空间充气结构材料的热循环与真空紫外辐照效应研究

【摘要】： 随着对空间资源需求的日益增长,空间充气展开技术越来越受到人们的重视,而材料技术是其关键问题之一。在低地球轨道飞行的航天器,真空热循环与真空紫外辐照等近地轨道空间环境成为影响空间充气展开结构材料的重要因素。本文在对国内外飞行试验、地面模拟试验以及理论研究等所取得的成果调研的基础上,针对空间充气结构材料进行地面模拟真空热循环与真空紫外辐照的研究工作:利用真空热循环地面模拟试验机研究了真空环境(10-5Pa)中-120℃～120℃的热循环条件下空间充气支撑结构织物碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)层合材料、空间充气展开天线反射面镀铝聚酰亚胺(Al/Kapton)薄膜的空间环境效应。利用射流式真空紫外地面模拟设备研究了5～200nm波长范围内的真空紫外辐照对Al/Kapton薄膜与空间充气展开天线透射面材料Upilex薄膜的性能影响。 真空热循环试验前后CF/EP层合材料的拉伸性能由电子万能材料试验机完成,本文利用扫描电镜观测试样表面形貌和拉伸后的断口形貌。通过对热循环前后材料热应力、热膨胀系数的分析,提出层合板单向零膨胀系数模型,零膨胀系数结构在温度变化环境下具有良好的尺寸稳定性,可满足空间结构的高尺寸稳定性要求。热循环后的试样拉伸强度与拉伸模量由试验测得。由于受到试验周期的限制,对于长期暴露于空间环境中的层合板材料,其有效拉伸模量很难用试验方法直接测量,本文采用理论模型进行分析。 对于Al/Kapton薄膜试验分别采用原子力显微镜、四探针电阻测量仪、紫外可见分光光度计测试其空间环境试验后的表面形貌、面电导率、光学反射率。结果证明热循环导致薄膜表面形貌发生变化,平均粗糙度升高,而表面形貌损伤又引起面电导率和反射率的降低。对真空紫外辐照后薄膜的观测结果显示,辐照后薄膜表面粗糙度升高,紫外波段的反射率与辐照前相比下降明显。对于长期运行于低地球轨道空间环境中的充气天线,其反射面应具有较强的热稳定性能和抗紫外辐照能力。 Upilex薄膜经不同剂量的真空紫外辐照后,利用X射线光电子能谱仪分析了试样表面化学成分和化学态。结果证实,紫外辐照引起薄膜表面化学结构与形貌的变化,降低了其可见光波段的透射率。在紫外波段,薄膜透射率与辐照前相比变化不明显,仍具有极低透过性,紫外光能量主要被薄膜表