Прискорення ресурсних випробувань полімерів космічних апаратів на стійкість до тривалої дії атомарного кисню в іоносфері Землі

Рубрика: 
Космічні матеріали та технології
Шувалов, ВО, Кулагін, СМ, Лазученков, ДМ
Косм. наука технол. 2021, 27 ;(4):54-64
https://doi.org/10.15407/knit2021.04.054
Мова публікації: Українська
Анотація: 
Розроблено процедуру прискорених ресурсних випробувань полімерних конструкційних матеріалів космічних апаратів (КА) на стійкість їх до тривалої дії потоків атомарного кисню (АК) в іоносфері Землі на висотах від 200 до 700 км.. Процедура включає: опромінювання полімерів високоенергійними іонами атомарного кисню потоку розрідженої плазми і використання полііміду kapton-H в якості еталонного матеріалу. Умовою еквівалентності режимів взаємодії «АК – полімер» в іоносфері Землі і на спеціалізованому стенді є рівність втрати маси матеріалу, що тестується. Базою для обґрунтування процедури прискорених випробувань є результат: при опромінюванні полімеру kapton-H високоенергійними іонами атомарного кисню в діапазоні енергій від 30 до 800 еВ деградацію полііміда визначає процес хімічного травлення матеріалу. Для обґрунтування процедури прискорення ресурсних випробувань полімерних конструкційних матеріалів космічних апаратів на стійкість до тривалої дії потоків атомарного кисню отримано залежності втрати маси та об’ємного коефіцієнту втрати маси (реакційної спроможності) полііміда kapton-H та тефлону FEP-100A від флюенса і енергії іонів атомарного кисню.
     Показано, що при опромінюванні полііміда kapton-H іонами атомарного кисню з енергією від 30 до 80 еВ втрата маси матеріалу із-за хімічного травлення практично на порядок більше, ніж втрата маси, обумовлена кінетичним розпиленням. При опромінюванні полімеру kapton-H високоенергійними іонами атомарного кисню потоку розрідженої плазми коефіцієнт прискорення ресурсних випробувань та флюенс атомарного кисню практично на два порядки більше, ніж коефіцієнт прискорення при опромінюванні полімеру іонами атомарного кисню з енергією 5 еВ.
Ключові слова: іоносферна плазма, космічний апарат, полімерні конструкційні матеріали, потоки атомарного кисеню, прискорення випробувань
Повний текст (PDF)
References: 
1. Anan’eva O. A., Milinchuk V. K., Zagorskii D. L. (2007). Study of one-side aluminized polyimide films exposed on the Mir  orbital space station. High Energy Chemistry, 41(6), 389—395.
2. Voitsenya V. S., Guzhova S. K., Titov V. I. (1991). Influence of low-temperature plasma and electromagnetic radiation on materials. Moscow: Energoatomizdat, 224 p.
3. Guzhova S. K., Novikov L. S., Chernik V. N., Skurat V. E. (2007). Model of Space: Scientific information publication. Ed. by M. I. Panasyuk, L. S. Novikov. Moscow: KDU. Vol. 2. 171 p.
4. Science-intensive technologies in technics: The impact of the space environment on the materials and equipment of spacecraft. (2000). Ed. by K. S. Kasaev. Moscow: CJSC NII ENCITEH. Vol. 17.
5. Nikiforov A. P., Ternovoy A. N., Samsonov P. V., Skurat V. E. (2002). Problems of studying the mechanism of interaction between vacuum UV radiation and hyperthermic atomic oxygen (5 eV) with spacecraft materials. Khimicheskaya fizika, 21(5), 73—82.
6. Heald M. A., Wharton C. B. (1966). Plasma diagnostics with microvawaves. N.Y., London, Sydney: John Wiley and Sons Inc., 452 p.
7. Shuvalov V. A., Gorev N. B., Tokmak N. A., Pismennyi N. I., Osinovyy G. G. (2017). Dynamic effect of a plasma beam on a space debris object. Space Science and Technology, 23(1), 36—49.
