傅宇蕾 惲衛(wèi)東 曹爭(zhēng)利 彭福軍 孫承月 吳宜勇

（1 上海宇航系統(tǒng)工程研究所/上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海，201109；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱，150001）

近年來(lái)，小衛(wèi)星的發(fā)展呈現(xiàn)井噴態(tài)勢(shì)，在2019年的航天發(fā)射總載荷中，立方星及重約10kg微小衛(wèi)星占比高達(dá)37.6%。大多數(shù)小衛(wèi)星很難在短時(shí)間內(nèi)離軌并再入大氣層燒毀，從而成為長(zhǎng)期駐留軌道、威脅其他航天器的空間碎片，為航天器的安全運(yùn)行帶來(lái)了巨大威脅[1]。根據(jù)機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)2007年達(dá)成的國(guó)際公約要求：低軌碎片離軌時(shí)間不大于25年[2-3]。增阻離軌薄膜帆是針對(duì)低地軌道的小衛(wèi)星等空間碎片清除技術(shù)中可行性最高、經(jīng)濟(jì)性能最好的技術(shù)之一。離軌帆收攏小，展開(kāi)大，其工作原理是利用薄膜結(jié)構(gòu)大展收比的特點(diǎn)，在衛(wèi)星壽命結(jié)束后啟動(dòng)，利用稀薄大氣阻力效應(yīng)進(jìn)行降軌，大大縮短航天器在軌滯留時(shí)間，留出寶貴的軌道資源。

金牛座離軌帆于2019年9月12 日在軌展開(kāi)后在軌運(yùn)行穩(wěn)定，離軌效果顯著。如圖1 所示為金牛座離軌帆運(yùn)行照片。在該項(xiàng)目中還需完成增阻離軌薄膜帆空間環(huán)境適應(yīng)性研究。離軌帆帆面輕薄，帆面材料為雙面鍍鋁的聚酰亞胺或聚酯薄膜，厚度6μm，鍍層厚度200nm，一般工作在800km 以下的近地軌道，要長(zhǎng)期暴露在高低溫、原子氧、紫外輻射、空間碎片等惡劣環(huán)境中。其中，原子氧對(duì)帆面侵蝕最為嚴(yán)重。同時(shí)，離軌帆帆面薄膜材料的制備、帆面的折疊收攏以及發(fā)射過(guò)程中均不可避免地會(huì)產(chǎn)生孔隙、裂紋、折痕等缺陷，這些缺陷部位將成為原子氧掏蝕效應(yīng)的集中作用位置，進(jìn)而導(dǎo)致帆面破碎，嚴(yán)重影響離軌帆工作性能。針對(duì)初始裂紋尺寸對(duì)侵蝕形貌的影響研究，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者提出了原子氧掏蝕模型[4-9]。在掏蝕模型中，通過(guò)設(shè)定初始缺陷尺寸、原子氧能量和入射角度等參數(shù)，可以模擬材料缺陷處侵蝕形貌的演進(jìn)過(guò)程。近年來(lái)，在傳統(tǒng)二維掏蝕模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了三維模型，并且在參數(shù)選取和算法優(yōu)化方面也進(jìn)行了改進(jìn)[10-11]。然而，現(xiàn)有的模型仍然是針對(duì)單一缺陷進(jìn)行掏蝕行為預(yù)測(cè)的，針對(duì)缺陷密度效應(yīng)和缺陷間交互影響作用的掏蝕行為研究較為欠缺。由于離軌帆帆面在疊收攏以及發(fā)射過(guò)程中均不可避免地會(huì)產(chǎn)生較為密集的缺陷，缺陷密度與薄膜膜厚具有可比性，因此重點(diǎn)研究了帆面薄膜材料的原子氧掏蝕缺陷密度效應(yīng)。

