一种航天器原子氧设计寿命预示的方法研究

张 雯，赵小虎，沈志刚

（北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191）

1 引言

低地球轨道（Low Earth Orbit，LEO）环境是一个复杂的、动态的环境，它对航天器的影响主要有高真空、原子氧效应、紫外辐射效应、宇宙微尘和空间碎片效应、热循环效应以及表面充放电效应等。原子氧是LEO环境大气的主要组分，也是低地球轨道环境中对航天器影响最为严重的环境因素之一[1]。在它的作用下，航天器上使用的聚合物、复合材料、热控材料、金属导线、太阳能电池板等材料或部件都会被剥蚀，而且性能发生退化，这将直接影响到航天器的安全性和飞行任务的顺利完成。因此，原子氧设计寿命的提出是有意义的[2]。

原子氧设计寿命是指处于空间环境中的材料，在只考虑原子氧效应而忽略其它影响因素的情况下，从开始暴露到材料被完全剥蚀掉或性能失效所经历的时间。因为在LEO环境中，有些材料的原子氧效应是最主要的，所以这样的材料寿命分析是可行的。

2 原子氧设计寿命预示的方法

2.1 加速寿命试验

加速寿命试验，即利用高原子氧通量下的寿命特征去外推正常通量水平下的寿命特征，最后需用数值模拟方法进行修正计算[3，4]。该方法可以缩短试验时间，但是加速过程与实际情况有所不同，导致结果存在误差，且修正难度较大。

2.2 蒙特卡罗模拟

用蒙特卡罗法数值模拟出材料与原子氧作用的动态过程，来预测材料寿命。蒙特卡罗模拟的基本思想是：用有限个仿真分子代替真实气体分子，并在计算机中存储仿真分子的位置坐标、速度分量以及内能，其值随仿真分子的运动、与边界的作用以及分子之间的碰撞改变，最后通过统计网格内仿真分子的运动状态实现对真实气体流动问题的模拟。……