一种多角度原子氧试验在线监测装置及监测方法与流程

本发明涉及长寿命、低轨道的航天器空间原子氧环境性能测试领域，具体来说，涉及一种多角度原子氧试验在线监测装置及方法。

背景技术

近地轨道(leo)是指高度在200km～700km的轨道，由于航天器较高的运行速度和原子氧较大的氧化性，此轨道空间的航天器外表面暴露材料都会遭受到原子氧的严重威胁。空间飞行试验对于研究宇航材料的原子氧效应，测试材料在轨寿命期间的主要功能及性能的变化具有无与伦比的优势，但飞行试验成本极高、搭载机会少，因此，地面模拟试验仍具有极其重要的现实意义。

为此对地面原子氧试验试验方法及原子氧在线监测提出要求。李涛的专利“用于长寿命航天器材料的抗原子氧性能的测试方法”，对试验样品处理、真空、温度控制等方面提出创新设计。郑阔海文章“低地球轨道航天器不同攻角原子氧通量密度计算模型”，采用编程设计方法对原子氧通量密度进行了计算。姜海富专利“航天器用带防护涂层材料碎片和原子氧作用试验方法”，提出对带防护涂层材料空间碎片和原子氧环境下的性能退化状况评估方法。杨生胜的“一种原子氧积分通量测量方法及原子氧传感器”，采用基于惠斯顿电桥的方法进行原子氧通量测量，但该方法对于温度环境比较敏感。

然而，未见对多角度原子氧试验在线监测装置及方法，地面使用的原子氧模拟设备主要可以分为热等离子体型和定向束流型两大类。目前多数产品的原子氧试验机理尚不清晰，且试验过程存在随意性。在不可能研制出与leo空间真实原子氧作用环境相同的地面模拟设备的前提下，研究人员基本都采用效应等效的办法。但地面加速试验带来的与实际空间环境的一系列差异，可能会影响到原子氧效应的等效性。这种差异主要包括以下几个方面：

1.地面加速试验只能模拟垂直角度；

2.地面试验中可能会出现试验中断，对样品存在带来影响；

3.地面试验中可能会出现称重时导致试验样品破坏；

4.空间中存在高低温、辐照等综合环境。

截至目前，原子氧地面模拟试验尚未形成强制的标准试验规范，这直接导致原子氧试验测试中试验人员不在不同的试验方法和试验条件中进行选择。即使是非常有经验的研究人员，不同的试验过程也可能会影响到试验结果的重复性和有效性。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决地面原子氧试验在线监测的问题，设计了一种在线监测装置，针对地面原子氧模拟试验，对不同角度的原子氧侵蚀进行在线监测。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种多角度原子氧试验在线监测装置，其包含：

试验舱体；

安装在试验舱体上的原子氧发生器及控制系统，其包含：原子氧发生器和原子氧发生器控制系统；

安装在试验舱体上的频率测试系统，其包含：频率探测系统和频率接收系统；

安装在试验舱体上的机械控制及压电系统，其包含：位移控制机构、厚度监控平台、试验样品、温控平台和振动反馈控制；

与试验舱体连通的真空系统；

用于固定试验舱体的支撑平台，及

与频率测试系统、机械控制及压电系统通过无线或有线连接的厚度监控系统。

较佳地，所述厚度监控系统能通过在线监测试验样品厚度变化情况，进而得到试验样品原子氧剥蚀后厚度变化情况δd：δd＝d0-d，其中，d0为试验样品的初始厚度，d为试验样品在线监测的实时厚度。

较佳地，所述机械控制及压电系统采用了压电陶瓷材料对试验样品的频率进行监测，进而得到试验样品的实时厚度d，其中，f为测量的谐振频率，e为试验样品的综合弹性模量，l为试验样品的悬空区域长度,ρ为试验样品的综合密度。

较佳地，所述的机械控制及压电系统的位移控制机构能实现试验样品的0°～90°转动。

较佳地，所述在线监测及控制系统的温控平台能对试验样品的温度进行控制，温度控制范围在-180℃～+200℃。

本发明还提供了一种根据上述的多角度原子氧试验在线监测方法，其包含：

步骤一，制作试验样品，其固支悬空部分长度为l，宽度为b，厚度为d0；

步骤二，安装试验样品，使得试验样品位于厚度监控平台和温控平台之间，与振动反馈控制形成机械控制及压电系统；

步骤三，将机械控制及压电系统安装到原子氧试验舱体上；

步骤四，关闭试验舱体，抽真空，达到10^-3pa以下，通过位移控制机构调整试验样品表面与原子氧发生器的角度达到设定值；

步骤五，试验前，通过厚度监控系统对试验样品的厚度进行检测，记录试验前厚度数据d0；

步骤六，打开原子氧发生器及控制系统开始试验，测量试验样品的实时厚度d；

步骤七，计算厚度变化值δd：δd＝d-d0，对原子氧累计通量进行换算，得到设定角度下的原子氧的累计通量。

较佳地，步骤六中，通过所述的厚度监控系统监测得到试验样品的实时厚度d。通过厚度监控系统，借助于原子氧试验设备实现对样品的在线监测。

较佳地，步骤一中，在试验样品下表面安装有一层压电材料，其厚度为dx，且dx远远小于d0。

较佳地，步骤六中，所述机械控制及压电系统通过压电陶瓷材料对试验样品的频率进行监测，进而得到试验样品的实时厚度d，其中，f为测量的谐振频率，e为试验样品的综合弹性模量，l为试验样品的悬空区域长度,ρ为试验样品的综合密度。