圖1 金牛座離軌帆運(yùn)行照片

1 離軌帆薄膜缺陷表征

離軌帆的缺陷主要在制備、帆面折疊收攏、發(fā)射過(guò)程中形成。需要對(duì)這些典型缺陷特征進(jìn)行幾何測(cè)量分析，通過(guò)使用掃描電子顯微鏡精確表征缺陷形貌和尺度，為原子氧掏蝕行為預(yù)測(cè)過(guò)程提供建模依據(jù)。圖2 a）所示為作為對(duì)照組的完整薄膜，可以看到鍍鋁薄膜表面致密完整，均勻性較好，但是，由于薄膜制備過(guò)程中不可避免的會(huì)摻雜雜質(zhì)，膜表面存在尺度不均勻分布的亞微米凸點(diǎn)，經(jīng)EDS 面掃分析成分后，發(fā)現(xiàn)其硅含量較高，初步推斷為薄膜制備過(guò)程中的硅膠類雜質(zhì)。圖2 b）所示為離軌帆帆面劃痕，劃痕是由于不規(guī)范的折疊工藝或制樣工藝引起的，對(duì)劃痕尺度的衡量意義不大，應(yīng)該盡量規(guī)范操作，避免鋁膜表面不必要的傷害。圖2 c）和d）所示分別為單次折疊后反面（凹面）和正面（凸面）的典型形貌。凹面鍍鋁層在壓應(yīng)力作用下形成條狀剝蝕，條間距為2μm～3μm 量級(jí)，條狀裂紋寬度約為500nm～1μm 量級(jí)。凸面鍍鋁層在拉應(yīng)力作用下形成鱗片狀剝蝕，典型鱗片尺度為2μm×2μm～5μm×5μm 量級(jí)，鱗狀裂紋寬度約為500nm～1μm 量級(jí)。

圖2 離軌帆帆面缺陷表征

2 離軌帆離軌過(guò)程原子氧環(huán)境分析

離軌帆一般工作于800km 以下的低地軌道，其中，原子氧侵蝕對(duì)離軌帆帆面材料的影響最為嚴(yán)重，需要對(duì)離軌過(guò)程中原子氧累積通量進(jìn)行分析。以金牛座離軌帆為例進(jìn)行計(jì)算。

首先根據(jù)軟件算出離軌過(guò)程中軌道隨時(shí)間變化情況，然后通過(guò)SPENVIS 估計(jì)離軌帆全壽命周期原子氧累積通量。估算過(guò)程中太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)取Ap（180）=150，地磁指數(shù)取F10.7（前一天）=150，F(xiàn)10.7（81 天平均）=150。圖3 所示為金牛座離軌帆在軌原子氧累積通量分析圖。分析可知，金牛座離軌帆在阻力最大的飛行姿態(tài)下，經(jīng)歷的原子氧通量最小為4.67E20atoms/cm2。在沒(méi)有任何防護(hù)鍍層的情況下，取聚合物侵蝕率（Erosion Rate）3.4E-24cm3/atom，帆面材料在離軌過(guò)程中剝蝕厚度高達(dá)16μm。

3 原子氧蒙特卡洛侵蝕模型的建模與研究

3.1 問(wèn)題簡(jiǎn)化

在低地軌道中，原子氧與材料的掏蝕效應(yīng)，可以在統(tǒng)計(jì)意義上等效于一定數(shù)量的粒子與航天器表面材料相互作用的過(guò)程。本文采用蒙特卡洛仿真法，該方法是一種通過(guò)隨機(jī)變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，從而分析工程實(shí)際問(wèn)題的一種數(shù)值模擬算法。由地面模擬試驗(yàn)和空間暴露實(shí)驗(yàn)可知，原子氧對(duì)碳?xì)浠衔锊牧系那治g主要集中在保護(hù)層的缺陷部位。如圖4 所示，入射的原子氧以一定的概率與聚合物薄膜發(fā)生反應(yīng)。未反應(yīng)的原子發(fā)生多次鏡面反射或漫反射，直到它最終與材料發(fā)生反應(yīng)或者從缺陷中逃逸。

圖3 金牛座離軌帆在軌原子氧累積通量分析

圖4 原子氧與薄膜材料作用示意圖

仿真過(guò)程中進(jìn)行了如下假設(shè)：①原子氧掏蝕效應(yīng)被限制在材料表面的垂直法線平面上。②原子氧與鍍層不發(fā)生反應(yīng)或結(jié)合。③原子氧間互相碰撞后不會(huì)重新組合成氧分子。④原子氧入射位置在缺陷上方部位隨機(jī)生成，空間中由于飛行器的運(yùn)動(dòng)，原子氧速度在Maxwell 分布的基礎(chǔ)上附加了飛行器的速度，其運(yùn)動(dòng)方向也因附加了飛行器速度不再均勻而呈角分布，正面撞擊時(shí)主要集中在材料的負(fù)法線附近。⑤原子氧與材料的熱同化過(guò)程在仿真中以熱同化概率進(jìn)行等效。單個(gè)原子氧產(chǎn)生的效應(yīng)可以看成是原子氧逐個(gè)作用效應(yīng)的累積。空間中原子氧濃度很低，原子氧的平均自由程很大。原子氧在掏蝕空洞中反射所經(jīng)歷的路程與平均自由程相比很小，在此過(guò)程中與其他原子氧碰撞的機(jī)會(huì)很少，所以原子氧相互碰撞對(duì)基蝕空洞發(fā)展的影響可以忽略。⑥反應(yīng)的原子氧以兩種方式離開(kāi)材料表面：鏡面反射，原子氧發(fā)生彈性碰撞，此時(shí)原子氧離開(kāi)表面時(shí)能量保持不變，因而下次碰撞時(shí)的反應(yīng)概率不變；漫反射，原子氧發(fā)生非彈性碰撞，漫反射的原子氧以Maxwell 速度分布離開(kāi)材料表面，散射角度服從余弦分布。

