發布時間：2021-03-27所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：目的實現空間紫外輻射地面高加速模擬。方法分別利用氙燈和氘燈作為近紫外和遠紫外的模擬源，利用反射濾光技術實現對可見紅外波段光譜的過濾，利用準直和發散技術實現不同的輻照面積，利用熱沉和浴油溫控實現溫度控制，搭建光學性能原位測試系統，對輻
摘要：目的實現空間紫外輻射地面高加速模擬。方法分別利用氙燈和氘燈作為近紫外和遠紫外的模擬源，利用反射濾光技術實現對可見紅外波段光譜的過濾，利用準直和發散技術實現不同的輻照面積，利用熱沉和浴油溫控實現溫度控制，搭建光學性能原位測試系統，對輻照腔和試驗腔進行分離設計。結果實現了f300mm面積上1~15SC和f180mm面積上5~24SC的近紫外的加速模擬，以及f150mm面積上輻照度為10.5SC的遠紫外加速模擬，具有–70℃~+110℃的樣品快速溫度控制，具備光譜反射率原位測試，以及輻照腔與測試腔分離操作的功能。結論建立了具有高加速倍率的近紫外和遠紫外的地面輻照加速模擬裝置，具備較寬范圍的溫度快速控制和光譜反射率的原位測試功能。
關鍵詞：空間紫外;輻射;高加速;地面模擬
空間紫外輻射環境可以引起航天器外露材料或器件的性能退化和結構損傷，引起其光譜反射率、透射率、太陽吸收率、熱發射率、表面電阻率以及結構性能等發生退化，從而給航天器的在軌安全和航天任務的執行帶來嚴重威脅。因此，需要針對航天器紫外敏感材料或器件開展地面模擬加速試驗研究[1-2]。
國內外在航天器紫外輻射效應地面模擬試驗方面開展了大量的工作，也搭建了一系列地面模擬試驗裝置[1]，如NASA的格林研究中心[3]、馬歇爾空間飛行中心[4-5]等，利用單一紫外模擬試驗裝置或與電子和質子的綜合輻照裝置[6-8]來實現。近紫外模擬加速倍率最高達到10SC，而且是利用汞氙燈來模擬實現的，只用氙燈模擬通常均小于5SC。隨著深空探測任務的開展和設備研制能力的提升，現有的近紫外加速倍率難以滿足科研和型號任務的需求[9]，亟需開展高加速倍率紫外試驗技術的提升和試驗模擬裝置的研制。
文中首先對紫外輻射環境與效應進行了簡要介紹，接著給出了空間高加速紫外模擬的需求和技術要求，進而給出了高加速紫外輻照的實現方法和實現結果。
1空間紫外輻射環境與效應
1.1空間太陽電磁輻射
空間電磁輻射的來源主要為太陽輻射，其次為其他恒星的輻射及其經過地球大氣的散射和反射回來的電磁波，第三個來源則為地球大氣的發光。根據光子能量或波長，可將空間電磁輻射波段劃分為以下幾個波段：軟X射線、遠紫外、近紫外、光發射(可見光和紅外)。對波長為10~400nm的紫外波段，在不同的文獻中的劃分和稱謂略有不同[1]。
依據美國的ASTM490標準[10]，太陽總電磁輻射能量(又稱為太陽常數)通常是指位于地球大氣層外，在地球軌道上距離太陽為一個天文單位處，垂直于太陽光線的單位面積單位時間內接收到的能量。水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星等行星的太陽電磁輻射的總電磁輻射能量或總輻照度見表1[11-12]。其中，近紫外波段為200~400nm，能量為118W/m2，約為太陽常數的8.7%。遠紫外波段為10~200nm，能量為0.1W/m2，約為太陽常數的0.007%。
1.2紫外輻射效應
紫外波段雖然能量在太陽常數中所占的比例很低，其中，近紫外波段這部分能量約為太陽常數的8.7%，而遠紫外的能量則僅約為全部太陽輻射能量的0.007%，但卻對空間環境及其效應有著很大的影響，是航天器表面充電、空間原子氧形成、空間材料尤其是高分子材料等性能退化的重要原因。其中，波長在300nm以下的紫外輻射可以被地球外層大氣中的臭氧和氧氣完全吸收，進而分解成原子氧;也能使地球高層大氣電離，并形成電離層，使航天器表面發生光電效應而使航天器表面帶電，進而影響航天器內的磁性器件和/或電子系統的正常工作[8]。
由于紫外光子能量高，可打斷大多數高分子材料的化學鍵，引發材料的表面化學老化，誘發材料的低溫表面脆化，并產生微裂紋，進而可導致絕緣材料表面發生裂紋擴展、真空微放電和電擊穿，增加其表面粗糙度和誘發其表面性能退化。因此，在地球軌道上，研究空間電磁輻照對材料性能的退化主要是針對紫外波段的。
2空間紫外高加速模擬的要求
2.1加速倍率的要求
由于紫外輻照周期長，通�？梢酝ㄟ^加速試驗來縮短試驗周期和降低試驗成本。國內外的相關標準對近紫外和遠紫外模擬的加速倍率進行了規定[12]。以地球軌道為參考，基于樣品溫度控制的要求，國外的相關標準規范如ISO15856(2010)[13]、ECSS-Q-ST-70-06C[14]通常規定近紫外加速因子不大于7，國內通常規定一般不大于5[15]。遠紫外由于通常不存在溫度效應，一般加速倍率的規定相較于近紫外要高的多。
由表1可知，水星太陽總輻照度軌道平均值約為地球軌道的6.67倍，在近日點則是地球軌道近日點的10.2倍。因此，面向未來的深空探測任務，低加速倍率已經難以滿足太陽紫外輻射效應地面模擬試驗的要求[15]。這就要求近紫外地面模擬加速倍率應該能夠達到至少10倍的要求。
2.2溫度控制的需求
航天器及其外露材料可能存在紫外與溫度的協同效應，因此，需要對樣品進行溫度控制。低溫通�？梢酝ㄟ^在樣品基座底部通入液氮、液氦的方式，或者將樣品基座搭接在熱沉上的方式來獲得。高溫可以通過電阻絲或加熱膜加熱的方式來獲得。在試驗過程中，隨著近紫外加速倍率的提高，樣品的溫度將升高，而過高的溫度將會給樣品帶來額外的溫度協同效應。
不同國家的紫外輻照試驗設備中樣品溫度控制的范圍不同。例如，MSFC的紫外輻照試驗設備中樣品最高控制溫度為180℃，ONERA的設備樣品溫度控制范圍為–50~+80℃。根據我國的標準規范，航天材料或器件的溫控范圍可選用–100~+100℃[16]。
2.3原位測試的需求
航天器材料、元件或部組件從真空狀態回復到大氣狀態下，其性能變化會發生一定程度的回復，尤其是光學性能、熱物性能、電學性能。因此，為了真實反映試驗樣品在軌的性能變化，需要利用性能原位測試裝置對其在真空狀態下的性能進行原位測試分析。
2.4輻照腔與測試腔的分離需求
由于紫外輻照試驗過程中，從污染控制的需求角度，一般是在真空腔添加熱沉裝置，利用低溫來實現污染的控制和吸附。在試驗完成后，需要將低溫恢復到室溫才能打開真空腔，一般需要接近1d。為提高試驗效率和方便樣品的更換，通�？梢圆捎幂椪涨缓蜏y試腔分離的方法。在輻照完成后，將樣品推到測試腔，中間用插板閥控制真空度的隔離，進而實現樣品的快速換取和試驗效率的提升。
3高加速紫外輻照模擬的實現
除真空系統外，高加速紫外輻照模擬主要包括紫外(包括近紫外和遠紫外)的模擬、溫度的控制、原位測試以及輻照腔與測試腔的分離。
3.1紫外輻射的模擬
目前，近紫外源常用的有汞燈、汞氙燈、氙燈等，遠紫外源國際上一般均采用氘燈。由于汞燈雖然能夠提供較大的功率，但其為線譜，而氙燈光譜則與太陽光譜比較接近[4]。因此，在高加速紫外模擬中，近紫外模擬采用氙燈，遠紫外模擬采用氘燈。
在紫外模擬，尤其是近紫外模擬的過程中，關鍵技術難點是要在實現高功率模擬的同時，兼顧輻照面積的大小和輻照面的均勻性。在本裝置中，通過采用積分器將一個點光源模擬為由許多點光源組成的面光源以及通過準直鏡/長焦距透鏡來兼顧輻照面積和均勻性的需求，進而實現大面積、高均勻性、高功率輻照的近紫外模擬。
近紫外源如圖1所示，采用氙燈為光源，光學系統主要由聚光鏡、濾光片、積分器、反射鏡、準直鏡、透鏡、電源、結構、窗口等組成，其中濾光片、積分器、窗口材料均采用遠紫外石英玻璃。氙燈光線經過聚光鏡、積分器、準直鏡、窗口，從頂部射入真空容器(真空室)。如果將準直鏡更換為小型、長焦距透鏡，則可以實現更大面積的發散均勻輻照。
采用10000W氙燈作為近紫外源，當氙燈的功率設置為9861W時，f300mm面積上的輻照度為15SC，均勻性優于95%。利用準直鏡系統，當氙燈的功率設置為9524W時，f180mm面積上輻照度為24SC，均勻性優于95%。采用2只150W的氘燈作為遠紫外源，f150mm面積上的輻照度為10.5SC，均勻性優于95%。
3.2溫度控制系統
輻照腔內側有熱沉控制系統，管壁為銅管，可以實現快速降溫，3min內制冷到–120℃，最低可到–150℃。具有2min熱氣除霜，迅速回溫，5min可再降溫的能力。樣品臺采用浴油控溫系統，控溫系統能夠在–70~+110℃的溫度范圍迅速地加熱和制冷。制冷系統采用水冷型的雙級復疊制冷技術，通過高效板式換熱器(油冷卻器)，提供系統所需的制冷功率，電加熱裝置提供系統所需熱源。通過智能多級溫度控制達到高精度的溫度控制效果，制冷量和加熱量均精確控制，不會出現冷熱抵消的情況。通過將樣品臺與熱沉系統搭接，可以實現樣品臺更低的溫度，可以控制在–100℃以下。
3.3光學性能原位測試
光學性能原位測試主要是指光譜反射率原位測試�？梢詫⒐庾V反射率原位測試裝置放置在測試室外面，測試裝置光源發出的光經過樣品光纖和參比光纖進入測試腔內的積分球，利用“四區分段的扇形信號收集的斬波器”控制兩路光纖的光，在積分球出口用探測器進行紫外輻照樣品反射率測量。其中，參比光纖的光經過積分球反射后由探測器接收，作為校零基準，如圖3所示。利用Lambda950光學測試系統，可以實現200~2500nm的光譜反射率測試。
相關期刊推薦：《裝備環境工程》(雙月刊)創刊于1983年，由中國兵器工業第五九研究所和國防科技工業自然環境試驗研究中心共同主辦，面向國內外公開發行。報道的主要內容有：自然環境和誘發環境中，由氣候環境條件因素(溫度、濕度、鹽霧、氣壓、沙塵、風等)、機械環境條件因素(振動、沖擊、跌落、離心、爆炸等)、生物因素(昆蟲、霉菌等)、輻射因素(太陽輻射、空間粒子輻射、核輻射、電磁波輻射等)和人為因素(使用、維護、包裝等)對產品和材料造成的腐蝕、老化、失效和損傷等方面的相關專業研究和防護技術研究，包括材料的腐蝕和老化機理研究、產品的失效和損傷分析研究、耐蝕材料研究、涂料技術研究、電化學保護及防銹技術研究、電磁場與微波技術研究、空間環境防護技術研究、運輸包裝技術研究及相關儀器設備的研究等專業范圍。
光譜反射率原位測試探測器固定在三維移動機構豎直方向上，三維移動機構可以三維移動，可測量兩個樣品的反射率。控制測試的裝置如圖4所示[17-18]。
3.4輻照腔與測試腔的分離
真空容器由輻照腔、測量腔、插板閥和支架組成(圖5)。輻照腔與測量腔之間選用矩形通徑的插板閥連接，可根據需要打開或隔斷。輻照腔和測量腔置于支架上，用螺栓緊固。試驗樣品移動機構由送樣桿、樣品臺、條形工裝、樣品分離機構組成。試驗完成后，當送樣桿將樣品臺推送到達測量腔指定位置后，樣品分離機構將要留在測量腔的條形工裝抬起，與樣品臺分離，再由送樣桿將剩余的條形工裝拉回輻照腔;之后樣品分離機構將留下的條形工裝下移，放置在測量腔導軌上;此時可以關閉輻照腔與測量腔之間的插板閥，從測試腔取出留下的樣品。
3.5高加速紫外輻照模擬裝置
高加速紫外輻照模擬裝置由真空系統、輻照腔、測試腔、近紫外源(氙燈)、遠紫外源(氘燈)、溫度控制系統(熱沉和樣品臺控制系統)、光學性能原位測試裝置等組成，實物圖見圖6。
4結論
1)通過光學系統設計，采用10000W氙燈作為近紫外源，可以在f300mm面積上實現1~15的加速倍率和f180mm面積上實現5~24的加速倍率，均勻性均大于95%。
2)采用2只150W的氘燈作為遠紫外源，可以實現f150mm面積上的輻照度為10.5SC，均勻性大于95%。
3)通過采用熱沉制冷系統和浴油溫控系統，可以實現樣品臺–70~+110℃的快速溫度控制，低溫可以達到–100℃以下。
4)通過插板閥和樣品推送裝置，可以實現輻照腔和測量腔的分離和分別控制。
5)通過將樣品光纖和參比光纖接入測試腔內的積分球的方式，利用三維機構，實現了光譜反射率的原位測試，波長范圍為200~2500nm。——論文作者：沈自才1，李竑松1，張鵬嵩1，周亦人2，丁義剛1，向艷紅1，蔣山平1，賀洪波3，王胭脂3
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