姜利祥，劉宇明，劉國青 ，李 濤，丁義剛，鄭慧奇

（1. 可靠性與環(huán)境工程技術重點實驗室；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整航天器表面熱輻射性質從而達到熱控制目的的表面功能材料。在空間輻射環(huán)境（紫外、質子、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)達不到設計要求，進而影響航天器設計壽命的實現(xiàn)。

在熱控涂層帶電粒子輻射效應方面，國內開展過一些研究工作[1-5]，并且也有相關標準發(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系在地面只有通過合理有效的加速試驗才能獲得。目前相關的研究工作和試驗標準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加速試驗方法。

1 空間帶電粒子輻射環(huán)境特點

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

圖1 GEO電子、質子微分能譜Fig. 1 The differential spectra of electron and proton in GEO

2 常用地面模擬技術及其存在的問題

由于經濟和技術方面的制約，國內外用于模擬軌道帶電粒子輻射環(huán)境的環(huán)境模擬設備大多只有一個電子源（或加速器）和一個質子源（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獲得與實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，由于質子的射程較小，該方法無法模擬具有較高能量的質子能譜；其次，該方法只能近似模擬一定能量范圍內的帶電粒子能譜，無法實現(xiàn)軌道帶電粒子全能譜的模擬并且還會產生諸如軔致輻射、二次電子等附加效應。

目前，地面模擬試驗中，采用最廣泛的還是能量調節(jié)范圍有限的單能粒子加速器。采用單能粒子加速器的關鍵技術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生的吸收劑量效應和位移效應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，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)。這種方法應用在熱控涂層地面試驗中也存在一些問題：1）由于熱控涂層多數(shù)是混合物，成分復雜，且有時因為技術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確輻射劑量–深度分布，只能用一些簡單成分物質的劑量–深度分布進行近似；2）輻射劑量–深度分布模擬方法一般需要至少 2種能量的粒子進行輻照，使其可操作性降低，特別是在綜合輻照試驗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結果產生影響。

3 等效能譜模擬技術

在地面模擬試驗中，希望能用更簡單的方法得到更準確的模擬結果，即只用單一能量的粒子來模擬軌道帶電粒子輻射環(huán)境，進行輻照試驗。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問題，我們稱之為等效能譜模擬技術。

等效能譜模擬技術的等效性判據(jù)是輻射效應等效，即

式中：Δαs(試驗)為地面模擬試驗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的帶電粒子進行地面模擬輻照試驗，達到輻射注量為φeq時能實現(xiàn)輻射效應等效，則式(1)可以改寫為

根據(jù)熱控涂層退化試驗數(shù)據(jù)[8]，Δαs可以描述為

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

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

等效注量率（等效束流密度）為

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

4 加速試驗的加速因子確定技術

熱控涂層軌道帶電粒子輻射效應地面模擬試驗一般采用加速試驗的方法，以便在較短的時間內完成試驗。加速試驗的一個重要表征參數(shù)就是加速因子，定義為實際在軌飛行時間與地面模擬試驗時間的比值，即

加速試驗一般通過采用高于實際情況的帶電粒子輻射注量率來實現(xiàn)。提高試驗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結果的正確性。通常認為，在一定的輻射注量率范圍內，有[6-7,9]

式中 φ(在軌)可利用式(5)計算得出，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的加速因子就是地面模擬試驗可以采用的最大加速因子。

我們研究認為，只要熱控材料的輻射損傷機理沒有發(fā)生改變，就可以采用更高的輻射注量率來進行加速試驗，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)進行計算，而應根據(jù)輻射效應等效性判據(jù)即式(1)進行判斷。

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

而第二組試驗的加速因子計算公式應為

式中m是修正系數(shù)。

從式(9)可以看出，當輻射注量率超出等效模擬區(qū)間后，加速因子的計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等效性判據(jù)公式、熱控涂層太陽吸收比的退化計算公式以及試驗數(shù)據(jù)計算得到。該系數(shù)保證了加速因子選擇的有效性。

5 GEO電子輻照加速試驗參數(shù)設計

5.1 等效注量率的確定

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

圖2是利用式(3)對試驗數(shù)據(jù)進行擬合的結果，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，相同輻射注量下，電子的能量越大，對Kapton光學性能的損傷越大。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電子進行輻照時，其等效的電子注量率應為3.0×108cm-2·s-1。

5.2 加速因子的選取

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

前期研究表明，當電子注量率為4.5×1010cm-2·s-1時，處于等效模擬區(qū)間內。而當注量率提高到2.5×1011cm-2·s-1時，已超出等效模擬區(qū)間，其加速因子應通過式(9)進行計算。

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中的曲線是試驗數(shù)據(jù)利用式(3)的擬合結果，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 試驗參數(shù)設計

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

6 總結

給定一個軌道帶電粒子輻射環(huán)境后，地面加速試驗的關鍵是要確定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)境進行剪裁。一般來說，低能粒子（10 keV以下）對熱控涂層退化效應較?。欢吣茈娮?、高能質子數(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能量范圍內的帶電粒子所引起的輻射效應。

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

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

第四，根據(jù)設備能力，選取試驗中的輻射注量率 φ0。如果通過前期工作已知φ0在等效模擬區(qū)間內，則總注量φ0=φeqt。如果不能確定φ0是否在等效模擬區(qū)間內，則需要再進行一組低注量率φl輻射試驗，φl處于等效模擬區(qū)間內，利用式(8)和式(9)計算出加速因子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)，進行地面模擬輻射效應加速試驗，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，因此在地面進行熱控涂層性能退化試驗評估時，一是要解決軌道帶電粒子輻照環(huán)境等效能譜模擬技術；二是要確定加速試驗的加速因子。在國家“863”計劃相關課題的支持下，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所開展了此方面的相關工作，獲得了部分研究成果，建立了GEO帶電粒子輻照試驗參數(shù)的設計方法。希望能在后續(xù)工作中繼續(xù)補充完善，并將該項技術推廣到型號的試驗設計中。

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