Моделюваннґ взаємодії полімерів космічних апаратів із атомарним киснем на низьких орбітах в атмосфері Землі
DOI:
https://doi.org/10.15407/knit2024.02.054Ключові слова:
глибина ерозії, коефіцієнти пе-редачі імпульсу та енергії, полімер, потік атомарного кисню, флюенс, шорсткістьАнотація
Розроблено процедури моделювання взаємодії полімерів — конструкційних матеріалів космічних апаратів — з гіпертепло-вими потоками атомарного кисню (АК) на дуже низьких орбітах із застосуванням потоків високоенергетичних іонів розрідженої плазми. За результатами стендових і супутникових експериментів (орбітальна станція «Мир», МКС, КА «Spot-1, -2, -4», «Space Shuttle») визначено параметри, які характеризують фізико-хімічну та динамічну взаємодію потоків атомарного кисню з конструкційними полімерами космічних апаратів, такі як коефіцієнти ерозії, поглинання сонячного випромінювання, акомодації імпульсу і енергії, а також глибина ерозії і шорсткість поверхні полімерної плівки. Отримано залежності параметрів взаємодії в системі «АК — полімер» від енергії і флюенсу іонів АК. Показано, що застосування потоків іонів АК з енергіями 30…100 еВ дозволяє моделювати взаємодію гіпертеплових потоків АК з полімерами на висотах 170…300 км при високих флюенсах АК в атмосфері Землі.
Посилання
Allegri G., Corradi S., Marchetti M., Milinchuk K. (2003). On degradation of polymeric thin films in LEO Space Environment. Proc. 9 th Int. Symposium on Materials, 255-264
Balmain K.G., Dubois G.R. (1979). Surface discharges on Teflon, Mylar and kapton. IEEE Transactions of Nuclear Science, NS-26, № 6, 5146-5151 [in English].
https://doi.org/10.1109/TNS.1979.4330287
Banks B.A., Waters D.L., Thorson S.D., de Groh K.K., Snyder A., Miller S.K. (2006). Comparison of atomic oxygen erosion yields of materials at various energy and impact angles. NASA/TM-2006-214363, August 2006. 7 p.
Banks B.A., Backus J.A., Manno M.V., Waters D.L., Cameron K.C., de Groh K.K. (2011). Prediction of atomic oxygen erosion yield for spacecraft polymers. J. Spacecraft and Rockets, 48, is 1, 14-22.
https://doi.org/10.2514/1.48849
Behrisch R. (1983). Sputtering by practical bombardment II. Berlin-Heidelberg-New York-Tokio: Springer Verlag. 410 p. .
https://doi.org/10.1007/3-540-12593-0
Bitetti G., Marchetti M., Mileti S., Valente F., Scaglione S. (2007). Degradation of the surfaces exposed to the space environment. Acta Astronautica. 60, No 3, 166-174 .
https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2006.07.019
Chen L., Lee C.H. (2006). Interaction potential between atomic oxygen and polymer surface in low Earth orbit, J. Spacecraft and Rockets, 43, No 3, 487-496 [.
https://doi.org/10.2514/1.13373
Duo S., Li M., Zhou Y. (2006). Effect of ion implantation upon erosion resistance of polyimide films in space environment. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 16 No 2, s661-s664 .
https://doi.org/10.1016/S1003-6326(06)60273-2
ECSS-10-04 A. (2009). Space Environment, Issued 15 November 2009, ESA-ESTEC. 219 p.
Gonzalez R.I., Tomczak S.J., Minton, A.L. Brunsvold, Hoflund G.B. (2003). Synthesis and atomic oxygen erosion testing of space survivable POSS (polyhedral oligomeric silsesquioxane) polyimides. Proc. 9 th Int. Symposium on Materials in a Space Environment, 113-120.
Goodman F.O., Wachman H.Y. (1976). Dynamics of gas-surface scattering, New-York, San Francisco, London: Academic Press. 342 p [in English].
Goto A., Imeda K., Yukumatsu K. Kimoto Y. (2021). Property changes in materials due to atomic oxygen in the low Earth orbit. CEAS Space J., 13, No 3, 415-432 .
https://doi.org/10.1007/s12567-021-00376-2
Grossman E., Gouzman I. Space environment effects on polymers in low Earth orbit, Nuclear. (2003). Instruments and Methods in Physics Research. B.208, 48-57 . doi: 10.1016/S0168-583X(03)00640-2
https://doi.org/10.1016/S0168-583X(03)00640-2
Grossman E., Gouzman I. , Lemper G., Noter Y., Lifshitz Y. (2004). Assessment of atomic oxygen flux in Low-Earth-Orbit ground simulation facilities. J. Spacecraft and Rockets, 41, No 3, 356-359 .
https://doi.org/10.2514/1.10890
Koontz S.L., Leger L.J., Rickman S.L. (1995). Oxygen interaction with material III-mission and induced environment. J. Spacecraft and Rockets, 32, No 3, 475-495
https://doi.org/10.2514/3.26640
Kuvaldina E.V., Lyubimov V.K., Rybkin V.V. (1992). Velocity constant and bribability of interaction of atomic oxygen with polyimide films. High Energy Chemistry, 26, 475-478 [in .
