GB/T 40519-2021 航天器原子氧防护设计要求

　　ICS 49 . 020 CCS V 70

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40519—2021

　　航天器原子氧防护设计要求

　　Designrequirementsforatomicoxygenprotectionofspacecraft

　　2021-08-20 发布 2022-03-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40519—202 1

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC 425)提出并归口 。

　　本文件起草单位：北京卫星环境工程研究所、北京空间飞行器总体设计部、山东新诺新材料有限公司、中国空间技术研究院、中国航天标准化研究所。

　　本文件主要起草人：李涛、姜海富、蔡震波、刘国 青、姜 利 祥、曲 少 杰、郑 慧 奇、焦 子 龙、唐 振 宇、刘向鹏、翟睿琼、吴显鹏、郑文霞、许冬彦。

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　　航天器原子氧防护设计要求

　　1 范围

　　本文件规定了航天器原子氧防护设计的一般要求、设计流程和工作说明。

　　本文件适用于航天器原子氧氧化剥蚀效应的防护设计。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中，注 日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 32452 航天器空间环境术语

　　3 术语和定义

　　GB/T 32452 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　原子氧效应 atomicoxygeneffect

　　在原子氧环境中，材料和结构性能的变化。

　　3.2

　　原子氧入射攻角 atomicoxygenincidenceangle

　　原子氧入射方向与结构物体表面法线之间的夹角。

　　3.3

　　迎风面 windwardside

　　空间残余大气入射方向与表面法线之间夹角介于 ±90°之间的表面。

　　4 -般设计要求

　　4 . 1 基本原则

　　4 . 1 . 1 全面性原则

　　原子氧防护设计应全面覆盖航天器对原子氧环境敏感的外露产品及所属材料，材料应在寿命期内满足轨道原子氧剥蚀及电学、力学、光学、热学等功能要求。

　　4 . 1 . 2 分层级原则

　　航天器研制全过程中，应从系统、分系统/设备(如太阳电池阵、热控组件等)、材料三个层级开展原子氧防护设计。

　　4 . 1 . 3 经济性原则

　　原子氧防护设计应考虑经济成本，避免过度设计，降低防护成本。

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　　4 . 1 . 4 继承性原则

　　原子氧防护设计应尽量延用已有材料类别、性能数据。

　　4 . 2 环境分析

　　环境分析要求如下：

　　a) 一般包括航天器原子氧环境初步分析与航天器原子氧环境详细分析两个部分;

　　b ) 航天器原子氧环境初步分析应给出原子氧数密度 Ν 值以及不考虑航天器构型情况下原子氧积分通量φ 的估算值;

　　c) 航天器原子氧环境详细分析应给出原子氧数密度 Ν 值以及考虑航天器构型情况下原子氧积分通量φ 的三维分析值。

　　4 . 3 防护设计

　　防护设计要求如下：

　　a) 航天器系统设计时应考虑原子氧的影响，将敏感表面和光学表面尽量远离迎风面;

　　b ) 外露分系统/设备应根据原子氧积分通量分析结果，选择具有足够抗原子氧剥蚀能力的外表面材料;

　　c) 当无法确定材料经原子氧剥蚀之后的功能和性能是否满足要求时，应通过原子氧试验予以确认。

　　4 . 4 验证试验

　　验证试验要求如下：

　　a) 原子氧防护设计验证试验应在不高于 10 - 2 Pa 的试验压力下进行;

　　b ) 一般采用定向束流式原子氧设备;

　　c) 试验样品温度应可测，且不超过 80 ℃ ;

　　d) 试验中样品安装应有专用夹具，避免造成样品损坏;

