Моделирование воздействия атомарного кислорода на материалы искусственных спутников Земли

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Представлено описание разработанного в Научно-исследовательском институте ядерной физики МГУ имени М. В. Ломоносова магнитоплазмодинамического ускорителя и созданного на его основе лабораторного стенда для моделирования воздействия атомарного кислорода верхней атмосферы Земли на материалы низкоорбитальных спутников. Рассмотрена методика моделирования, приведены примеры результатов лабораторных исследований. Изложены основные положения и результаты расчетно-теоретических исследований разрушения атомарным кислородом приповерхностных слоев полимерных материалов.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Л. С. Новиков

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Author for correspondence.
Email: novikov@sinp.msu.ru

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына

Russian Federation, Москва

В. Н. Черник

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Email: novikov@sinp.msu.ru

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына

Russian Federation, Москва

Е. Н. Воронина

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Email: novikov@sinp.msu.ru

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына; Физический факультет

Russian Federation, Москва

Н. П. Чирская

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Email: novikov@sinp.msu.ru

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына

Russian Federation, Москва

References

  1. COSPAR International Reference Atmosphere (CIRA-2012). Version: 1.0. 2012.
  2. Minton T.K., Garton D.J. Dynamics of atomic oxygen induced polymer degradation in low Earth orbit. Chemical dynamics in extreme environments // Chemical Dynamics in Extreme Environments. Advanced Series in Physical Chemistry. 2001. V. 11. P. 420–489. https://doi.org/10.1142/9789812811882_0009
  3. Novikov L.S. Contemporary state of spacecraft / environment interaction research // Radiation Measurements. 1999. V. 30. Iss. 5. P. 661–667. https://doi.org/10.1016/S1350-4487(99)00224-3
  4. Imamura S., Sasaki M., Yamamoto Y. et al. Attitude and orbit control result of super low altitude test satellite “TSUBAME’’ (SLATS) // J. Japan Society for Aeronautical and Space Sciences. 2021. V. 69. P. 35–41. http://dx.doi.org/10.2322/jjsass.69.35
  5. Kimoto Y., Yukumatsu K., Goto A. et al. MDM: A flight mission to observe materials degradation in-situ on satellite in super low Earts orbit // Acta Astronautica. 2021. V. 179. P. 695–701. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.11.048
  6. Verker R., Keren E., Refaeli N. et al. Measurements of material erosion in space by atomic oxygen using the on-orbit material degradation detector // Acta Astronautica. 2023. V. 211. P. 818–826. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.07.020
  7. Brandon E.A. Holmes, Vitor T.A. et al. A review of satellite-based atomic oxygen sensing methods // Progress in Aerospace Sciences. 2023. V. 137. Art. ID. 100886. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2023.100886
  8. Chernik V.N. Atomic oxygen simulation by plasmadynamic accelerator with charge exchange // Proc. 7th Int. Symp. Materials in Space Environment. SP 399. 1997. P. 237–241.
  9. Новые наукоемкие технологии в технике. Т. 17. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. Под ред. Новикова Л. С., Панасюка М. И. М.: ЗАО НИИ «ЭНЦИТЕХ», 2000: Воздействие на материалы и элементы оборудования космических аппаратов вакуума, частиц ионосферной плазмы и солнечного ультрафиолетового излучения. С. 100–138.
  10. Новиков Л.С., Черник В.Н. Применение плазменных ускорителей в космическом материаловедении. М.: Университетская книга, 2008.
  11. Патент SU1797448 A1. Газоpазpядный источник плазмы дуоплазмотpонного типа / Черник В. Н.; заявл. 18.01.1991., опубл. 09.07.1995. бюл. № 19.
