综合辐射在材料中的剂量-深度分布计算针对表面功能材料，对于轨道辐照环境中的电子、质子、α粒子、重离子辐照，选用国外惯用的计算软件，针对给定轨道、航天器设计寿命和被研究的具体材料，分析计算轨道综合辐射环境在材料中的剂量-深度分布，并给出剂量-深度分布曲线。地面模拟试验以辐照环境在材料中的剂量-深度分布为等效模拟依据。(2)地面辐照试验中带电粒子种类、能量和注量的选择
针对表面功能材料，选择电子、质子作为辐射模拟源。选择射程接近表面功能层厚度的粒子能量，一般应小于200keV。选定电子、质子能量后，下一步骤是确定地面辐照试验中电子、质子的注量。使用电子模拟材料较深处的吸收剂量，使用质子模拟材料表层的吸收剂量。先分别计算出电子、 质子在材料中的剂量-深度分布，然后将同一深度处的吸收剂量进行累加最后计算出总的剂量-深度分布，改变电子、质子的注量直到二者累加后的剂量曲线与空间剂量曲线匹配。(3)辐照试验步序设计在计算确定出电子、质子能量和注量之后，下一步要设计辐照试验的步续。应选取恰当的电子、质子辐照注量率，尽可能实现电子、质子辐照的同步。


图1-电子、质子模拟空间综合辐射效应在kapton材料中的剂量-深度分布。
具体实施例方式下面结合针对kapton薄膜地球同步轨道十五年综合辐射效应的地面模拟试验对该发明做进一步说明。针对kapton薄膜，地面模拟试验选择了能量为IOOkeV电子、IOOkeV质子同时辐照的方式来模拟轨道综合辐照在材料中的剂量-深度分布，从而达到作用效应等效的目的。计算单能轨道综合辐射在kapton薄膜中的剂量-深度分布采用了 Space radiation5. 0软件，调用模型为AE8模型、AP8模型和JPL1991太阳耀斑模式。分别完成IOOkeV电子、IOOkeV质子在kapton薄膜中剂量-深度分布的计算后，根据辐照能量沉积累加性的原则，将同一深度处的吸收剂量进行累加计算出总的剂量-深度分布。将该剂量-深度分布曲线与轨道辐射在材料中的剂量-深度分布曲线做比较，通过调整电子、质子辐射下的辐照注量，使两条曲线尽可能接近，即完成电子、质子辐照注量的选择。根据地球同步轨道15年轨道综合辐照环境在材料中的剂量-深度分布，完成地面模拟试验参数的选取，电子辐照和质子辐照的试验参数见表1。IOOkeV电子、IOOkeV质子模拟轨道综合辐照环境在kapton薄膜中的剂量-深度分布见附图1。表1.电子、质子综合辐照试验参数表
权利要求
1.一种航天器用表面功能材料空间综合辐射效应模拟试验方法，其特征在于轨道综合辐射效应地面模拟试验参数制定的具体步骤如下(1)轨道综合辐射在材料中的剂量-深度分布计算针对表面功能材料，对于轨道辐照环境中的电子、质子、α粒子、重离子辐照，选用国外惯用的计算软件，针对给定轨道、航天器设计寿命和被研究的具体材料，分析计算轨道综合辐射环境在材料中的剂量-深度分布，并给出剂量-深度分布曲线；地面模拟试验以辐照环境在材料中的剂量-深度分布为等效模拟依据；(2)地面辐照试验中带电粒子种类、能量和注量的选择针对表面功能材料，选择电子、质子作为辐射模拟源；选择射程接近表面功能层厚度的粒子能量，一般应小于200keV ；选定电子、质子能量后，下一步骤是确定地面辐照试验中电子、质子的注量；使用电子模拟材料较深处的吸收剂量，使用质子模拟材料表层的吸收剂量；先分别计算出电子、质子在材料中的剂量-深度分布，然后将同一深度处的吸收剂量进行累加最后计算出总的剂量-深度分布，改变电子、质子的注量直到二者累加后的剂量曲线与空间剂量曲线匹配；(3)辐照试验步序设计在计算确定出电子、质子能量和注量之后，下一步要设计辐照试验的步续；应选取恰当的电子、质子辐照注量率，尽可能实现电子、质子辐照的同步。
2.根据权利要求1所述的一种航天器用表面功能材料空间综合辐射效应模拟试验方法，其特征在于针对kapton薄膜，地面模拟试验选择了能量为IOOkeV电子、IOOkeV质子同时辐照的方式来模拟轨道综合辐照在材料中的剂量-深度分布，从而达到作用效应等效的目的。
3.根据权利要求2所述的一种航天器用表面功能材料空间综合辐射效应模拟试验方法，其特征在于计算单能轨道综合辐射在kapton薄膜中的剂量-深度分布采用了 Space radiation5. 0软件，调用模型为AE8模型、AP8模型和JPL1991太阳耀斑模式；分别完成IOOkeV电子、IOOkeV质子在kapton薄膜中剂量-深度分布的计算后，根据辐照能量沉积累加性的原则，将同一深度处的吸收剂量进行累加计算出总的剂量-深度分布；将该剂量-深度分布曲线与轨道辐射在材料中的剂量-深度分布曲线做比较，通过调整电子、质子辐射下的辐照注量，使两条曲线尽可能接近，即完成电子、质子辐照注量的选择。
全文摘要
本发明提出一种航天器用表面功能材料空间综合辐射效应模拟试验方法，属于空间环境工程领域，可应用于航天器用表面功能材料空间环境效应的评价。航天器在轨工作时，多数表面功能材料直接暴露在轨道环境中，辐射环境影响较为恶劣。表面功能材料受到较宽能量和通量的电子和质子以及α粒子、重离子的辐照，各种粒子辐射都可使表面功能材料的性能发生退化。在卫星的长寿命设计中，需要考察其承受空间综合辐照环境影响的能力。本方法提出的航天器用表面功能材料空间综合辐射环境效应地面模拟试验方法，对航天器用表面功能材料轨道辐射效应的地面模拟试验评价有重要的意义。
文档编号G01T1/02GK102564931SQ20101062438
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者杨生胜, 田海, 薛华 申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五一○研究所