Испытание аэрокосмических компонентов на устойчивость к атомному кислороду на низкой околоземной орбите

Проблема атомного кислорода на низкой околоземной орбите

Космические аппараты, работающие на низкой околоземной орбите (LEO), сталкиваются с уникальной коррозионной средой. В то время как вакуум, экстремальные колебания температуры и микрометеороидные воздействия являются хорошо известными угрозами, атомный кислород (AO) часто является наиболее химически агрессивным компонентом. На типичных высотах LEO между 200 и 700 километрами атомный кислород является доминирующим атмосферным видом. Он образуется, когда ультрафиолетовое (УФ) излучение от солнца разбивает молекулярный кислород (O2) на отдельные, высокореактивные атомы. Этот моноатомный кислород обладает сильным сродством к электронам, что делает его чрезвычайно готовым к реакции практически с любой поверхностью, с которой он контактирует.

Воздействие атомарного кислорода на материалы космических аппаратов может быть серьезным. Полимеры , такие как Каптон, Майлар и Тефлон, разрушаются с измеримой скоростью, теряя массу и толщину. Металлы , такие как серебро и медь, быстро окисляются, что приводит к обесцвечиванию, повышенной шероховатости поверхности и изменениям электрических или тепловых свойств. Композитные материалы могут страдать от деградации смоловой матрицы, деламинации или воздействия волокон. Покрытия , предназначенные для термоконтроля или антистатической защиты, могут быть полностью поглощены. Покрытия , предназначенные для термоконтроля или антистатической защиты, могут нанести вред миссии: одеяла солнечной батареи могут стать хрупкими, многослойная изо

Механизмы атомной кислородной атаки

Разрушительное действие атомарного кислорода происходит через комбинацию химической эрозии и физического распыления. Когда на поверхность ударяется энергичный атом АО (трансляционная кинетическая энергия около 5 эВ в НОО), он может подвергнуться прямой химической реакции, разбив полимерные цепи, создав летучие продукты (такие как СО, СО2, Н2О и NO) и удаляя материал. Эта реакция часто ускоряется одновременным воздействием УФ, которое может сенсибилизировать материал для атаки. На многих полимерах скорость эрозии линейна с AO Fluence (интегрированное число атомов АО на единицу площади), что позволяет вычислить выход эрозии (объем, потерянный на атом АО) для каждого материала в контролируемых условиях. Металлы менее реактивны, но могут образовывать пассивирующие оксидные слои; однако, если оксидный слой блещет или удаляется механическим напряжением, свежий металл подвергается воздействию и атака продолжается.

Морфология поверхности после воздействия АО может резко измениться. То, что когда-то было гладкой полимерной поверхностью, становится «ковером» микроскопических конусов или столбов, явление, называемое текстурированием. Это происходит потому, что материал разрушается неравномерно: области с более высокой плотностью или защитными включениями разрушаются медленнее, оставляя признаки, которые стоят над эродированным фоном. В то время как текстурирование может уменьшить оптическую отражательную способность поверхности, оно также увеличивает эффективную площадь поверхности для дальнейшей реакции, потенциально ускоряя потерю массы.

Методы испытаний на атомную оксигенную резистентность

Для оценки материалов на основе атомарного кислорода существуют три основных подхода: наземное моделирование, эксперименты по исследованию космического пространства и ускоренное тестирование.Каждый из них имеет сильные и ограниченные стороны, и на практике они часто используются вместе для получения полной картины поведения материала.

Методы наземного моделирования

Наземные системы пытаются воспроизвести среду АО внутри вакуумной камеры. Наиболее распространенным источником является радиочастотная (RF) или микроволновая кислородная плазма. В таких системах молекулярный кислород диссоциируется и ионизируется электрическим разрядом, производя смесь атомарного кислорода, ионов кислорода и нейтральных молекул. Помещение образца вниз по течению от плазмы или использование смещенной сетки для извлечения ионов АО подвергает материал контролируемому потоку. Хотя эти системы относительно недороги и просты в эксплуатации, они страдают от нескольких артефактов: виды АО часто имеют более низкую кинетическую энергию (обычно <1 eV) than the true space environment, and the mixture may contain UV light, ions, and metastable species that alter the erosion chemistry. To mitigate these issues, researchers add a ]термическое ускорение метод, где образцы нагреваются до температур, типичных для LEO (200-400 К) для имитации кинетики реакции.