　　e) 其他要求应按照相关专用技术文件的规定。

　　5 设计流程

　　航天器原子氧防护设计工作流程如图 1 所示，分为系统、分系统/设备与材料三个层级，在方案阶段、初样阶段、正样阶段开展工作。

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　　图 1 航天器原子氧防护设计流程

　　6 详细设计要求

　　6 . 1 任务分析

　　6 . 1 . 1 工作目的

　　分析航天器原子氧防护设计的输入条件。

　　6 . 1 . 2 工作输入

　　航天器总体方案报告。

　　6 . 1 . 3 工作内容

　　根据航天器总体方案报告，获取输入条件，为航天器原子氧环境初步分析提供依据。

　　6 . 1 . 4 工作输出

　　航天器任务参数，包括轨道高度、轨道倾角、发射时间、在轨时间、飞行姿态等。

　　6 . 2 原子氧环境初步分析

　　6 . 2 . 1 工作目的

　　分析航天器外表面原子氧积分通量 φ 值，为制定防护设计要求提供输入。

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　　6 . 2 . 2 工作输入

　　航天器任务参数。

　　6 . 2 . 3 工作内容

　　6 . 2 . 3 . 1 原子氧数密度分析

　　根据航天器任务参数，按照大气环境模型分析航天器寿命周期内原子氧数密度 Ν 的变化。

　　6 . 2 . 3 . 2 原子氧积分通量估算

　　原子氧积分通量估算值按照公式(1)计算。

　　φ = N狏tcosθ ……………………( 1 )

　　式中：

　　φ —原子氧积分通量，单位为氧原子每平方厘米(atoms/cm2 ) ;

　　N—原子氧数密度，单位为氧原子每立方米(atoms/m3 ) ;

　　狏 —航天器速度，单位为千米每秒(km/s) ;

　　t —航天器在轨运行时间，单位为秒(s) ;

　　θ —原子氧入射攻角，单位为度(°) 。

　　6 . 2 . 4 工作输出

　　航天器原子氧环境初步分析结果，包括 Ν 以及φ 值 。

　　6 . 3 防护设计要求制定

　　6 . 3 . 1 工作目的

　　识别方案阶段原子氧环境风险，为分系统/设备原子氧防护设计提供输入。

　　6 . 3 . 2 工作输入

　　航天器总体方案报告、航天器原子氧环境初步分析结果。

　　6 . 3 . 3 工作内容

　　制定原子氧防护设计要求。

　　6 . 3 . 4 工作输出

　　航天器原子氧防护设计要求。

　　6 . 4 分系统/设备原子氧防护设计

　　6 . 4 . 1 工作目的

　　识别分系统/设备层面原子氧环境风险，指导材料初步筛选。

　　6 . 4 . 2 工作输入

　　航天器原子氧防护设计要求。

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　　6 . 4 . 3 工作内容

　　原子氧效应防护设计包括以下内容：

　　a) 确认防护设计指标;

　　b ) 在满足指标要求的情况下优先选用原子氧剥蚀率较低的表面材料。 当需要选用原子氧剥蚀

　　率较高的表面材料时，应在材料厚度设计时增加余量，或采取多层的方式。

　　6 . 4 . 4 工作输出

　　分系统/设备原子氧防护设计方案。

　　6 . 5 材料筛选

　　6 . 5 . 1 工作目的

　　确定选材类型。

　　6 . 5 . 2 工作输入

　　方案阶段分系统/设备原子氧防护设计方案。

　　6 . 5 . 3 工作内容

　　根据空间材料手册、飞行经验等选取材料。

　　6 . 5 . 4 工作输出

　　材料类型。

　　6 . 6 原子氧环境详细分析

　　6 . 6 . 1 工作目的

　　分析航天器外表面 φ 值，为试验验证要求制定提供输入。

　　6 . 6 . 2 工作输入

　　航天器任务参数。

　　6 . 6 . 3 工作内容

　　6 . 6 . 3 . 1 原子氧数密度分析

　　按照 6 . 2 . 3 . 1 的规定 。

　　6 . 6 . 3 . 2 原子氧积分通量三维分析

　　根据航天器任务参数、航天器构型，采用专用软件分析航天器外表面原子氧积分通量三维分布，并根据任务时长，给出服役周期内最严酷情况下累积的 φ 值 。

　　6 . 6 . 4 工作输出

　　航天器原子氧环境详细分析结果，包括 Ν 以及φ 值 。

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　　6 . 7 试验验证要求制定

　　6 . 7 . 1 工作目的

　　识别初样原子氧环境风险，为分系统/设备原子氧防护设计复核/再设计提供输入。

　　6 . 7 . 2 工作输入

　　材料类型、航天器原子氧环境详细分析结果。

　　6 . 7 . 3 工作内容

　　确定验证试验要求，包括试验参数、测试性能等。

　　6 . 7 . 4 工作输出

　　航天器原子氧试验验证要求。

　　6 . 8 分系统/设备原子氧防护设计复核/再设计

　　6 . 8 . 1 工作目的

　　在分系统/设备层面识别原子氧环境风险，指导材料选型及验证试验工作。

　　6 . 8 . 2 工作输入

　　分系统/设备原子氧防护设计方案、航天器原子氧试验验证要求。

　　6 . 8 . 3 工作内容

　　分系统/设备原子氧防护设计复核/再设计包括以下内容：

　　a) 初样阶段航天器技术状态无变化，应对分系统/设备原子氧防护设计方案进行复核、确认。

　　b ) 初样阶段航天器技术状态有变化，应按照 6 . 4 . 3 的要求，进行分系统/设备原子氧防护再设计工作。

　　6 . 8 . 4 工作输出

　　分系统/设备原子氧防护设计复核/再设计结果。

　　6 . 9 材料方案制定

　　6 . 9 . 1 工作目的

　　制定材料选用方案，满足分系统/设备原子氧防护设计要求。

　　6 . 9 . 2 工作输入

　　分系统/设备原子氧防护设计复核/再设计结果、航天器原子氧试验验证要求。

　　6 . 9 . 3 工作内容

　　确定选用材料名称、型号、指标等要求。

　　6 . 9 . 4 工作输出

　　材料选用方案。

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　　6 . 10 材料验证试验

　　6 . 10 . 1 工作目的

　　验证材料抗原子氧性能指标是否满足设计要求。

　　6 . 10 . 2 工作输入

　　分系统/设备原子氧防护设计复核/再设计结果、航天器原子氧试验验证要求。

　　6 . 10 . 3 工作内容

　　材料验证试验包括以下内容：

　　a) 分系统/设备研制单位根据分系统/设备原子氧防护设计选材类型及试验验证要求制定验证试验大纲/任务书;

　　b ) 试验承担方应依据分系统/设备研制单位下达的试验大纲/任务书制定试验实施方案;

　　c) 试验承担方负责试验实施，并在试验完成后提供试验证明书及试验报告;

　　d) 根据试验报告确定材料抗原子氧效应能力，在所有被试材料样品中，以抗原子氧辐照能力平均值作为该材料抗原子氧效应能力值。

　　6 . 10 . 4 工作输出

　　原子氧防护设计验证试验报告。 一般包括任务来源及背景、试验 目 的及要求、试验设备及方法、试验实施、试验数据、试验结果及分析、试验结论等。

　　6 . 1 1 防护设计状态确定

　　6 . 1 1 . 1 工作目的

　　确认分系统/设备原子氧防护设计是否满足要求。

　　6 . 1 1 . 2 工作输入

　　航天器原子氧试验验证要求、分系统/设备原子氧防护设计复核/再设计结果、材料选用方案、原子氧防护设计验证试验报告。

　　6 . 1 1 . 3 工作内容

　　分系统/设备研制单位根据材料选用方案、原子氧防护设计验证试验报告对防护设计技术状态进行确认。

　　6 . 1 1 . 4 工作输出

　　分系统/设备原子氧防护设计技术状态确认结果。

　　6 . 12 防护设计复查/确认

　　6 . 12 . 1 工作目的

　　复查/确认原子氧防护设计流程中相关事项的完成情况正确性。

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　　6 . 12 . 2 工作输入

　　航天器原子氧环境详细分析结果、航天器原子氧试验验证要求、分系统/设备原子氧防护设计复核/再设计结果、材料选用方案、原子氧防护设计验证试验报告、分系统/设备原子氧防护设计技术状态确认结果。

　　6 . 12 . 3 工作内容

　　对分系统/设备原子氧防护设计流程工作情况进行复查，重点复查是否考虑并满足轨道空间环境要求，其次是发现/识别其在方案、初样以及正样基础上的技术状态变化是否带来原子氧环境效应的改变。

　　6 . 12 . 4 工作输出

　　原子氧防护设计复查/确认结果。