航天器材料辐照试验：原子氧与紫外协同侵蚀及姿态效应

LEO环境对航天器外露材料的考核贯穿整个任务周期。空间环境模拟要同时控住通量、光谱与姿态。少一个变量，地面数据就无法外推。原子氧侵蚀与紫外辐射叠加，损伤累积得比任一单项都快。

在约200～800 km的LEO环境里，短于243 nm的紫外辐射足以打断氧分子双键，残余大气因此被光解出原子氧。航天器以约8 km/s掠过，撞击能量足以引发表面反应。

碳/碳复合材料（C/C）热膨胀系数低，高温下化学性质稳定，常用于热防护与喷管喉衬。碳/碳复合材料原子氧侵蚀试验要回答的是：耐住再入热冲击，能否同时耐住原子氧。紫外辐射还会推动表面降解，单一试验难还原长期风险。紫创测控LuminBox多功能综合空间环境模拟装置的切入口，是温度、真空、通量与累积剂量都能对上任务口径，地面数据才能与轨道实际暴露对比。

空间环境试验需要控制光源与通量

原子氧由OS-Prey射频等离子体源产生。真空环境模拟要把舱压维持在10^-3 Pa量级，13.56 MHz射频把氧气解离，中性粒子占99%，其中原子氧约60%、氧分子约40%。

紫外一侧的汞氙灯紫外辐照，谱段覆盖200～600 nm连续谱，峰值365 nm。灯头距样品30 mm、出光口20 mm时强度410 mW/cm²，按AM0的1361 W/m²折算约合3个太阳常数。

试样取自商用C/C板材，水刀切割成3 cm×6 cm、厚约4 mm的薄片。样品架绕轴旋转，设0°至60°五个倾角，每角度3件，单次暴露约11 h。

0°、15°、30°、45°、60° 五个迎角下 CC 样品的受照状态样品随支架绕轴旋转，同一批试样按迎角分组暴露

原子氧注量与通量不用理论换算，改用参考样品反标：正面入射下累计注量约7.6×10^19 n.at./cm²。

温度是这套装置的副产物。原子氧与UV辐射同开，两小时内升到100 ℃，之后趋近105 ℃。真空环境模拟里这一步常被忽略，它决定表面反应的速率上限。

AtOxUV 联合试验中环境温度随暴露时间的变化。约两小时后升至 100 ℃，此后趋于平稳；红线为 11 h 暴露的最高值 105 ℃

上述参数划定结论边界。空间环境模拟里，紫外段可用光谱匹配的太阳光模拟器复现；空间环境试验的另一半原子氧，只能靠等离子体源或离子束。

原子氧地面模拟中姿态角的影响

每组样品暴露前后各称重一次，配合实测暴露面积，得到质量损失与侵蚀产额。

姿态角	质量损失（g）	侵蚀产额（cm³/n.at.）
0°	0.01215	9.694 x 10^-24
15°	0.01188	9.650 x 10^-24
30°	0.01064	9.535 x 10^-24
45°	0.00924	7.162 x 10^-24
60°	0.00540	3.047 x 10^-24

正面入射时侵蚀产额9.69×10^-24 cm³/n.at.，60°倾角只剩3.05×10^-24，降幅接近七成；质量损失从0.01215 g减到0.00540 g。

实测值在45°之后掉得比余弦曲线更陡。原子氧注量与通量按cosα衰减只是一部分，法向分量减小、切向增大，动量传递效率变差。空间环境模拟只按几何修正，高倾角区会高估损伤。

不同迎角下 CC 样品的侵蚀速率：实测值与三条模型曲线的对比

半经验模型解释原子氧与UV辐射耦合

把两个效应写进同一个式子：

EY(α) = EY(0°) × cos²(α) × (1 + k_UV × sin(α))

