航天器表面材料空间辐射效应模拟试验加速倍率确定方法技术

本发明专利技术公开了一种航天器表面材料空间辐射效应模拟试验加速倍率确定方法，包括确定通用航天器表面材料辐照环境下的性能退化数学模型；设有两组辐照参数相同仅试验束流密度不同的辐照试验，在两组试验中材料性能损伤程度相同时，由加速倍率的定义，确定试验2对试验1的加速倍率并判断通常的加速倍率公式是否成立。本方法与现有的评估方法相比，优点在于，k的表达式(即公式(4))与常用的经验公式相比，多了个因子m，能更准确地确定加速试验的加速倍率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于航天器空间辐射效应模拟试验
，具体涉及一种航天器表面材料空间辐射效应地面模拟试验参数的确定方法。
技术介绍
卫星航天器在轨工作期间，表面材料(包括热控涂层、光学材料等)直接暴露在轨道环境中，在多种空间环境因素中，辐射环境(电子、质子、紫外等)是对材料性能影响非常显著的一个因素，它会导致材料性能发生明显退化，严重时可能会导致航天器运行故障。针对长寿命、高可靠性的航天器设计需求，表面材料在轨期间性能退化情况一直是设计者非常关心的问题，目前，获得表面材料在轨性能退化数据的途径主要是空间辐射环境效应地面模拟试验的方法。考虑到试验周期长、经费昂贵等因素，地面模拟时一般采取加速试验方法，其实质是通过提高辐照强度来缩短辐照时间，前提条件是保证带电粒子对材料的辐照效应不变。正确的加速试验方法可以将空间辐照环境下几年的退化情况通过地面几十天甚至几天的试验反映出来，其中，正确的加速倍率选择对试验设计及试验结果的准确性至关重要。理论上认为，在一定的辐照强度(束流密度)范围内，加速倍率与束流密度成正比例关系，随着束流密度的提高，材料性能退化到相同程度所用的时间成比例缩短。对于束流密度分别为Φ1和Φ2试验，试验2对试验1的加速倍率可以表示为k＝Φ2/Φ1，这是加速倍率的常用经验公式，是本领域已知的。但实际情况是，束流密度的等效区间未知，试验选择的束流密度可能不在等效区间内，此时不同的束流密度可能对材料辐照损伤系数不同，从而导致试验结果相同的两组试验，加速倍率关系k＝Φ2/Φ1并不成立。因此，单纯根据加速倍率的经验公式来确定加速倍率，进而设计相应的试验参数，可能会导致过试验或欠试验问题，为此，有必要对模拟试验中的加速倍率进行修正。
技术实现思路
本专利技术的目的是准确计算地面模拟加速试验中的加速倍率。本专利技术的方法从加速倍率的定义出发，将试验数据与退化模型相结合，可以准确地确定出航天器表面材料不同辐照加速试验间的加速倍率，改变过去单纯从经验公式进行的简单判断，显著提高了航天器表面材料在地面模拟加速试验方法中的准确性。为实现上述目的，本方法采用了下述技术方案：本专利技术的航天器表面材料空间辐射效应模拟试验加速倍率确定方法，包括以下步骤：1)选择通用航天器表面材料辐照环境下的性能退化数学模型如下：Δαs＝a[1-exp(-b(Φt)β)](1)式中，Δαs为表面材料太阳吸收比的退化量；a，b，β是相关系数，均可通过已有试验数据确定，Φt表示某辐照试验的试验束流密度；2)设有两组辐照试验1和2，粒子能量参数相同，试验束流密度不同，分别为Φ1和Φ2，试验中其他试验条件相同，故设定a、β与束流密度无关，b与束流密度有关，且参数a，β相同；将两组试验的数据代入公式(1)，可得以下两组公式：Δαs1＝a[1-exp(-b1(Φ1t)β)](2)Δαs2＝a[1-exp(-b2(Φ2t)β)](3)在两组试验中材料性能损伤程度相同时，有Δαs1＝Δαs2；由加速倍率的定义，确定试验2对试验1的加速倍率为两者试验时间之比，即：k＝t1/t2＝(b2/b1)1/β·(Φ2/Φ1)＝m·(Φ2/Φ1)(4)式中，定义m＝(b2/b1)1/β，t1、t2分别为两组试验的试验时间；如果m＝1，则加速倍率与束流密度成1:1的关系，经验公式k＝Φ2/Φ1成立；如果m≠1，则不能通过简单的增加束流密度而同比例的缩短辐照时间进行模拟试验，此时会存在过加速或欠加速的问题。本方法与现有的评估方法相比，优点在于，k的表达式(即公式(4))与常用的经验公式相比，多了个因子m，能更准确地确定加速试验的加速倍率。附图说明图1为Katpon在不同束流密度下40keV电子辐照时的加速试验结果。