  12. Акишин А.И., Черник В.Н., Куликаускас В.С. и др. Применение метода резерфордовского обратного рассеяния ионов для измерения содержания примесей в потоке кислородной плазмы // Поверхность. 1996. № . 1. С. 89–92.
  13. ASTM Designation E2089–00. Standard Practices for Ground Laboratory Atomic Oxygen Interaction Evaluation of Material for Space Applications. 2006.
  14. Kleiman J., Iskanderova Z., Gudimenko Y. et al. Atomic oxygen beam sources: a critical overview // Proc. 9-th Symposium оn Materials in Space Invironment. ESTEC. Noordwijk. The Netherlands. 2003. SP-540. P. 313–324.
  15. Черник В.Н. Воздействие лабораторной и ионосферной плазмы на полимерные материалы космических аппаратов // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2014. № 3. С. 44–47.
  16. Iskanderova Z.A., Kleiman J.I., Gudimenko Yu. et al. Influence of content and structure of hydrocarbon polymers on erosion by atomic oxygen // J. Spacecraft Rockets. 1995. V. 32. Iss. 5. https://doi.org/10.2514/3.26699
  17. Kleiman J., Iskanderova Z., Banks B.A. et al. Predictions and measurements of the atomic oxygen erosion yield of polymers in low earth orbital flight // Proc. 8th International Symposium on Materials in a Space Environment. Arcachon, France. 5–9 June 2000.
  18. Banks B.A., Waters D.L., Thorson S.D. et al. Comparison of atomic oxygen erosion yields of materials at various energy and impact angles // Proc. 10th International Symposium on Materials in a Space Environment. Collioure, France. 2006. Art. ID. 20060047719.
  19. De Groh K.K., Banks B. A., McCarthy C.E. et al. MISSE PEACE polymers atomic oxygen erosion results // Proc. MISSE Post-Retrieval Conference. Orlando, FL, USA. 2006. Art. ID. 20070002707.
  20. De Groh K.K., Banks B.A., McCarthy C. et al. Analyses of the MISSE/Peace Polymers International Space Station Environmental Exposure Experiment // Proc. 10th International Symposium on Materials in a Space Environment and 8th International Conf. of Protection of Materials and Structures in a Space Environment. Colliuore, France, 2006.
  21. Tagawa M., Matsushita M., Umeno M. et al. Laboratory Studies Of Atomic Oxygen Reactions On Spin-Coated Polyimide Films // Proc. 6th Symposium on Materials in a Space Environment. ESTEC. 1994. Noordwijk. The Netherlands. P. 189–193.
  22. Модель космоса. Т. 2. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / под ред. профессора Л. С. Новикова. М.: Издательство «КДУ», 2007: Воздействие атомарного кислорода на материалы и элементы конструкции низкоорбитальных космических аппаратов. С. 171–206.
  23. Krech R.H. et al. AO experiments // Rep. Physical Science Incorporation, 1996.
  24. Caledonia G.E., Holtzdaw K.W., Krech R.H. et al. New Results Development of Energetic Oxygen Atom Beam // Geophisical Reserch. 1993. V. 98. Iss. A3. Art. ID. 3725.
  25. Skurat V.E., Nikiforov A.P., Ternovoy A.I. Investigations of Ractions of Thermal and Fast Atomic Oxygen (up to 5 eV) with Polimer Films // Proc. 6th International Symposium on Materials in a Space Environment. ESTEC. Noordwijk, the Netherlands. 1994. P. 183–187.
  26. Morrison W.D., Tennison R.C., French Y.B. Microwave Oxygen Atom Beams Source // Fourth European Symposium on Spacecraft Materials in Space Environment. CERT. 1988. Toulouse, France. P. 435–441.
  27. Tagawa M., Matsushita M., Umeno M. et al. Laboratory Studies Of Atomic Oxygen Reactions On Spin-Coated Polyimide Films // Proc. 6th Symposium on Materials in Space Environment. ESTEC. Noordwijk, the Netherlands. 1994. P. 189–193.
  28. Koontz S., King G., Dunnet A. et al. The International Telecommunication Sattellite (INTELSAT) Solar Array Coupon (ISAC) Atomic Oxygen Flight Experiment: Techniques, Result and Summary // Proc. 5th International Symposium on Spacecraft Materials in Space Environment. 1991. P. 331–344.
