确定航天器材料紫外辐射饱和时最短地面模拟时间的方法与流程

本发明属于空间环境效应地面模拟试验技术领域，具体而言，本发明涉及一种确定航天器材料紫外辐射饱和时最短地面模拟时间的方法。

背景技术：

空间紫外辐射环境中，太阳电磁辐射对航天器的在轨运行具有重要的影响，尤其是紫外波段，虽然其能量比例较低，但由于单个光子能量较高，可造成航天器外露材料(尤其是有机材料)性能退化，进而对航天器在轨运行带来严重的威胁。例如，可造成热控涂层材料热物性能或光学性能退化甚至失效，这将导致其超过热设计的允许范围，使航天器难以满足热平衡的需要；在长期的紫外辐射作用下，引起高分子材料的力学性能发生变化，宏观表现为变脆变硬，甚至开裂，这将对绝缘及密封材料带来致命威胁等。

目前，由于近紫外辐射地面模拟试验不能采用较大的加速因子，而全寿命周期的地面模拟试验周期较长、费用较高，因此，很难采用全寿命周期试验。由于材料存在紫外退化饱和的特点。因此，对试验周期较短的，可采用全寿命周期试验；但对需要试验周期较长的，例如航天器外露材料紫外辐射效应地面模拟试验通常是根据在轨周期来确定，以地球同步轨道15年为例，通常航天器表面接收太阳紫外光总量约为131 400太阳小时。以加速倍率4来计算，则需要开展地面试验32850小时，折合1368.75天。这在地面上是不可能实现的。在这种情况下，可采用饱和试验的方法，即在紫外辐照达到一定曝辐量的情况下，材料的性能变化趋于稳定，即可停止试验，进而采用外推的方法对材料的后期性能进行预示。

此外，对于不同种类或不同工艺的材料，其紫外退化的饱和点较难以确定。通常情况下，由于没有相关的可参考的数据，往往是基于经验，无根据的选定一个曝辐量来作为最终试验的曝辐量，这将带来后续的外推分析误差较大的问题，影响航天材料紫外辐射效应评估的可靠性。

技术实现要素：

在针对材料开展紫外辐射效应地面模拟试验的过程中，尤其是针对长期在轨暴露的航天器外露材料，不知该如何确定紫外辐射效应地面模拟试验中的模拟时间。为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种确定航天器材料紫外辐射饱和时最短地面模拟时间的方法，该方法能够利用较短的辐照试验时间，来准确获取材料长期紫外暴露下的性能变化，且由于节省辐照时间，可获得较高的经济效益。

本发明采用了如下的技术方案：

确定航天器材料紫外辐射饱和时最短地面模拟时间的方法，包括如下步骤：

第一，基于航天器外露材料在紫外辐射环境中存在性能退化有饱和现象这一特点，选定一相对于总曝辐量而言较小的紫外曝辐量，通常不大于1000ESH，并选取不少于5个中间点进行性能测量；

第二，基于上述紫外曝辐量范围内选定的测量点和性能测量数据，选取合适的拟合方程如指数函数、对数函数、幂函数等进行航天器外露材料的性能退化外延拟合，并获得性能变化的外延关系式；

第三，确定与全寿命周期紫外辐照下的性能变化相比较的可允许的误差百分比；

第四，基于在第二步中获得的紫外辐照下航天外露材料性能变化外延关系式和第三步中设定的误差百分比，计算出需要开展的航天器外露材料紫外辐照效应地面模拟实验的曝辐量；其中，误差百分比可设为1％，也可根据需要选取其它在允许范围内的相对较小的一个数值。

第五，由第四步确定的地面模拟实验曝辐量和拟采用的加速因子，则可计算出地面模拟实验需要的时间。在地面模拟实验中，近紫外辐照的加速因子一般规定不大于5，通常选用4；远紫外的加速因子一般规定不大于100，通常选用10-20之间的一个数值。

利用该方法确定航天器外露材料的紫外辐照效应地面模拟试验中的地面模拟时间，具有以下优势：

第一，不需要采用全寿命周期的紫外辐照暴露试验，大大节约了地面模拟试验的时间，具有较高的经济性。

第二，选定的紫外辐照地面效应模拟时间，不再是随机选择，具有较高的可信赖度，可获得与实际全寿命周期的暴露试验相比拟的试验结果。

第三，避免了利用随机选择总曝辐量来开展性能外延推导带来的误差可能较大的问题。

附图说明

图1为本发明的近紫外曝辐下航天器用聚酰亚胺薄膜抗拉强度随近紫外曝辐量的关系图；

图2为近紫外曝辐下聚酰亚胺薄膜抗拉强度的拟合图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

针对航天器外露材料的紫外辐照试验，在试验过程中，近紫外选用汞氙灯作为辐照源，加速因子为4，选定样品温度为25℃，真空度优于1×10^-3Pa。首先，选取1000ESH的紫外曝辐量，而后选择了多个中间测量点(如图1中的0ESH、100ESH、200ESH、300ESH、500ESH、700ESH和1000ESH)。由图1可知，随着近紫外曝辐量的增加，该聚酰亚胺薄膜的抗拉强度先减小而后增大，但增大的趋势总体变缓。

在初始阶段，其抗拉强度先减小，而后增大。

第二，根据试验结果(如图1)，对辐照后期的材料性能退化进行外延分析，获得外延关系式。如图2所示，利用指数拟合关系式对聚酰亚胺薄膜的抗拉强度进行后期拟合分析，得到其抗拉强度对曝辐量的变化关系。例如在300ESH近紫外辐照之后，薄膜的抗拉强度随近紫外曝辐量的增加而呈指数增加：

y＝199.209-55.264exp(-x/572.677) (x>300) (1)

这里，

y—抗拉强度，MPa；

x—近紫外曝辐量，ESH。

第三，选定的一允许误差，假如为1％。

第四，由公式(1)和选定的误差1％，则可以计算得到需要开展的总曝辐量为1903ESH。计算方法为：

199.209×1％＝55.264exp(-x/572.677)

此时，可选取整数2000ESH作为最终开展航天器材料紫外辐射效应地面模拟试验的曝辐量数值。

假如地面模拟实验中，选取紫外加速因子为4，单位为SC(太阳常数)，则地面模拟实验的时间t(单位为小时H)为：

t＝2000ESH/4SC＝500H。

尽管上文对本专利的具体设计方式和思路给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本专利的保护范围之内。