图2为Katpon太阳吸收率变化量Δαs在不同电子束流密度下的试验拟合结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的航天器表面材料空间辐射效应模拟试验加速倍率确定方法进行进一步说明，该说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本专利技术的保护范围。下面以热控涂层材料Kapton膜在能量40keV的电子辐照环境下模拟试验为例，确定地面试验的加速倍率。首先，进行两组电子辐照模拟试验，电子能量均为40keV，束流密度分别任选为4.5×1010e/cm2/s和2.5×1011e/cm2/s。辐照过程中对Kapton膜的太阳吸收率αs进行原位测试，得到Kapton的Δαs在不同束流密度电子辐照下的结果如图1所示。从图1可以看出，相同的辐照注量下不同束流密度时Kapton的性能退化并不相同，高束流密度辐照下涂层Δαs退化较小。将两组试验数据代入公式(1)中，利用最小二乘法拟合得到如下公式：a)束流密度4.5×1010e/cm2/s：Δαs＝0.195×[1-exp(-1.16×t0.51)]；b)束流密度2.5×1011e/cm2/s：Δαs＝0.195×[1-exp(-0.71×t0.51)]。从而可得a＝0.195，β＝0.51，b1＝1.16，b2＝0.71。拟合后的结果如图2所示。将相关参数代入公式(4)中，可得：k＝(0.71/1.16)1/0.51×(2.5×1011/4.5×1010)＝0.38×5.5＝2.09由此可见，经验公式计算出的加速倍率为k＝Φ2/Φ1＝5.5倍，但修正后实际的加速倍率只有2.09倍，加速的效率仅为38％。说明电子束流密度超过4.5×1010e/cm2/s时，电子辐照加速试验的加速倍率不能简单的等于电子束流密度的比值，否则会造成欠试验的结果。尽管上文对本专利技术的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本专利技术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，均应在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
航天器表面材料空间辐射效应模拟试验加速倍率确定方法，包括以下步骤：1）选择通用航天器表面材料辐照环境下的性能退化数学模型如下：Δαs＝a[1‑exp(‑b(Φt)β)]          （1）式中，Δαs为表面材料太阳吸收比的退化量；a，b，β是相关系数，均可通过已有试验数据确定，Φt表示某辐照试验的试验束流密度；2）设有两组辐照试验1和2，粒子能量参数相同，试验束流密度不同，分别为Φ1和Φ2，试验中其他试验条件相同，故设定a、β与束流密度无关，b与束流密度有关，且参数a，β相同；将两组试验的数据代入公式（1），可得以下两组公式：Δαs1＝a[1‑exp(‑b1(Φ1t)β)]        （2）Δαs2＝a[1‑exp(‑b2(Φ2t)β)]            （3）在两组试验中材料性能损伤程度相同时，有Δαs1＝Δαs2；由加速倍率的定义，确定试验2对试验1的加速倍率为两者试验时间之比，即：k＝t1/t2＝(b2/b1)1/β·(Φ2/Φ1)＝m·(Φ2/Φ1)       （4）式中，定义m＝(b2/b1)1/β，t1、t2分别为两组试验的试验时间；如果m=1，则加速倍率与束流密度成1:1的关系，经验公式k＝Φ2/Φ1成立；如果m≠1，则不能通过简单的增加束流密度而同比例的缩短辐照时间进行模拟试验，此时会存在过加速或欠加速的问题。...

【技术特征摘要】
1.航天器表面材料空间辐射效应模拟试验加速倍率确定方法，包括以下步骤：1）选择通用航天器表面材料辐照环境下的性能退化数学模型如下：Δαs＝a[1-exp(-b(Φt)β)]（1）式中，Δαs为表面材料太阳吸收比的退化量；a，b，β是相关系数，均可通过已有试验数据确定，Φt表示某辐照试验的试验束流密度；2）设有两组辐照试验1和2，粒子能量参数相同，试验束流密度不同，分别为Φ1和Φ2，试验中其他试验条件相同，故设定a、β与束流密度无关，b与束流密度有关，且参数a，β相同；将两组试验的数据代入公式（1），可得以下两组公式：Δαs1＝a[1-exp(-b1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宇明，赵春晴，丁义刚，沈自才，刘向鹏，李蔓，翟睿琼，张凯，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11