第十一章空间真空环境及其效应1素材.ppt

第二章空间真空环境及试验技术 2.1 空间真空环境 是指在给定空间内低于一个大气压力的气体状态，也就是该空间内气体分子密度低于该地区一个大气压的分子密度。 气压和分子密度同步变化，标准状态（0?C，101325Pa）下，气体的分子密度为2.6870? 1025/m3；真空度为1.33 ?10-4Pa时，气体分子密度为3.24? 1016/m3。 完全没有气体的空间状态称为绝对真空，绝对真空实际上是不存在的。 真空区域划分： 根据国军标GB3163-82，真空区划分为如下区段： 低真空：105～102Pa （0~50Km) 中真空： 102～10-1Pa （50~90Km) 高真空： 10-1～10-5Pa （90~330Km) 超高真空： ＜10-5Pa （330Km以上) 空间真空度随高度变化情况 海平面： 101308Pa 100km, 2.64×10-2Pa; 500km, 9.52×10-8Pa 200km, 7.50×10-5Pa; 600km, 4.12×10-8Pa 300km, 5.96×10-6 Pa;700km, 1.85×10-8Pa 400km, 8.69×10-7 Pa; 800km,1.03×10-8Pa 1 200km处,大气压力10-9Pa； 10 000km处,大气压力为10-10Pa； 月球表面大气压力为10-10 Pa～10-12Pa，大约相当于有100个氢分子/cm3; 银河系星际大气压力为10-13 Pa～10-18Pa。 真空测量单位 真空度通常可以用压强表示，压强为气体分子作用在单位面积上的力的法向分量。 （1）国际单位 通常用压力单位Pa（帕）表示，1Pa 为1m2面积上作用1N的力，即： 1Pa= 1N/ m2 （2）高斯单位 通常用压力单位Tor（托）表示，1 Tor=133Pa 1、压力差效应 压力差效应在105Pa～102Pa的真空范围内发生。压力差效应会使密封舱变形或损坏，因此增大了贮罐中液体或气体的泄漏，缩短了使用时间。 真空环境下的泄漏故障 约５０％的重大故障与真空环境泄漏有关。 １９７１年６月３０日苏联“联盟”１１号飞船的３名航天员返回地面时，因返回舱真空室漏气均窒息死亡。 据统计，因真空环境下泄漏，全世界至少有２０枚火箭发生爆炸。其中：有造成火箭发动机试验时提前关机或未能二次点火；有火箭升空后未达到预定推力，卫星偏离轨道不能入轨；有火箭升空后引起爆炸，星箭自毁等。 据统计，全世界至少有８颗卫星因泄漏而发射失败，１０多颗卫星产生重大故障而缩短寿命或未达到使用功能。 我国也有５颗卫星因泄漏而产生故障。 2、真空放电效应 真空放电效应发生在103Pa～10-1Pa低真空范围。当电极之间发生自激放电时称为电击穿。对于航天器发射上升阶段必须工作或通电的电子仪器，应防止任何放电的可能。 （短路故障） 当真空度达到10-2Pa或更高时，在真空中分开一定距离的两块金属表面受到具有一定能量的电子碰撞时，会从金属表面激发出更多的次级电子，形成微放电。 （电弧放电故障） 金属由于发射次级电子而受到侵蚀，电子碰撞会引起温度升高，而使附近气体压力升高，甚至会造成严重的电晕放电。射频空腔波导管等装置有可能由于微放电而使其性能下降，甚至产生永久性失效。 电子元器件故障或失效 3、真空出气效应 当真空度高于10-2Pa时，气体会不断地从材料表面释放出来。这些气体的来源是： ①原先在材料表面吸附的气体，在真空状态下从表面脱附； ②原先溶解于材料内部的气体，在真空状态下从材料内部向真空边界扩散，最后在界面上释放，脱离材料； ③渗透气体通过固体材料释放出来 分子污染 航天器材料在空间真空环境下出气，通过分子流动和物质迁移而沉积在航天器其他部位上造成的污染，称为分子污染。 严重的分子污染会降低观察窗和光学镜头的透明度，改变热控涂层的性能，减少太阳能电池的光吸收率，增加电器元件的接触电阻等。 4、材料蒸发升华和分解效应 材料在空间真空环境下的蒸发、升华和分解都会造成材料组分的变化，引起材料质量损失（简称质损），造成有机物的膨胀，改变材料原有性能如热物理性能和介电性能等。 一般质损1%～2%时，材料的宏观性质无重大变化；但质损达１０％时，材料性质出现明显的变化。因此，一般把每年质损小于１０％作为航天器材料的标准。 航天器表面材料不均匀的升华，引起表面粗糙，使航天器表面光学性能变差。在高真空下材料的内、外分界面可能变动，引起材料机械性能的变化。由于蒸发缺少氧化膜或其他表面保护膜，因而可能改变材料表面的适应系数及表面辐射率，显著改