GB／T 41543-2022  空间环境 航天材料空间环境效应模拟试验通用规范

5.6月球空间环境因素

月球的空间环境因素主要包括真空、NUV、FUV、太阳风、GCR、SEP、微流星体、磁层热等离子体 热循环、二次粒子、月尘等，

邮政标准5.7火星空间环境因素

火星的空间环境因素主要包括火星大气、NUV、FUV、GCR、SEP、微流星体、太阳风、火星表 中子、火星尘暴等。

5.8木星空间环境因素

5.9土星空间环境因素

5.10水星空间环境因素

水星的空间环境因素主要包括NUV、FUV、GCR、SEP、微流星体、热循环等。

5.11金星空间环境因表

金星的空间环境因素主要包括金星大气、NUV、FUV、GCR、SEP、极端高温、极端高压等

材料空间环境效应模拟运

6.1空间环境对航天材料的影响

在模拟空间环境对航关材料的作用时，将考虑空间环境对航关材料的物理作用和化学效应。空 因素的选择根据第5章中的主要空间环境因素和次要空间环境因素来确定

6.1.2低地球轨道（包括极轨）环境对航天材料的影响

低地球轨道空间环境对 极区带电效应、南大西洋异常区

6.1.3中地球轨道环境对航天材料的影响

中地球轨道空间环境对航天材料的影响主要包括材料升华、紫外辐射下材料光学性能退化、磁层 子体带电、ERB电子引起的内带电、GCR和SEP引起的辐射损伤、空间碎片引起的表面撞击损伤

地球静止轨道/地球同步轨道环境对航天材料的

地球静止轨道/地球同步轨道空间环境对航天材料的影响主要包括材料升华、紫外辐射下材料光 退化、磁层热等离子体带电、ERB电子引起的内带电、GCR和SEP引起的辐射损伤、空间碎片引走 面撞击损伤。

6.1.5行星际空间环境对航天材料的影响

GB/T41543—2022

行星际空间环境对航天材料的影响主要包括材料升华、紫外辐射下材料的光学性能退化、太阳 引起的溅射、流星体引起的表面撞击损伤

6.1.6近月及月面空间环境对航天材料的影响

近月及月面空间环境对航天材料的影响主要包括材料升华、紫外辐射下材料光学性能退化、太阳风 质子的溅射、GCR和SEP引起的辐射损伤、月表二次粒子和空间碎片表面撞击损伤、月尘引起的表面 污染。

6.1.7近火星及火星表面空间环境对航天材料白

近火星及火星表面空间 下材料光学性能退化、

6.1.8近木星空间环境对航天材料的影响

近木星空间环境对航天材料的影响主要包括GCR和SEP引起的辐射损伤、木星磁层引起的 星体表面撞击

6.1.9近土星空间环境对航天材料的影响

引起的辐射损伤、土星磁层引起的 星体或大的固体颗粒引起的表面撞击

6.1.10近水星及水星表面空间环境对航天材料的影响

星及水星表面空间环境对航天材料的影响主要包括GCR和SEP引起的辐射损伤、水星磁层 电、流星体表面撞击、热循环引起的材料损伤，

近金星及金星表面空间环境对航天材料的影响

包括GCR和SEP引起的辐射损伤、金星磁 的带电、流星体表面撞击、极端温 能退化

6.2航天材料空间环境效应的研究流程

当分析主要空间环境因素和次要空间环境因素对航天材料的效应时，一般使用三种方法，分别为： 航天材料样品的地面实验室实验或试验、理论研究和计算机模拟、空间飞行实验。 以上三种方法密切相关，可以同时使用。图1给出了航天器材料或器件的空间辐射环境效应研究 流程。

GB/T 415432022

航天器材料或器件的空间辐射环境效应研究流程

航天器材料或器件的空间辐射环境效应研究流程如下。 a）需要知道空间辐射的模型和标准（1）、轨道类型和航天器的寿命（2），以及航天器设计、应用的 材料和在轨器件（3）。 b）给出对试验设备的要求、用于空间辐射效应模拟的数学模型和软件工具（4)。 C 选出最合适的实验方法和设备（5）、数学模型和软件工具（7）。空间环境对航天材料影响的数 学模型可使用分析和数值计算的方法来实现。研究航天器与空间环境相互作用的推荐性数学 模型见附录B。 d）对空间环境的特征、航天器内的辐射情况、对不同材料的辐射效应进行同时研究的空间综合 实验（6），需要与实验室试验和数值模拟的结果来一起考虑和分析。 用上述方法获得的数据将用于构建材料和器件在不同空间环境下的退化模型（8），进而用于开 发分析航天器的可靠性和寿命预估的方法（9），以及给出航天器防辐射效应的方法和建议 （10）