Другой наземный подход использует лазерные пульсирующие плазменные или лазерные источники абляции. Высокоэнергетический лазерный импульс фокусируется на цели (часто твердый кислородсодержащий материал, такой как полимер или оксид металла), производя шлейф энергичных атомов АО. Эти атомы могут иметь трансляционные энергии в правильном диапазоне 5-10 эВ, но поток часто импульсный и неоднородный, и источник может быстро деградировать. Более сложные объекты, такие как Атомный кислородный центр в Исследовательском центре НАСА Гленна, объединяют кислородную плазму с массовым фильтром и ступенью ускорения для доставки чистого, моноэнергетического пучка ионов АО, которые могут быть нейтрализованы в цели. Это обеспечивает наиболее близкое соответствие с окружающей средой ЛЭО, но это требует дорогостоящего, сложного оборудования и обычно ограничивается небольшими размерами выборки.

Эксперименты по исследованию космоса

Нет замены фактическому воздействию космической среды. Образцы отправляются в НОО на борту спутников, Международной космической станции (МКС) или миссий космического челнока (при активном движении). Наиболее известной серией экспериментов является Материалы Международного космического эксперимента (MISSE) , который пролетел несколько поколений лоток, прикрепленных к внешней стороне МКС. Образцы МИСС пассивно подвергаются воздействию комбинированной среды НОО (AO, УФ, тепловой цикл, радиация, микрометеороидные воздействия) в течение периодов от месяцев до лет. По возвращении, бок о бок сравнения открытых и неэкспонированных контрольных образцов обеспечивают окончательные данные о потере массы, выходе эрозии, изменениях морфологии поверхности и механической деградации свойств.

Эксперименты с космическим воздействием сыграли решающую роль в проверке наземных прогнозов. Например, именно через MISSE были впервые измерены выходы эрозии многих распространенных полимеров на орбите, выявив отклонения от моделирования на основе плазмы. Эксперименты также выявили синергетические эффекты, когда комбинация АО и УФ нанесла ущерб больше, чем сумма каждого отдельно. Однако космические эксперименты дороги, трудоемки и предлагают небольшой контроль над точным расходом АО, энергией или углом падения. Они также требуют, чтобы образцы выживали в условиях запуска, обратного пути, а иногда и лет пассивного воздействия.

Ускоренное тестирование

Для быстрого скрининга новых материалов или покрытий ускоренное тестирование увеличивает поток АО (число атомов на квадратный сантиметр в секунду) на порядки выше естественного потока ЛЕО (который составляет от 1×1012 до 1×1015 атомов / см2 / с, в зависимости от высоты и солнечной активности). Наземные плазменные системы могут работать непрерывно с высокой мощностью для достижения потоков до 1×1018 атомов / см2 / с, что позволяет моделировать один год воздействия ЛЕО в течение нескольких часов или дней. Риск, однако, заключается в том, что механизмы реакции могут изменяться при высоком потоке - некоторые материалы показывают эффект насыщения, когда выход эрозии уменьшается при высоком потоке, в то время как другие могут нагреваться или переходить от химической эрозии к физическому распылению. Тем не менее, ускоренное тестирование ценно для сравнительного ранжирования кандидатов материала, при условии, что условия тщательно откалиброваны по известному стандарту (например, Kapton-H, чей выход эрозии ЛЕО хорошо документирован).

Вариант ускоренного тестирования использует кислородные радиочастотные плазменные ашеры при гораздо более высоких давлениях (0,1-1 торр) и комнатной температуре. Хотя они далеки от среды LEO, они обеспечивают быстрый, недорогой способ скрининга материалов для валовой реактивности и подтверждения того, что покрытие полностью покрывает поверхность. Результаты никогда не должны быть непосредственно экстраполированы в космос, но служат в качестве теста на ход/не-года перед более дорогими оценками.

Выбор и улучшение материалов для AO-сопротивления

Вооружившись данными испытаний, инженеры могут либо выбирать коммерчески доступные материалы, которые уже демонстрируют низкие выходы эрозии, либо разрабатывать новые защитные стратегии. Цель состоит в том, чтобы минимизировать скорость потери массы в течение срока службы конструкции космического корабля при сохранении других необходимых свойств (оптические, тепловые, электрические, механические).

