Моделирование воздействия атомарного кислорода на материалы искусственных спутников Земли

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

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.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. С. Новиков

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: novikov@sinp.msu.ru

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

Россия, 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

Россия, 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

Россия, 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

Россия, Москва

Список литературы

  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

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема магнитоплазмодинамического ускорителя кислородной плазмы НИИЯФ МГУ (а) и фотография струи кислородной плазмы на выходе из сопла ускорителя (б).

Скачать (197KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема пучково-плазменного лабораторного стенда.

Скачать (94KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость объемного коэффициента эрозии полиимида от энергии атомов кислорода на основании измерений, проведенных в космосе и на лабораторных установках.

Скачать (56KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Рельеф поверхности образца полиимида после воздействия АК на лабораторном стенде НИИЯФ МГУ.

Скачать (122KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изображения шва из аримидных нитей до (а) и после (б) воздействия на лабораторном стенде АК с эквивалентным флюенсом 8⋅1021 см–2 (размер изображений 1.5×1.0 мм).

Скачать (97KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Внешний вид (а, б) и изменение спектрального коэффициента отражения (в, г) эпоксидной (а, в) и кремнийорганической (б, г) эмалей после воздействия АК с эквивалентным флюенсом 1.4⋅1021 см–2 при испытаниях на лабораторном стенде. Штриховыми серыми и черными сплошными линиями показаны результаты измерений до и после облучения соответственно.

Скачать (138KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимости удельной потери массы углепластика КМУ-4Л без покрытия (серая штриховая линия) и с защитным покрытием (черная сплошная) от эквивалентного флюенса АК.

Скачать (54KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Дефекты в защитной пленке SiO2 после воздействия потока АК.

Скачать (114KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Граница между необлученным и облученным участками поверхности (а) и структура полимерного композита после воздействия потока АК (б).

Скачать (133KB)
Метаданные
11. Рис. 10. а, б – Полученные с помощью растрового электронного микроскопа изображения «леса» нанотрубок до (а) и после (б) воздействия АК при эквивалентном 1.5⋅1020 см–2; в – эффект «распушения» углеродных нанотрубок.

Скачать (107KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Различные стадии реакции образования молекулы CO2: а – образование активированного комплекса; б – удлинение и разрыв C–N и C–C связей; в – отрыв молекулы CO2. Атомы O, C, H и N показаны красным, серым, белым и синим цветом соответственно.

Скачать (97KB)
Метаданные
13. Рис. 12. а, б – Расчетная модель полимера с защитным покрытием (а) и налетающий поток АК (б). в, г – Результаты моделирования эрозии полимера без учета рассеяния частиц на полимерных ячейках (в) и с учетом рассеяния (г) [43]. д – Полученное с помощью растрового электронного микроскопа изображение профиля каверны в полимере при облучении потоком АК с флюенсом 1.6⋅1020 см–2 при угле падения 30 градусов.

Скачать (98KB)
Метаданные
14. Рис. 13. а, б – Результаты моделирования эрозии полимерного композита при диаметре частиц 10 (а) и 7 мкм (б) при эквивалентном флюенсе АК 1.3⋅1021 см–2. Стрелками показано направление потока атомов O. Панель в – Зависимости потерь массы полимера от угла падения потока атомов O и диаметра агломератов наполнителя D: сплошная линия – D = 10 мкм; штриховая линия – D = 7 мкм; штрих-пунктирная линия – D = 5 мкм.

Скачать (108KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Изображение частично разрушенной нанотрубки, полученное в результате моделирования методом DFT. Атомы O, C и H показаны красным, серым и белым цветом, соответственно

Скачать (128KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024