6.3航天材料空间环境效应地面模拟试验原则

在开展航天材料空间环境效应地面模拟试验时，在保证空间环境对航天材料影响的物理和化学机 制保持不变和可以获得正确的大量的试验结果的前提下，充分考虑如何提高试验效率、选择合适的带电 粒子能量、可替换的辐射方法等。 在航天材料的地面模拟试验期间，将用到两个主要的方法。第一个方法是对应的空间环境在实验 室设备中的再现，而且没有额外的环境产生。然而，在实验室条件下，完全再现一定的空间环境并在同 一套装置中同步模拟是不可能实现的，主要原因为空间辐射环境是多能谱分布，而且宇宙线的成分是复 杂的。第二个方法是模拟空间环境对航天器的效应。在这种情况下，基于特定的假设和通过研究获得 的材料退化的物理机制，选取一种或几种对航天材料有主要影响作用的空间环境因素来模拟。

在效应模拟这一原则下，加速试验的周期通常短于材料实际在轨的周期，而且，经常使用单能辐射 原或者一定类型的辐射替代源。然而，这种方法要求具有空间环境对航天材料作用机制的物理知识，因 加速试验和替代性模拟的科学有效性不足将导致试验的失败。需要注意的是，航天材料的退化速率 加速倍率之间并不存在一个线性关系。 考虑到影响航天器的空间环境因素的多样性和过程的复杂性，模拟试验通常按照以下原则开展。 a）待试的材料或器件的耐用性受其最薄弱部分限定。 b）在充分考虑航天器的轨道类型和寿命的前提下，通常选取一种（有时是两种或三种)空间环境 因素作为对航天材料的损伤因素。 需要考虑引起材料或设备退化的最重要物理过程。 d 选择用一种环境来替代某特定空间环境的标准。例如，如果在被辐照样品材料中的剂量是随 厚度均匀分布的，那么在材料内部出现的辐射缺陷的类型和密度是相似的。

6.4空间环境模型的应用方法

基于对空间环境和研究方法的物理模型和数学模型来开展航天材料空间环境效应的地面模拟试验 和数值仿真。空间环境模型应用方法见图2。 通过试验方法或理论分析方法等形式将空间环境模型用于航天器空间环境效应研究，其中，很重要 的一点是要利用较全面的探测数据来开发一套公认的空间环境模型，以用于解决所有的航天任务。对 应用问题，则创建一个包括复杂空间环境模型和航天器与空间环境相互作用的数据库专家系统是非常 必要的。对这些专家系统的要求将以技术条目来实现，如轨道参数、任务周期等。高水平的专家系统将 包括通过地球卫星获取的近地空间实时在线数据，例如太阳风速度、行星际磁场、带电粒子通量以及基 于地基观测的地磁场、太阳电磁辐射、中子监测数据等。在这种情况下，专家系统可以实时运行，并能预 测空间环境对航天器的影响，给出相应的防护建议

图2空间环境模型应用方法

GB/T 415432022

材料空间环境效应地面模拟试验参数选择注意

在利用空间环境效应地面模拟试验装置开展航天材料空间环境效应时，需要注意： a 当选择地面模拟试验装置的参数时，需要考虑利用某一特定类型的辐射来替代其他类型的辐 射来开展加速试验的可能性，以及利用单一能量的粒子来替代能谱分布的粒子流等。 b） 充分考虑地面模拟试验可能带来的额外效应，如原子氧源产生的紫外辐射、带电粒子束流对材 料引起的热效应等

7航天材料空间环境效应地面模拟试验要求

7.1航天材料空间环境效应地面模拟试验目的

开展航天材料空间环境效应地面模拟试验的目的是获取航天材料在轨服役期间暴露于空间环境下 的性能变化情况，获取航天材料在轨寿命期间的性能数据。 在开展航天材料的空间环境耐受性评估时，需要考虑： a 航天器寿命任务期间的辐射情况； b） 材料在航天器上的使用位置； c 航天器任务期间，温度对材料的影响； d 对介质材料来说，表面和体充放电行为及防护方法； e） 外露非金属材料和装置在NUV/FUV和AO作用下的光学性能变化情况； 可能存在的不同空间环境的协同效应