Защитные покрытия

Наиболее распространенным подходом к защите от АО является применение тонкого (обычно 0,1-10 мкм) покрытия из АО-стойкого материала по восприимчивой подложке. Успешные покрытия должны быть без дефектов, прочно прилипать и выдерживать термическую цикличность и обработку без растрескивания или расслоения. Наиболее широко используемые типы покрытий включают:

Покрытия на основе кремния — Они гибкие и легко применяются. При воздействии АО силиконовая поверхность образует тонкий слой кремнезема (SiO2), который пассивирует дальнейшую атаку. Однако реакция преобразования может потреблять материал, поэтому покрытие должно быть достаточно толстым, чтобы продлить миссию. Примеры: полисилоксан, DC93-500 (Dow Corning 93-500).

Покрытия оксида металла — Поврежденные или атомарно-слойно-депозитированные слои оксида алюминия (Al2O3) или диоксида кремния (SiO2) являются инертными по отношению к АО. Они являются твердыми и прочными, но если существует какой-либо отверстий или царапины, лежащий в основе полимер будет атакован локально, что приведет к разрезанию и отслоению покрытия. Толстые покрытия (более 1 мкм) склонны к растрескиванию во время теплового цикла.

Бриллиантовые углеродные покрытия (DLC) — твердый, аморфный углеродный слой, который очень устойчив к AO. DLC покрытия могут быть применены физическим осаждением пара и используются на оптике и очках крышки солнечных элементов. Их хрупкость ограничивает их жесткими подложками.

Фторполимерные покрытия — В то время как объемный политетрафторэтилен (PTFE, тефлон) разрушается медленно, он не так устойчив, как SiO2 или Al2O3. покрытия PTFE используются в основном для электрической изоляции и низкого трения.

Неотъемлемые материалы

Некоторые объемные материалы имеют низкие выходы эрозии АО по своей природе. фторированные полимеры (PTFE, Teflon-FEP, Tefzel) являются умеренно устойчивыми по сравнению с Каптоном. Материалы на основе полиимида , которые включают фтор или кремний (например, Kapton F, LaRC-CP) предлагают улучшенную устойчивость. Керамические материалы , такие как глинозем, карбид кремния и кварц, по существу, не подвержены воздействию при температурах LEO. Но керамика, как правило, плотная, тяжелая и хрупкая, что делает их непригодными для больших гибких структур, таких как одеяла солнечных батарей. Металлические фольги , изготовленные из алюминия, титана или серебра, могут использоваться, если их оксидный слой самоограничивается,

Модификации поверхности и композиционные подходы

Вместо нанесения отдельного покрытия некоторые процедуры модифицируют поверхность существующего полимера. Ионная имплантация может создать тонкий, сшитый поперечно поверхностный слой, который плотнее и менее реакционноспособен. Химическое осаждение пара (CVD) тонкого слоя SiO2 непосредственно на полимерную подложку улучшает адгезию по распыленным покрытиям. Другим перспективным подходом является самоисцеляющее покрытие , в котором используются микрокапсулы, заполненные целебным агентом, который реагирует с AO, образуя новый защитный слой, когда оригинал нарушается.

Примеры из реального мира и тематические исследования

Практические последствия испытаний на сопротивление АО иллюстрируются несколькими известными неудачами и успехами космических аппаратов:

Повреждение плитки космического шаттла TPS: Ранние миссии челнока испытали значительную эрозию покрытий системы термической защиты на основе силикона в НОО. Это привело к разработке улучшенных покрытий плитки и требованию проверять и повторно наносить покрытия после каждого полета.

Деградация солнечной решетки на МКС: В оригинальных солнечных батареях российского модуля «Заря» использовался серебряный интерконнектор, который был атакован АО, вызывая сбои. Серебро, как известно, восприимчиво к АО, образуя непроводящий оксид, который может шелушиться. Последующие конструкции заменили серебро алюминиевыми проводниками или нанесли защитные покрытия.

Результаты MISSE по эрозии Каптона: Программа MISSE измерила выход эрозии Каптона-Н примерно в 3,0×10−24 см3/атом, подтвердив методы испытаний. Она также показала, что некоторые покрытия (например, SiOx на Каптоне) могут уменьшить эрозию в более чем 100 раз при условии правильного нанесения покрытия.