3.2 數(shù)值模擬算法

本文使用MATLAB 平臺(tái)開(kāi)發(fā)了蒙特卡洛原子氧掏蝕仿真模擬模型。入射原子氧撞擊到鍍層上或通過(guò)缺陷打到聚合物基體上，根據(jù)反應(yīng)概率判斷是否發(fā)生反應(yīng)，若發(fā)生反應(yīng)則將格點(diǎn)從陣列中去掉；若不發(fā)生反應(yīng)則原子氧從撞擊點(diǎn)發(fā)生鏡面反射或漫反射。反射后的原子氧繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，如果碰到新的格點(diǎn)便重復(fù)上述過(guò)程。當(dāng)原子氧發(fā)生反應(yīng)或從缺陷處逸到空間，原子氧作用的模擬便完成了，可以開(kāi)始下一個(gè)原子氧的模擬。仿真采用多維數(shù)組存儲(chǔ)仿真中的格點(diǎn)，算法流程如圖5 所示。

3.3 關(guān)鍵參數(shù)

3.3.1 仿真參數(shù)表

表1 為仿真用到的反應(yīng)參數(shù)。

3.3.2原子氧個(gè)數(shù)

蒙特卡洛仿真法采用有限多個(gè)仿真分子代替大量的真實(shí)分子，合理的仿真分子數(shù)選取要兼顧計(jì)算效率及統(tǒng)計(jì)得到的宏觀物理量的真實(shí)性。本文在數(shù)值模擬過(guò)程中，首先根據(jù)LDEF 空間飛行試驗(yàn)確定大缺陷近似材料無(wú)保護(hù)層時(shí)的模擬分子數(shù)，然后參照該數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行修正，進(jìn)而確定小缺陷時(shí)模擬分子數(shù)[12]，詳見(jiàn)公式（1）和公式（2）。

圖5 原子氧掏蝕仿真流程圖

表1 蒙特卡洛仿真參數(shù)

式中：M為大缺陷仿真分子數(shù)，單位atoms；F為模擬原子氧累積通量，單位atoms/cm2；Wc為大缺陷寬度，單位cm；λ 為原子氧對(duì)離軌帆材料侵蝕系數(shù)，單位cm3/atom；L為缺陷長(zhǎng)度，單位cm/cell；N為個(gè)數(shù)；H為大缺陷網(wǎng)格數(shù)，單位cell；W為小缺陷網(wǎng)格數(shù)，單位cell；D為網(wǎng)格數(shù)，單位cell。

3.3.3 反應(yīng)概率

原子氧與聚合物材料的初始反應(yīng)概率按公式（3）計(jì)算。

式中：k為系數(shù)：0.1165；E0為反應(yīng)活化能，單位eV；E為原子氧撞擊能量，單位eV。

后續(xù)反應(yīng)概率取決于原子氧能量和入射角度，詳見(jiàn)公式（4）。

式中：A為系數(shù)：0.3596；Pini為初始反應(yīng)概率；E為原子氧撞擊能量，單位eV；θ 為碰撞時(shí)入射原子氧與材料法線間夾角，單位deg。

4 仿真校驗(yàn)與結(jié)果討論

模擬的基本數(shù)據(jù)是通過(guò)大量飛行試驗(yàn)的結(jié)果綜合所得的。將NASA 長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)的數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行?。如圖6 所示，左側(cè)為NASA 試驗(yàn)結(jié)果圖，右側(cè)為L(zhǎng)DEF 試驗(yàn)后，根據(jù)掃描電鏡測(cè)試結(jié)果畫(huà)出的掏蝕空腔輪廓。選取Kapton 材料為例，原子氧通量為5.77E21atoms/cm2，缺陷寬度為2μm 進(jìn)行模擬，從兩幅圖的對(duì)比可以看出，無(wú)論是從空腔的輪廓形貌還是從掏蝕的深度和寬度考慮，本文的仿真方法都較好地模擬了空間飛行時(shí)原子氧對(duì)Kapton 材料的作用過(guò)程。