α是表面法线与来流方向的夹角，k_UV为紫外耦合系数，拟合实测点取0.5。原子氧地面模拟里可控的就是这个夹角。

航天器外表面与原子氧来流的方向关系，α 为表面法线与来流方向的夹角；左侧为在轨曲面，右侧为平板试样，n 为表面法线

cos²(α)对应通量衰减与倾斜撞击的叠加，sin(α)项描述UV辐射的增强。本装置紫外束与原子氧束接近垂直，倾角越大表面接收越多。k_UV=0.5只对本套几何成立。

这解释了地面与在轨数据为何常差一个量级。航天系统测试里样品姿态固定、紫外辐射按正面标定，飞行中姿态随轨道周期变化。同一材料在轨侵蚀可能比地面值高五成，或被高估。

航天器材料老化取决于姿态与涂层

按厚度损失30%作为预警线，正面受照时侵蚀深度累积到该阈值不到两个月；靠姿态设计避开迎风面，同一结构可支撑一年以上。

这个对比说明姿态在航天器材料老化评估中的权重，也说明它不能搬去做别的型号的寿命承诺。换材料、换轨道，侵蚀速率与安全裕度都要重算。

该试验结论很直接：商用C/C撑不住长期LEO任务，需做表面抗氧化强化。防护目标是把侵蚀产额压到10^-24～10^-25 cm³/n.at.量级，比未处理样品低一到两个数量级。

落到设计上，涂层完整性、原子氧通量与在轨姿态要一起算。空间环境模拟能把三者的组合提前跑一遍，但通量、光谱、入射角任一项偏离，外推都会失真。

航天系统测试设备应按需求选型

原子氧的复现靠等离子体或离子束，核心是高能中性原子流。UV辐射设备只需覆盖200～400 nm、强度几个太阳常数，考核光化学降解。空间环境模拟还要看光谱匹配、辐照均匀性与准直角。

三者观测对象不同：原子氧看质量损失和产额，汞氙灯紫外辐照考的是化学键断裂与形貌，太阳光模拟器服务需要全光谱或可调入射角的场合。航天系统测试里没有设备能全包。

空间环境试验把姿态变成可量化的系数。地面数据能否外推，取决于真空环境模拟的条件是否对着真实轨道。LEO环境里通量、光谱、入射角，三项都得对上。

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Luminbox紫创测控多功能综合空间环境模拟装置为小型行星环境综合模拟装置，可综合模拟行星表面大气成分、压强、温度以及电子、质子、紫外辐射等环境，为空间科学、行星探测、材料与器件可靠性评估提供高精度环境模拟试验条件

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1. 超高真空环境模拟：极限真空度≤5×10⁻⁴Pa，可有效模拟行星表面极低气压环境，为真空电子辐照、真空质子辐照及真空紫外辐照试验提供稳定基础条件。
2. 宽域温控与动态热循环：温度控制范围-100℃~+150℃，覆盖行星表面极端低温至高温工况，支持高低温动态切换与热循环试验。
3. 全波段紫外辐照模拟：紫外波长范围115nm~400nm，覆盖真空紫外至近紫外波段，可模拟行星表面强紫外辐照环境。
4. 多功能综合辐照测试：支持真空-电子辐照、真空-质子辐照、真空紫外辐照以及多因素综合辐照试验，同时可开展大气、材料、微生物等物化反应试验。

紫创测控LuminBox多功能综合空间环境箱以高精度环境模拟与多功能集成设计，将行星大气、温度、粒子辐射与紫外辐照等环境要素集成于一体化平台，可有效缩短从基础研究到工程应用的验证周期。该设备广泛服务于空间环境模拟、辐射生物学、行星探测等领域，为航天器材料、电子器件及生命保障系统的空间环境适应性评估提供可靠的“地面行星环境”模拟条件。

原文参考：Delfini A, Pastore R, Albano M, et al. Synergistic Effects of Atomic Oxygen and UV Radiation on Carbon/Carbon Plates at Different Attitude Positions[J]. Applied Sciences, 2024, 14(13): 5850. DOI: 10.3390/app14135850.

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