Хаббловский космический телескоп: Многослойная изоляция на Хаббле была спроектирована с помощью АО-устойчивого внешнего слоя серебристого тефлона, но непреднамеренное загрязнение при наземной обработке создавало штифтовые отверстия, которые приводили к локальной атаке. Это подчеркивало необходимость тщательной чистоты и целостности покрытия.

Стандарты и протоколы испытаний

Сообщество по тестированию материалов установило стандартизированные протоколы для обеспечения сопоставимости результатов в лабораториях и миссиях. Основным стандартом испытаний является ASTM E2089, «Стандартная практика оценки устойчивости материалов к воздействию атомного кислорода в космосе», в котором указаны наземные методы испытаний, подготовка образцов, измерение потери массы и отчетность о выходе эрозии. NASA-STD-6016 обеспечивает подробные требования к материалам, используемым на пилотируемых космических аппаратах, включая критерии сопротивления AO. Для экспериментов по воздействию в космосе проектное бюро MISSE публикует руководящие принципы для проектирования образцов, крепления и анализа после возврата. Связывание этих стандартов гарантирует, что инженер может взять опубликованный выход эрозии для данного материала и уверенно предсказать его производительность в конкретной миссии LEO.

Будущие направления: материалы следующего поколения и мониторинг на месте

По мере того, как космические миссии расширяются по продолжительности и перемещаются на более низкие орбиты (например, большие созвездия небольших спутников), поток АО увеличивается, требуя еще более прочных материалов.

Атомно-кислородоустойчивый графен и 2D-материалы: Графен при нанесении в качестве покрытия может резко уменьшить эрозию АО из-за его непроницаемости для атомной атаки.Однако дефекты графенового слоя должны быть устранены, и необходимы способы нанесения его на изогнутые поверхности.

Самоотчетные покрытия: Умные покрытия, которые изменяют цвет или электрическое сопротивление, когда эрозия АО достигает критического уровня, могут предупредить операторов о предстоящем отказе. Они разрабатываются с помощью встроенных красителей или проводящих датчиков оксида металла.

Био-вдохновленные материалы:] Некоторые организмы выдерживают высокоэнергетические кислородные радикалы в экстремальных условиях (например, радиационно-устойчивые бактерии). Имитируя их молекулярную защиту, например, используя полисахариды или другие природные полимеры, могут давать новые синтетические материалы с низкими выходами эрозии.

Многофункциональные покрытия: Комбинирование сопротивления АО с защитой от ультрафиолета, термоконтролем и антистатическими свойствами в одном покрытии уменьшает массу и сложность. Эти покрытия часто полагаются на наноламинатные структуры из переменных оксидных и полимерных слоев.

Заключение

Испытания аэрокосмических компонентов на устойчивость к атомарному кислороду являются критическим шагом в обеспечении надежности и долговечности космических аппаратов, работающих на низкой околоземной орбите. Задача огромна: атомные кислородные атаки поверхностей химически и физически, размывание полимеров, коррозия металлов и деградация защитных покрытий. Благодаря сочетанию наземных симуляций с использованием плазмы, экспериментов по исследованию космического пространства, таких как эксперименты на МКС, и ускоренных испытаний, инженеры могут количественно оценить выходы эрозии и материалы-кандидаты. Эти данные подпитывают выбор и разработку материалов, стимулируя принятие защитных покрытий (силиконы, оксиды металлов, алмазоподобный углерод) и по своей сути устойчивые материалы (фторполимеры, керамика) и по-прежнему необходимы, поскольку взаимодействие между испытаниями и улучшением материалов уже спасло многочисленные миссии от преждевременного отказа и будет продолжать иметь важное значение, поскольку космическая деятельность расширяется в более суровые условия. Для предстоящих мега-созвездий LEO и долгосрочных платформ, инвестирование в строгие испытания AO сегодня предотвратит дорогостоящие сбо

Для более подробного технического чтения см. стандарт NASA-STD-6016, метод испытаний ASTM E2089 и страницу проекта MISSE на NASA MISSE information. Дополнительные данные о выходе эрозии космических материалов можно найти в базах данных материалов ESA.