Ar tiksliai plyšinė auksu lakuota folija gali užkirsti kelią atominei deguonies erozijai žemos Žemės orbitos erdvėlaiviuose?

Žemosios Žemės orbitoje (LEO, 200–1000 km ) veikiantys erdvėlaiviai susiduria su išskirtinai atšiauria kosmoso aplinka. Šiuose aukščiuose dominuojanti atmosferos rūšis – atominis deguonis ( AO ) – susidaro fotodisociuojant molekuliniam deguoniui ( O₂ ), veikiant intensyviai saulės ultravioletinei spinduliuotei. Erdvėlaiviai, skriejantys dideliu greičiu ( ~ 7,8 km/s ), patiria didelės energijos poveikį ( ~ 4,5 eV - 5,0 eV ) iš šių reaktyviųjų deguonies radikalų.

Neapsaugoti polimerai, šiluminės antklodės ir anglies kompozitai patiria greitą stiprią cheminę eroziją, medžiagų masės praradimą, paviršiaus šiurkštėjimą ir optinį degradavimą, kai ilgą laiką bombarduoja AO. Tiksliai plyšta auksu lakuota folija – derinant didelio grynumo aliuminio arba Kapton/poliimido substratus su kosminės klasės, silikono neturinčiomis aukso fluoropolimero dangomis arba fiziniais garais padengtais (PVD) aukso/silicio dioksido nanosluoksniais – sukuriamas nepralaidus atominis deguonies skydas. Jis veiksmingai blokuoja kryptingą AO eroziją, priešinasi saulės UV degradacijai ir užtikrina stabilų šiluminį spinduliavimą bei saulės sugertį ilgų kosminių misijų metu.

Hipergreičio cheminės erozijos mechanizmas LEO

Esant orbitos greičiams ( ~ 7,8 km/s ), atominis deguonis paveikia erdvėlaivių paviršius, nukreiptus į aviną, turėdamas pakankamai kinetinės energijos, kad nutrūktų organiniai cheminiai ryšiai:

Polimero skilimo greitis: standartiniai poliimidai (Kapton) ir epoksidiniai kompozitai eroduoja iki 3,0 × 10⁻⊃2;⁴ cm³/atomo greičiu, todėl smarkiai išplonėja struktūra ir atsiranda mechaninis gedimas.

Atominės deguonies reakcijos efektyvumas (Eᵧ): matuoja medžiagos tūrį, prarastą vienam deguonies atomui. Medžiagos, skirtos ilgalaikėms LEO misijoms, turi pasiekti Eᵧ artėjantį prie nulio.

Aukso lako apsauginė chemija

Auksas iš esmės yra inertiškas atominei deguonies reakcijai, nes jo oksidacijos entalpija yra labai nepalanki LEO energijos būsenose:

Inertinio metalo paviršiaus matrica: Aukso atomai (Au) lengvai nesudaro stabilių lakiųjų oksidų, veikiant 5 eV AO poveikiui, išlaikant paviršiaus tankį ir struktūrinę masę.

Kryžminė erdvės klasės lako matrica: didelio grynumo aukso pigmentai, įterpti į silikono neturinčius, mažai dujų išskiriančius fluoropolimero arba poliimido dervos nešiklius, sudaro tankų barjerą, kuris blokuoja apatinius aliuminio arba polimero pagrindus nuo cheminio poveikio.

Techninio patvirtinimo ir veikimo standartai

Toliau pateiktoje našumo matricoje pateikiami pagrindiniai skrydžio į kosmosą kvalifikaciniai standartai, taikomi tiksliai supjaustytai auksu lakuotai erdvėlaivio folijai:

Pagrindiniai profesionalūs aviacijos ir erdvės inžinerijos pranašumai

DUK

1 klausimas: kodėl atominis deguonis taip naikina erdvėlaivių medžiagas LEO?

A: Atominis deguonis susidaro, kai UV spinduliuotė suardo O ₂ molekules. Esant LEO orbitos greičiui ( ~ 7,8 km/s ), AO veikia erdvėlaivių paviršius 5 eV  kinetine energija, nutraukia organines chemines jungtis ir greitai ardo neapsaugotus polimerus, anglies pluoštą ir dažus.

2 klausimas: kaip auksu lakuota folija apsaugo nuo atominės deguonies erozijos, palyginti su standartiniu Kapton?

A: Auksas yra chemiškai inertiškas ir nereaguoja su didelės energijos deguonies atomais. Nors standartinis Kaptonas greitai erozuoja veikiant AO, aukso lako danga veikia kaip nepralaidi barjera, visiškai užkertanti kelią AO sąlyčiui su pagrindine medžiaga.

3 klausimas: kuo naudinga tiksliai pjaustoma auksu lakuota folija erdvėlaivių gamybai?

A: Tiksliai išpjauti siauri pločiai ( 3–50 mm ) su švariais kraštais be įbrėžimų leidžia automatiškai, nesiglamžyti spirale apvynioti sudėtingas lenktas formas, laidų pynimus ir terminius vamzdžius, neišskirdami metalinių dulkių dalelių optinėse švariose patalpose.

4 klausimas: ar auksu lakuota folija atitinka NASA ir ESA vakuuminio išmetimo reikalavimus?

A: Taip. Kosminiams auksiniams lakams naudojama specializuota mažai dujų išsiskirianti polimerų chemija, kietinama aukštoje temperatūroje, lengvai įveikianti ASTM E595 etalonus, kurių bendras masės nuostolis ( TML ) yra gerokai mažesnis nei 1,0 %  , o surinkta lakioji kondensacinė medžiaga ( CVCM ) – mažesnė nei 0,10 % ..

5 klausimas: ar auksu lakuota folija gali atlaikyti ekstremalų terminį LEO orbitų ciklą?

A: Taip. LEO erdvėlaiviai patiria greitus temperatūros svyravimus (nuo -120°C  užtemimo metu iki +120°C saulės šviesoje kas 90 minučių). Didelis sukibimo stiprumas ir suderintas šiluminis lako matricos plėtimasis apsaugo nuo mikro įtrūkimų, pleiskanų ar lupimosi po terminio šoko.

Išvada

Tiksliai plyšta auksu lakuota folija yra išskirtinai efektyvus, skrydžio metu patikrintas medžiagos sprendimas, skirtas užkirsti kelią atominei deguonies erozijai ir valdyti žemos Žemės orbitos erdvėlaivių šiluminę kontrolę.

Norėdami optimizuoti erdvėlaivio šiluminės apsaugos medžiagų pasirinkimą:

Nurodykite tinkamus naudoti kosmose standartus ( ASTM E595 / ASTM E2089): įpareigoti sertifikuoti antžeminio AO spindulio poveikio duomenis ir mažo išmetamųjų dujų kiekio bandymus (TML < 1,0 %, CVCM < 0,10 %).

Pasirinkite tinkamą pagrindo šerdį: rinkitės didelio grynumo aliuminio foliją, kad pasiektumėte maksimalų šilumos laidumą, arba poliimido plėvelę, kai reikia didelės dielektrinės skilimo įtampos ir atsparumo plyšimui.

Užtikrinkite tikslią briaunų pjaustymo kokybę: reikalaujama, kad švarioje patalpoje nebūtų šlyties pjūvių, kad būtų pašalintos įtrūkimai ir dalelių išsiliejimas, galintis užteršti jautrią palydovinę optiką arba saulės energijos matricas.