Lian R., Lei X., Xue S., Chen Y., Zhang Q. (2021). Janus polyimide films with outstanding AO resistance, good optical transparency and high mechanics strength. Applied Surface Science. 535, 147654
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147654
Miller S.K., Dever J.A. (2011). Materials International Space Station experiment 5 polymers films thermal control experiment. J. Spacecraft and Rockets, 48, No 2, 240-245 .
https://doi.org/10.2514/1.49482
Naddaf M., Balasubramanin C., Alegaonkar P.S., Bhoraskar V.N., Mandel A.B., Ganeshan V., Bhoraskar S. V. (2004). Surface interaction of polyimide with oxygen ECR plasma. Nuclear Instruments and Methods in Physical Research. B222, No 1-2, 135-144 .
https://doi.org/10.1016/j.nimb.2003.12.087
Paillons A. (1987). Spacecraft surface exposure to atomic oxygen in LEO. in: Technol. Environment Spatial. Toulouse: ESA. 353-375 .
Roussel J.F., Alet I., Fage D., Pereira A. (2004). Effect of space environment on spacecraft surfaces in sun-synchronous environment. J. Spacecraft and Rockets. 41, No 5, 812-820 .
https://doi.org/10.2514/1.1211
Shimamura H., Miyazaki E. (2009). Investigation into synergistic effects of atomic oxygen and vacuum ultraviolet. J. Spacecraft and Rockets, 62, No 2, 241-247 .
https://doi.org/10.2514/1.31815
Shuvalov V.A., Reznichenko N.P., Tsokur A.G., Nosikov S.V. (2016). Synergetic effects of the action of atomic oxygen and vacuum ultraviolet radiation on polymers in the Earth's ionosphere. High Energy Chemistry. 50, 171-176 .
https://doi.org/10.1134/S0018143916030140
Shuvalov V.A., Gorev N.A., Tokmak N.A., Kochubei G.S. (2017). Physical simulation of the long-term dynamic action of a plasma beam on a space debris object. Acta Astrnautica. 132, 97-102].
https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2016.11.039
Tagawa M., Yokota K. (2008). Atomic oxygen induced polymer degradation phenomena in simulated LEO space environment: How do polymers react in a complication space environment. Acta Astronautica, 62, No 2-3, 203-211 .
https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2006.12.043
Tagawa M., Doi H., Yokota K. (2009). Atomic oxygen concentrators for material exposure acceleration test in low Earth orbit. J. Spacecraft and Rockets. 46, No 2, 226-229 .
https://doi.org/10.2514/1.30866
Vezker R., Grossman E., Gouzman I., Eliaz N. (2007). Residual stress effects on degradation of polyimide under simulated hypervelocity space debris and atomic oxygen. Polimer. 18, No 1, 19-24 .
https://doi.org/10.1016/j.polymer.2006.10.035
Waters D.L., Banks B.A., Thorson S. D., de Groh K. K., Miller S.K. (2007). Comparison of the atomic oxygen erosion depth and cone height of various materials at hyperthermal energy. NASA/TM-2007-214374. 6 p.
Yokota K., Seikyu S., Tagawa M., Ohmae N. (2003). A quantitative study in synergistic effects of atomic oxygen and ultraviolet regarding polymer erosion in LEO space environment. Proc. 9 th Int. Symposium on Materials, 265-272 .
Yokota K., Tagawa M. (2007). Comparison polyethylene and polyimide as a fluence monitor of atomic oxygen. J. Spacecraft and Rockets, 44, No 2, 434-439 .
https://doi.org/10.2514/1.15038
Zangwill A. Physics at surface. (1988). Cambridge, New-York: Cambridge University Press. 454 p.
Zimcik D.G., Maag C.R. (1988). Results of apparent oxygen reactions with spacecraft materials during Shuttle Flight STS-41 G. J. Spacecraft and Rockets, 25, No 2, 162-168.
https://doi.org/10.2514/3.25965
Zimcik D.G., Wertheimer M.R., Balmain K. B., Tennyson R.C. (1991). Plasma-deposited protective coating for spacecraft applications. J. Spacecraft and Rockets. 28, No 6, 652-637 .