7.2航天材料空间环境效应地面模拟试验程房

如果航天材料没有相应的空间环境效应数据，或者数据不充分，则需要对航天材料开展空间环境效 应地面模拟试验。 标准的试验将包括以下内容： a） 材料（试验对象）； 有待评估的定性和定量参数（或指标）； C 材料可通过试验的准则； d 试验顺序、模式和条件； e 允许的偏差值； 计算方法或公式； g） 试验方法； h） 用于试验的测量工具或试验装置； i 试验结果处理方法。 试验的程度由材料的功能性目的和损伤因素的变化和水平决定。在试验中，人们可以分别来模拟 损伤因素，损伤因素的作用可以是顺序的，也可以是几种因素的综合作用，或者几种空间环境的全周期 作用。 试验结果将根据材料的特性变化和使用限制给出使用建议。材料的在轨特性变化将在试验过程中 测试获得。 在客户认可的情况下，材料特性可以在试验前和试验后测试，或者在试验过程中，根据在轨环境的 变化来进行测试。

7.3航天材料的功能分类

航天材料可根据其功能分类如下： a 结构材料； b）绝缘材料； 密封材料； d）黏结材料； e） 涂层材料； f)光学材料； g）隔热材料或防热材料； h）离子交换材料。 有些材料可能具有不同的功能，需要开展的空间环境效应地面模拟试验和方法根据其功能目的来 确定

7.4航天材料NUV辐照地面模拟试验

对航天器外露涂层和光学材料等受太阳辐射的材料需要开展NUV辐照试验。NUV源的光谱范 围为200nm到400nm，并与太阳光谱尽量相似。在辐照试验过程中，样品的光学特性需要在真空腔而 不是移到外面大气状态下测试，即开展原位测试。当样品的光学特性在真空腔外测试（即异位测试）时， 样品在空气中的暴露时间宜尽可能小以避免试验后的氧化效应。样品的光学特性变化与辐照时间相 关。样品的光学性能的预估可由数学模型来计算获得

7.4.2NUV辐照退化机制

NUV辐照将打断聚合物的交联价健。在另一方面，紫外加速了交联。这些过程是由与键能相关 的特定波长的光引起。大多数据聚合物在紫外环境下的光学性能变化是由于颜色的变黑。同时，聚合 物的硬度将增加，进而将变脆。

7.4.3NUV辐照敏感材料

暴露于NUV辐照下的聚合物将受到影响。总注量受航天器的姿态和材料在航天器上的位置决 定。紫外仅仅影响材料的表面。材料内部、多层覆盖或者箱体的内部材料将不受影响。 金属材料不受NUV辐照的影响。但当将表面化学处理或者氧化处理后用于热控时，需要评估材 料的光学性能变化。

7.4.4NUV辐照地面模拟试验的局限性

需要对试验样品冷却以去除NUV灯的热的影响。但样品表面温度可能与冷却板的温度不同 ，宜直接测量参考样品的表面温度。

7.4.5典型NUV辐照试验装置

将样品放置在真空腔内的冷却板上。辐照紫外光通过窗口进入。可较为近似地模拟250nm到 1100nm的太阳光的氙灯被广泛地应用

7.4.6NUV辐照试验参考标准

可参考的试验标准有：

7.5航天材料FUV辐照地面模拟试验

对航天器外露涂层和光学材料等受太阳辐照的材料需要开展紫外辐照试验。FUV源的光谱范围 为10nm到200nm，并与太阳光谱尽量相似。在客户同意的情况下，也可使用FUV线性光谱源。在 辐照试验过程中，样品的光学特性需要在真空腔内而不是移到外面大气状态下测试。光学特性的变化 与辐照时间相关。光学性能的预估可由数学模型来计算获得。

7.5.2FUV辐照退化机制

7.5.3FUV辐照敏感材料

一些材料在FUV辐照试验下将出现与NUV辐照试验相比更大的变化。

7.5.4FUV辐照地面模拟试验的局限性

7.5.5典型FUV辐照试验装置

FUV辐照试验参考标准

7.6航天材料AO侵蚀地面模拟试验

对位于航天器外层的涂层、光学材料、热绝缘材料、热防护材料、非金属材料，需要开展AO试验 AO辐照退化机制 由于化学侵蚀，高速原子氧轰击将引起材料的质量损失

7.6.2AO辐照退化机制

化学侵蚀，高速原子氧轰击将引起材料的质量损

7.6.3AO敏感材料

直接暴露在原子氧辐照环境下的聚合物材料将受到影响。航天器由于其高速运行而与AO相撞 击，迎风面将受到最大的AO注量，AO也可以从表面反射。AO只影响材料的表面。位于航天器内部 的材料、多层（MIL)覆盖或者箱体内部的材料将不受AO的影响。然而，经MLI边缘或侵蚀的孔洞 AO可经多次反射并进入覆盖区域。材料的暴露区域、多层的边缘或者孔洞附近将被AO侵蚀。 由于可能很快被氧化，银和不可用于暴露的AO辐照的位置。其他材料不受影响。