圖6 LDEF 試驗(yàn)原子氧掏蝕形貌對(duì)比圖

另外，缺陷底部呈現(xiàn)出兩邊深，中間相對(duì)淺的倒三角鋸齒狀形貌。原子氧碰撞速度由其初始速度與飛船運(yùn)動(dòng)速度合成，初次入射的原子氧主要集中在材料界面負(fù)法線兩側(cè)呈角分布，又很難集中于底部中心區(qū)域。如圖7 所示為原子氧初始碰撞角度統(tǒng)計(jì)圖。

圖7 原子氧初始碰撞角度統(tǒng)計(jì)圖

由于離軌帆帆面在疊收攏以及發(fā)射過(guò)程中均不可避免地會(huì)產(chǎn)生較為密集的缺陷，缺陷密度與薄膜膜厚具有可比性，因此需對(duì)帆面薄膜材料的原子氧掏蝕缺陷密度效應(yīng)進(jìn)行研究。如圖8 a）、b）所示分別為原子氧通量為4.67E20atoms/cm2下1μm 和500nm 缺陷的掏蝕形貌。掏蝕深度和寬度分別為約1.2μm 和1.4μm，寬度約為600nm 和1.1μm。圖8 c）所示為1μm 和500nm 的兩個(gè)缺陷，缺陷間隔1μm，可以看出在原子氧通量為4.67E20atoms/cm2的情況下，缺陷間交互效應(yīng)并不明顯。

為了進(jìn)一步研究原子氧通量對(duì)缺陷交互效應(yīng)的影響，如圖9 所示分別為原子氧累積通量為4.67E20atoms/cm2、9.34E20atoms/cm2、2.95E21ato ms/cm2的情況下原子氧對(duì)薄膜帆掏蝕形貌的仿真圖。由仿真分析可知隨著原子氧通量的增加，缺陷交互效應(yīng)越來(lái)越明顯。當(dāng)原子氧累積通量達(dá)到9.34E20atoms/cm2時(shí)，雖然通量只增加了兩倍，但掏蝕深度增加了近10 倍。當(dāng)原子氧累積通量達(dá)到2.95E21atoms/cm2的情況下，離軌帆薄膜材料已經(jīng)被完全穿透，帆面會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p傷，影響其功能的實(shí)現(xiàn)。

圖8 原子氧掏蝕情況仿真結(jié)果圖

圖9 不同原子氧通量下薄膜掏蝕情況仿真結(jié)果圖

5 結(jié)論

a）離軌帆在折疊收攏過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生折痕缺陷，凹面鍍鋁層在壓應(yīng)力作用下形成條狀剝蝕，條間距為2μm～3μm 量級(jí)，條狀裂紋寬度約為500nm～1μm 量級(jí)。凸面鍍鋁層在拉應(yīng)力作用下形成鱗片狀剝蝕，典型鱗片尺度為2μm×2μm～5μm×5μm 量級(jí)，鱗狀裂紋寬度約為500nm～1μm 量級(jí)。這些缺陷部位將成為原子氧集中作用的脆弱部位。

b）通過(guò)軟件計(jì)算出金牛座離軌帆的離軌時(shí)間最短約為37 個(gè)月，在太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度和地磁強(qiáng)度取平均值，離軌時(shí)間取最小值的情況下，經(jīng)歷的原子氧累積通量約為4.67E20atoms/cm2。

c）本文所提出的蒙特卡洛數(shù)值仿真法能夠較為有效的預(yù)測(cè)原子氧掏蝕情況，仿真結(jié)果與LDEF 空間試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性。

d）在無(wú)任何防護(hù)鍍層的情況下，離軌帆帆面基體在離軌任務(wù)結(jié)束之前就會(huì)完全剝離，為了提高其空間環(huán)境耐受性，離軌帆采用了雙面鍍鋁的防護(hù)層。在最理想的情況下，500nm 和1μm的裂紋缺陷，在離軌過(guò)程中掏蝕深度和寬度分別為 約1.2μm 和1.4μm，寬度約為600nm 和1.1μm，帆面可以保持基本完整。但是應(yīng)該盡量規(guī)范操作，避免鋁膜表面不必要的劃痕、破損等大尺度傷害，這些大尺度的缺陷會(huì)嚴(yán)重影響帆面結(jié)構(gòu)的完整性。另外，原子氧累積通量對(duì)帆面掏蝕效應(yīng)有十分重要的影響，掏蝕深度隨原子氧通量的增加迅速加深，因此還需加強(qiáng)對(duì)離軌帆帆面取向的控制，確保離軌帆能夠盡快實(shí)現(xiàn)離軌。