  29. Vered R., Lempert G.D., Grossman E. et al. Atomic Oxygen Erosion On Teflon FEP And Kapton H By Oxygen From Different Sources: Atomic Force Microscopy And Complementary Studies // Proc. 6th Symposium on Materials in Space Environment. ESTEC. Noordwijk, the Netherlands. 1994. P. 175–179.
  30. Milinchuk V.K., Smirnova T.N. Properties of the polymeric films after Natural exposure to the space environment on the orbital space station «MIR» // Proc. 8th International Symposium on Materials in Space Environment. ONERA. 2000.
  31. Naumov S., Gorodetsky A., Domoratsky A. et al. Investigation of screen-vacuum thermal insulation (SVTI) after prolonged exploitation in space environment conditions on external surfaces of space station «MIR» // Proc. 9th Symposium on Materials in Space Environment. ESTEC. 2003. Noordwijk, The Netherlands. SP 540. P. 603–608.
  32. Chernik V.N., Naumov S.F., Sokolova S.P. et al. Colour polymeric paints research under atomic oxygen in flight and ground-based experiments // Proc. 9th Symposium on Materials in Space Environment. ESTEC. Noordwijk, The Netherlands. 2003. P. 281–285.
  33. Аникин К.А., Борисов А.М., Желтухин А.В. и др. Характеристики терморегулирующих плазменно-электролитических покрытий на алюминиевом сплаве // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2018. № 6. С. 18–22. https://doi.org/10.7868/S0207352818060045
  34. Новиков Л.С., Черник В.Н., Бабаевский П.Г. и др. Исследование углепластика КМУ-4Л с покрытием ЭКОМ-1 при лабораторной имитации длительного полета в ионосфере // Перспективные материалы. 2001. № 5. С. 20–26.
  35. Воронина Е.Н., Новиков Л.С., Черник В.Н. и др. Математическое и экспериментальное моделирование воздействия атомарного кислорода верхней атмосферы Земли на наноструктуры и полимерные композиты // Перспективные материалы. 2011. № 6. C. 29–36.
  36. Chechenin N.G., Chernykh P.N., Vorobyeva E.A. et al. Synthesis and Electroconductivity of Epoxy/Aligned CNTs Composites // Applied Surface Science. 2013. V. 275. P. 217–221. http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.12.162
  37. Novikov L.S., Voronina E.N., Chernik V.N. et al. Erosion of carbon nanotube-based polymer nanocomposites exposed to oxygen plasma // J. Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2016. V. 3. Iss. 10. P. 617–622. http://dx.doi.org/10.1134/S1027451016030307
  38. Tadmor E., Miller R. Modeling materials: Continuum, atomistic and multiscale techniques. Cambridge University Press, 2011. http://dx.doi.org/10.1017/CBO9781139003582
  39. Воронина Е.Н. Многомасштабное моделирование полимерных нанокомпозитов // Ядерная физика. 2011. Т. 74. № 11. С. 1649–1669.
  40. Martin R.M. Electronic structure: basic theory and practical methods. Cambridge: Cambridge University Press, 2004.
  41. Elstner M., Porezag D., Jungnickel G. et al. Self-consistent-charge density-functional tight-binding method for simulations of complex materials properties // Physical Review B. 1998. V. 58. Art. ID. 7260. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.7260
  42. Воронина Е.Н., Новиков Л.С. Моделирование взаимодействия сверхтеплового атомарного кислорода с полиимидом // Физика и химия обработки материалов. 2017. № 6.
  43. Chirskaya N., Samokhina M. Computer modeling of polymer structures degradation under the atomic oxygen exposure // WDS’12 Proc. Contributed Papers: Part III – Physics. Prague, Czech Republic. 2012. P. 30–35.
  44. Chirskaya N.P., Novikov L.S., Voronina E.N. Computer modelling of ionized radiation impact on micro-structured materials // WDS’15 Proc. Contributed Papers – Physics. Prague, Czech Republic. 2015. P. 173–178.
  45. Kosynkin D.V., Higginbotham A.L., Sinitskii A. et al. Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons // Nature. 2009. V. 458. Art. ID. 872. https://doi.org/10.1038/nature07872
  46. Voronina E.N., Novikov L.S. Ab initio study of unzipping processes in carbon and boron nitride nanotubes under atomic oxygen impact // RSC advances. 2013. V. 3. Iss. 35. P. 15362–15367. http://dx.doi.org/10.1039/c3ra41742e