较佳地，步骤六中，采用所述在线监测及控制系统的温控平台对试验样品温度进行控制，温度控制范围在-180℃～+200℃。

本发明的多角度原子氧试验在线监测装置及监测方法，可以有效解决地面原子氧试验过程中试验样品剥蚀情况与原子氧累积通量的关系；减少了试验过程中出罐称重检测环节，避免了过程测试误差，提高了原子氧试验数据准确度，实现对多角度原子氧侵蚀在线监测，推进了航天产品的研发、应用及研制进度。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的一种多角度原子氧试验在线监测装置。

图2为本发明提供的一种多角度原子氧试验机械控制及压电系统与试验舱体安装示意图。

图3为本发明提供的一种多角度原子氧试验中机械控制及压电系统示意图。

图4为本发明提供的一种多角度原子氧试验在线监测装置中试验样品与机械控制及压电系统装配示意图。

图5为本发明提供的一种原子氧试验样品外形尺寸及固支接口说明。

具体实施方式

参见本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

现通过详细说明根据本发明的较佳具体实施例，以对本发明做进一步阐述。

如图1、图2所示，为本发明实施例的一种多角度原子氧试验在线监测装置，包括原子氧发生器及控制系统、频率测试系统、机械控制及压电系统3、试验舱体4、真空系统5、支撑平台6及厚度监控系统7等。

所述原子氧发生器及控制系统由原子氧发生器1-1和原子氧发生器控制系统1-2组成。

所述频率测试系统由频率探测系统2-1和频率接收系统2-2组成，该频率探测系统2-1用于探测试验样品的频率；该频率接收系统2-2接收上述频率后交由厚度监控系统7处理，通过计算可得到试验样品的实时厚度。

所述机械控制及压电系统3由位移控制机构3-1、厚度监控平台3-2、温控平台3-3、振动反馈控制3-4及试验样品3-5组成，如图3所示。所述的厚度监控平台3-2用于夹持试验样品，确定试样固支接口和悬空部分长度。所述的温控平台3-3用于试验过程控温。所述的振动反馈控制3-4是机械控制的一部分，用于提高机械控制精度。

实现本发明的一种多角度原子氧试验在线监测方法的具体工作步骤如下：

步骤一，制作试验样品3-5，其尺寸通常为长条形。其中，固支接口的悬空部分长度为l，宽度为b(用于计算试验时的有效面积，如，s＝l*b)，厚度为d0，l0是试验样品外形尺寸。试验样品3-5下表面有一层压电材料(如，压电陶瓷材料)，其厚度为dx，其中dx远远小于d0(优选地，dx：d0＝0.01～0.1：1)，见图5。该压电材料可以反馈振动信号，以电信号传输，厚度远小于d0是减少压电材料对试验样品的共振干扰。固支接口为用于试验样品安装的接口，其中固支端安装于厚度监控平台上，不参与原子氧试验；试样悬空区域不固定，暴露于原子氧束流环境下。

步骤二，试验样品3-5安装：试验样品3-5位于厚度监控平台3-2和温控平台3-3之间，与振动反馈控制3-4形成机械控制及压电系统3，见图4。

步骤三，将机械控制及压电系统3安装到原子氧试验舱体4上。

步骤四，关闭原子氧试验舱体4，抽真空，达到10^-3pa以下，调整试验样品3-5表面与原子氧发生器1-1的角度达到设定值。其中，机械控制及压电系统3的位移控制机构3-1可以实现0°～90°转动。

步骤五，试验前可通过厚度监控系统7对试验样品3-5厚度进行检测，记录试验前厚度数据d0。打开原子氧发生器及控制系统开始试验。在某一角度下，通过频率探测系统2-1和频率接收系统2-2对试验样品3-5进行监测，得到某一原子氧侵蚀通量下试验样品3-5的频率f，通过厚度监控系统7得到试验样品3-5的厚度变化值δd(实验中监测的厚度d，δd＝d-d0)，试验过程中可以对试验样品3-5厚度变化进行实时记录。通过试验样品厚度变化情况实现对原子氧试验结果进行在线监测。

试验过程可以对试验样品进行温度控制，温度控制能力达-180℃～+200℃。

实验已经证明，本发明通过厚度监控系统7对试验样品3-5实时进行检测，得到试验样品厚度的变化，进而对原子氧累积通量进行换算，根据杜邦hn型聚酰亚胺材料原子氧剥蚀系数a:3×10^-24cm³/atom，得到设定角度下的原子氧的累积通量(通量q＝δd×s/a,s为试验样品的面积,s＝l*b)。

本发明可以有效解决地面原子氧试验过程中试验样品剥蚀情况与原子氧累积通量的关系；减少了试验过程中出罐称重检测环节，避免了过程测试误差，提高了原子氧试验数据准确度，实现对多角度原子氧侵蚀在线监测，推进了航天产品的研发、应用及研制进度。

本发明所提供的一种多角度原子氧试验在线监测装置及方法，将为空间用材料地面原子氧试验环境模拟提供有效解决方法。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。