8. Shuvalov V. A., Pis’mennyi N. I., Priimak A. I., Kochubey G. S. (2007). A probe diagnostics for high-speed flows of rarefied partially dissociated plasma. Instrum. and Experimental Techniques, 50(3), 370—378.
9. Shuvalov V. A., Tokmak N. A., Reznichenko N. P. (2015). Degradation of spacecraft polymer films on long exposure to atomic oxygen flows and vacuum ultraviolet radiation. Space Science and Technology, 21(5), 56—68.
10. Allegri G., Corradi S., Marchetti M., Milinchuk V. K. (2003). On the degradation of Polymeric Thin Films in LEO. Proc. 9th ISMSE, ESA, SP-540. Netherlands. Noordwijk.
11. 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 polym. J. Spacecraft and Rockets, 48(1), 14—22.
12. Banks B. A., Waters D. L., Thorson S. F., De Groh K. K., Snyder A. Miller S. (2006). Comparison of atomic oxygen erosion yields of materials at various energies and impact angles. Proc. 10th Intern. Symp. on Materials in Environment ESA and 8th ICPMSE, SP-616.
13. Cazanbon B., Paillous A., Siffre J., Thomas R. (1998). Mass spectrometric analysis of reaction products of fast oxygen atom. J. Spacecraft and Rockets, 35(6), 797—803.
14. Chernik V. N., Novikov L. S., Akiskin A. I. (2006). About adequacy of ground-based tests of polymers at higher atomic oxygen energy (20—30 eV). Proc. 10th Intern. Symp. on Materials in Environment ESA and 8th ICPMSE, 127—131.
15. De Groh K., Smith D. C. (1997). Investigation FEP embrittlement on spacecraft in low orbit. Proc. 7th Intern. Symp. on Materials in Environment ESA, SP-390, 2997, 255—266.
16. ECSS-E-10-04A. (2000). Space Engineering: Space Environment, Noordwijk. ESTRC.
17. Gonzalez R. I., Tomczac S. J., Milton T. K., Garton D. G. (2003). Synthesis and atomic oxygen erosion testing of space-subvivable pass (polyhedral oligometric silsesquioxane). Proc. 9th Intern. Symp. on Materials in Environment ESA, 113—117.
18. Grossman E., Gouzman I. (2003). Space environment effects on polymers in low Earth orbit. Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res., B208, 48—57.
19. Grossman E., Gouzman I., Lempert G., Noter Y., Lifshitz Y. (2004). Assessment of atomic oxygen flux in low Earth orbit ground simulation facilities. J. Spacecraft and Rockets, 41( 3), 356—368.
20. Miller S., Banks B., Waters D. (2006). Investigation into the differences in atomic oxygen erosion yields of materials in ground based facilities compared to those in LEO. Proc. 10th ISMSE and 8th ICPMSE. Collioure. France. Noordwijk: ESTEC, 120—126.
21. Pippin H. G. (2008). Final report of analysis of Boeing specimens from on the effects of space environment on materials experiment. Appendix B. Hampton: NASA Langley Research Center. VA 23681–2199.
22. Reddy M. R. (1995). Review effect on Low Earth orbit atomic oxygen on spacecraft materials. J. Mater. Sci., 2, 281—307.
23. 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(2-3), 203—210.
24. Vered R., Lempert G. D., Grossman E., Haruvy Y., Marom G., Singer G., et. al. (1994). Atomic oxygen erosion of teflon FEP and kapton-H by oxygen from different sources: atomic force microscopy and complementary studies. Proc. 6th ISMSE. ESA, 175—181.
25. Yokota K., Tagawa M. (2007). Comparison polyethylene and polyimides as a fluency monitor of atomic oxygen. J. Spacecraft and Rockets, 4(2), 434—435.
26. Zimcik D. G., Maag C. R. (1988). Result of apparent atomic reactions with spacecraft material during Space Shuttle flight STS-416. J. Spacecraft and Rockets, 25(2), 162—168.

https://doi.org/10.2514/3.25965