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic diagram of the magnetoplasmadynamic oxygen plasma accelerator of the Scientific Research Institute of Nuclear Physics of Moscow State University (a) and a photograph of the oxygen plasma jet at the exit from the accelerator nozzle (b).

Download (197KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Schematic diagram of the beam-plasma laboratory stand.

Download (94KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of the volume coefficient of polyimide erosion on the energy of oxygen atoms based on measurements carried out in space and on laboratory setups.

Download (56KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Surface relief of a polyimide sample after exposure to AK on the laboratory setup of the NIIP MSU.

Download (122KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Images of a seam made of arimid threads before (a) and after (b) exposure on the laboratory setup to AK with an equivalent fluence of 8⋅1021 cm–2 (image size 1.5×1.0 mm).

Download (97KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Appearance (a, b) and change in the spectral reflectance (c, d) of epoxy (a, c) and organosilicon (b, d) enamels after exposure to AK with an equivalent fluence of 1.4⋅1021 cm–2 during tests on a laboratory setup. The dashed gray and solid black lines show the measurement results before and after irradiation, respectively.

Download (138KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependences of the specific mass loss of KMU-4L carbon fiber without a coating (gray dashed line) and with a protective coating (solid black) on the equivalent fluence of AK.

Download (54KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Defects in the protective SiO2 film after exposure to an AK flow.

Download (114KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. The boundary between the unirradiated and irradiated surface areas (a) and the structure of the polymer composite after exposure to an AK flow (b).

Download (133KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. a, b – Scanning electron microscope images of a nanotube “forest” before (a) and after (b) exposure to AK at an equivalent fluence of 1.5⋅1020 cm–2; c – the effect of “fluffing” of carbon nanotubes.

Download (107KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Different stages of the reaction of CO2 molecule formation: a – formation of the activated complex; b – elongation and rupture of C–N and C–C bonds; c – detachment of the CO2 molecule. Atoms of O, C, H and N are shown in red, gray, white and blue, respectively.

Download (97KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. a, b – Calculation model of a polymer with a protective coating (a) and an incident flow of AK (b). c, d – Results of modeling polymer erosion without taking into account the scattering of particles on polymer cells (c) and taking into account the scattering (d) [43]. d – Image of a cavity profile in a polymer obtained using a scanning electron microscope upon irradiation with a flow of AK with a fluence of 1.6⋅1020 cm–2 at an incidence angle of 30 degrees.

Download (98KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. a, b – Results of modeling the erosion of a polymer composite with a particle diameter of 10 (a) and 7 μm (b) at an equivalent AO fluence of 1.3⋅1021 cm–2. The arrows indicate the direction of the O atom flux. Panel c – Dependences of the polymer mass loss on the angle of incidence of the O atom flux and the diameter of the filler agglomerates D: solid line – D = 10 μm; dashed line – D = 7 μm; dashed-dotted line – D = 5 μm.

Download (108KB)
Indexing metadata
15. Fig. 14. Image of a partially destroyed nanotube obtained as a result of modeling using the DFT method. O, C and H atoms are shown in red, gray and white, respectively.

Download (128KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences