原子氧

原子氧是太陽光中紫外光線與氧分子相互作用並使其分解而形成的。原子氧與航天器發生相互作用可以引起航天器結構材料的剝蝕老化，損害航天器熱控塗層嚴重危害航天器的可靠運行。

載人航天器的運行軌道處於低地球軌道（LowEarthOrbit，LEO，200-600km）。這一區域氣體壓力為10- 大氣壓，組成主要有N、O、Ar、He、H及高活性的原子氧（AtomicOxygen，AO）等，其中AO約為80%。作為LEO環境中含量最高的粒子，原子氧是氧分子在太陽輻射的光致分解作用下形成的。由於兩個遊離態的原子氧再複合形成一個氧分子，需要有第三種粒子的參與，以帶走複合時釋放的能量，而在LEO環境中，總壓很低，處於高真空狀態，原子氧與第三種粒子發生碰撞的幾率很小，原子氧複合的概率就很小，因此LEO環境中原子氧的濃度比較高。此外，原子氧的濃度還會受到太陽活動周期、地球磁場強度、軌道高度、季節和晝夜等因素的影響。

大量空間飛行實驗及地面模擬試驗的結果表明，原子氧對航天器表面的高溫氧化、高速撞擊會使大部分有機材料受到嚴重侵蝕，產生質量損失、厚度損失，光學、熱學、電學及機械參數退化，造成結構材料強度下降、功能材料性能變壞；原子氧氧化侵蝕過程還會造成航天器敏感表面的污染。以上效應會導致航天器性能下降、壽命縮短、系統設計目標失敗，對航天器長壽命、高可靠帶來嚴重威脅。

大部分聚合物材料對原子氧環境敏感。不同聚合物材料的原子氧反應率與其結構有很大關係：大分子和高芳香族結構的聚合物反應慢，高分子和乙醚結構的聚合物反應快，氟化聚合物的反應率低。

含有C、H、O、N、S的聚合物材料與原子氧相互作用后，其分子鍵斷裂，生成CO、CO、水蒸氣等氣相揮發物，造成材料質量、厚度損失，物理和化學性質發生變化。這些聚合物材料的原子氧反應率大致相同，在2×10 ∼4×10 cm /AO左右。

原子氧撞擊材料表面時會發生多種物理化學過程，但對不同材料起決定作用的過程不同，造成原子氧侵蝕機理也不同。原子氧與聚合物的最基本的反應機理如下：

a.提取——AO從聚合物分子中拉出一個H原子或C原子；

b.添加——AO化合進入聚合物單體分子中；

c.置換——AO從聚合物中拉出一個原子的同時立即化合進去；

d.析出——AO作用下，分子析出未成對電子的H原子；

e.嵌入——AO射入兩個相鄰的原子（如C、H）之間。

原子氧防護技術研究主要集中在研究抗原子氧侵蝕新材料及防原子氧塗層兩方面。

（1）抗原子氧材料

研究表明，聚合物經過氟化處理、添加Si成分可以提高抗原子氧侵蝕的能力，例如：純氟化聚苯乙烯、環狀氟化聚苯乙烯、鏈狀氟化聚苯乙烯、過氟化聚苯乙烯等氟化聚合物，聚硅氧烷-聚醯亞胺等。

（2）原子氧防護塗層

研究表明大部分金屬氧化物塗層都具有一定的原子氧防護能力，以SiO、AlO性能最好，是國內外應用最普遍的防護塗層。一種使用有效的防護塗層必須經得起極惡劣的空間環境的考驗，還要完全滿足航天器設計的苛刻要求。其主要性能必須滿足以下條件：

a.能長期抵抗原子氧高溫氧化、高速碰撞產生的侵蝕；

b.柔韌，耐磨蝕；

c.抗紫外輻照及其他空間環境的損傷退化，而且不改變基底材料的光學和熱學性能；

d.質地輕薄，附著力強；

e.航天器設計的其他特殊要求。

低地球軌道的原子氧化學性能非常活潑，能使金屬銅氧化。XRD（X射線衍射）、XPS（X射線光電子譜）分析結果表明：原子氧作用后，銅的表面生成了氧化銅和氧化亞銅，從而使銅的導電性能、光學性能、焊接性能和結構強度下降。銅與原子氧的氧化反應與溫度有關，隨著反應溫度的增加，反應更加容易。地面試驗結果表明：生成的氧化銅或氧化亞銅在原子氧撞擊作用下，從試樣表面脫落，並沉積到其他試樣的表面，從而對其他表面產生較為嚴重的污染。該結果可為在軌航天器污染控制提供參考。