7.6.4A0辐照地面模拟试验的局限性

GB/T415432022

试验样品应被冷却以去除AO源的热效应。 微波解离原子氧或激光解离原子氧装置将产生UV 光副产物。AO侵蚀产生的金属污染也可能产生。等离子体中性化不能再现在轨状态如AO束流或速 度。辐照状态对材料退化的影响将被评估。对长期在轨飞行的模拟试验时间由加速倍率来确定。

7.6.5典型AO辐照试验装置

微波或激光解离型装置可模拟LEO轨道8km/s的航关器的AO辐照。等离子体中性化方法是 使用更简单的装置来近似模拟AO辐照

7.6.6A0辐照试验参考标准

所有位手航天器外表面 达到80℃、对航大器光敏感表面或者电子学器件是一个潜 源的非金属聚合物材料均需要开展出气试验。

7.7.2出气退化机制

在真空环境下，聚合物材料表面吸附的分子或者挥发性分子将被释放出来。高温将加速这些 释放。

7.7.3出气敏感材料

每一种聚合物都将释放气体。总体上，较软的、低熔点和低限制温度的聚合物释放气体更多。 的温度下，材料将释放更多的气体

7.7.4出气地面模拟试验的局限性

出气试验目给出在热 失情况，试验口参照GB3 开展。但通过这些试验获取的数据关 对不同的样品温度或者加热时 包是可以的

7.7.5典型出气试验装置

7.7.6出气试验参考标准

可参考的试验标准有： a) GB/T 34517; b)ASTME595:

GB/T41543—2022

7.8航天材料热循环地面模拟试验

7.8.2热循环退化机制

对两个粘合在一起的热膨胀系数不同的材料，热应力将引起变形、剥落。 当温度高于其玻璃转换点温度时，材料将发生软化。

7.8.3热循环敏感材料

用于低温或高温临界点附近的聚合物材料。 力学夹紧材料或者黏结材料。在设计中，两种热膨胀系数相差较大的材料不宜连接。

7.8.4热循环地面模拟试验的局限性

尽管可以快速实现温度改变，但热冲击试验并不适合在真空下执行。 由于受变温速率的限制，具有多循环周期的热真空试验往往需要较长的时间

1.8.5典型热循环试验装

典型热循环试验装置主要分为热冲击试验装置和热真空试验装置。 a）热冲击试验装置 热冲击试验装置具有极冷和极热两个腔。试验样品在两个腔之间转换。快速的温度变化可以 实现较短的循环时间和较多的循环周期。试验可以在大气压力下开展。一些材料可能发生氧 化效应。 b） 热真空试验装置 将样品放人真空腔中，利用太阳模拟器、红外（IR)板、IR灯或笼等热源对样品进行加热，利用 冷板或冷环对样品进行制冷。 由于辐射是主要的传热方式，温度变化速率将受到限制

7.8.6热循环试验参考标准

7.9航天材料辐射效应地面模拟试验

ERB的电离辐射主要是电子和质子，能量范围从数百eV到数百MeV。由于具有不同的穿透性和

ERB的电离辐射主要是电子和质子，能量范围从数百eV到数百MeV。由于具有不同的穿透性

7.9.2辐射效应退化机制

辐射将打断聚合物中的价健。在另一方面，辐射加速价健的交联。这些过程可引起组分的解离、脆 化、变黄、电性能的变化和力学性能的退化等。 电线绝缘层的退化将降低材料的击穿电压。主要退化机制与材料的类型、LET值、射线的类型等 相关。 除热控材料外，大多数聚合物将不表现出或者表现出轻微的热光性能变化，然而，辐射也会加速由 UV引起的热光性能的改变。

7.9.3辐射敏感材料

7.9.4辐射效应地面模拟试验的局限性

能够开展离子辐照试验的装置较少。经常使用电子束辐照来代替其他离子。试验样品应被冷 除来自于辐射离子的热效应。典型试验装置应能提供较大的加速倍率，而材料退化与束流间的 尚待研究。

7.9.5典型辐射效应地面模拟试验装置

典型试验装置包括： a）电子束：电子加速器； b）质子束：回旋加速器，串列加速器； c）射线：5°Co源； d）重离子； e）串列加速器（重离子由于较小的注量从而不是材料性能退化的主要因素）

7.9.6辐射效应地面模拟试验参考标准

探伤标准7.10航天材料空间碎片或微流星体撞击试验

对位于航天器外面的热控涂层和光学材料需要开展空间碎片与微流屋体撞击试验，试验方法参照

GB/T 415432022

ISO11227相关规定，

试验、检测与鉴定间碎片或微流星体撞击退

空间碎片或微流星体将对航天材料产生高速撞击。主要参数包括撞击速度、喷溅物、材料强度、热 电容、厚度、多层结构等

7.10.3高速撞击敏感材料