Kapton/Al薄膜在微小空间碎片冲击下的物理化学特性研究

Kapton/Al薄膜是航天器隔热毯的常用结构，其热辐射光学性质决定航天器整体温度水平。空间微小碎片是影响航天器寿命与可靠性的重要空间环境因素。微小空间碎片的冲击，使Kapton/Al薄膜受到剥蚀，产生质量损失，同时导致Kapton层和Al层之间的分离，使其光学性能退化。空间碎片冲击产生的高温高压状态，也将使Kapton发生热分解等化学变化和Al熔化和汽化等物理变化，导致质量进一步流失和表面粗糙度增加。本项目通过实验手段获得Kapton的动力学和热物理性质；建立Kapton材料的高压物态方程和热分解动力学模型；通过数值模拟，获得空间碎片冲击下Kapton/Al薄膜的物理、化学响应特性，分析弹坑、Kapton和Al膜分离面积、表面污染面积等对薄膜热辐射光学性质的影响；结合空间碎片与航天器碰撞几率模型，采用试验设计分析技术对多次冲击下Kapton/Al薄膜热辐射光学性质的改变进行统计量化分析。

Kapton/Al薄膜是航天器隔热毯的常用结构，其完整性决定航天器整体温度水平。为了了解空间微小碎片对Kapton/Al薄膜撞击所产生的化学反应的影响，本项目对Kapton的物态方程、热分解特性、化学反应对Kapton/Al薄膜完整性的影响进行了系统研究。首先，利用二级轻气炮对Kapton材料进行了动态加载试验研究，获得了Kapton材料的Hugoniot参数和Gruneisen系数，确定了Kapton材料的Gruneisen方程；其次，利用高压DSC和高压热重研究了Kapton材料的热分解特性，获得了分解热和热分解动力学参数，以此为基础，建立了包含压力因素影响的Arrhenius模型；最后，利用数值模拟研究了空间碎片撞击所产生的化学反应对Kapton/Al薄膜完整性的影响，结果表明，化学反应使空间碎片的贯穿孔直径增加10%以上，贯穿面积增加20%以上，同时可使Kapton/Al薄膜的使用寿命降低20%。