【国家标准】 空间环境 航天材料空间环境效应模拟试验通用规范

ICS19.060
CCSV06
中华人民共和国国家标准
GB/T41543—2022
空间环境
航天材料空间环境效应
模拟试验通用规范
Space environment-General principles and criteria of spaceenvironmental effect simulation testfor space materials(IS0 17851:2016,Space systems-—Space environment simulation formaterials tests-General principles and criteria,NEQ2022-07-11发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2023-02-01实施
2规范性引用文件
3术语和定义
缩略语和符号
缩略语
5典型空间环境因素
低地球轨道/极地球轨道/太阳同步轨道空间环境因素5.3
中地球轨道空间环境因素
地球静止轨道/地球同步轨道空间环境因素5.4
行星际空间空间环境因素
月球空间环境因素
火星空间环境因素
木星空间环境因素
土星空间环境因素
5.10水星空间环境因素
金星空间环境因素
6航天材料空间环境效应模拟试验总则6.1
空间环境对航天材料的影响
航天材料空间环境效应的研究流程航天材料空间环境效应地面模拟试验原则6.3
6.4空间环境模型的应用方法
6.5航天材料空间环境效应地面模拟试验参数选择注意事项7航天材料空间环境效应地面模拟试验要求7.1航天材料空间环境效应地面模拟试验目的7.2航天材料空间环境效应地面模拟试验程序7.3
航天材料的功能分类
航天材料NUV辐照地面模拟试验
航天材料FUV辐照地面模拟试验
航天材料AO侵蚀地面模拟试验
航天材料出气地面模拟试验，
GB/T41543—2022
GB/T41543—2022
航天材料热循环地面模拟试验
7.9航天材料辐射效应地面模拟试验7.10航天材料空间碎片或微流星体撞击试验7.11航天材料充放电效应地面模拟试验8航天材料空间环境协同效应地面模拟要求附录A（资料性）空间环境因素、主要参数和效应附录B（资料性）航天器与空间环境相互作用分析软件参考文献
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则定起草。
GB/T41543—2022
第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规本文件参考ISO17851:2016《空间系统一般原则和标准》起草，一致
材料试验的空间环境模拟
性程度为非等效。
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。本文件由中国科学院提出。
本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC425)归口。本文件起草单位：北京卫星环境工程研究所、深圳星地李生科技有限公司、中国科学院国家空间科学中心、哈尔滨工业大学、中国航天标准化研究所、北京飞行器总体设计部、中国西安卫星测控中心、上海宇航系统工程研究所、上海瀚海检测技术股份有限公司。本文件主要起草人：沈自才、王世金、李兴冀、许冬彦、李昌宏、冒鑫、钟秋珍、曲少杰、姜宇、张庆、傅宇蕾、田东波、王虹弄、贾瑞金、杨转青。Ⅲ
1范围
空间环境航天材料空间环境效应模拟试验通用规范
GB/T41543—2022
本文件给出了开展航天材料空间环境效应地面模拟试验过程中所涉及的空间典型轨道空间环境因素的选取、航天材料空间环境效应模拟的一般原则、航天材料性能退化的物理和化学机制、航天材料空间环境效应退化的物理和数学模型，规定了航天材料空间环境效应地面模拟试验的通用要求和试验装置要求，提出了开展航天材料空间环境效应地面模拟试验的建议。本文件适用于航天器设计、航天器寿命预估、航天材料空间环境效应地面模拟试验以及航天材料在轨期间的性能演化分析。
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/T29079
航天器轨道分类及常用参数符号GB/T30114.2空间科学及其应用术语第2部分：空间物理GB/T32452航天器空间环境术语
3术语和定义
GB/T32452、GB/T30114.2和GB/T29079界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1
近地空间
near-Earthspace
空间范围在月球到地球距离以内的空间区域，通常为380000km以内。3.2
地球电离层Earth'sionosphere
由太阳高能电磁辐射、宇宙线和沉降粒子等作用于地球大气，使之电离而生成的自由电子、离子和中性粒子构成的能量很低的准中性等离子体区域。它处于50km至几千千米高度间。按照电子密度随高度的变化又分为D、E、F1和F2层。［来源：GB/T32452—2015，3.6.1.1]3.3
地球磁层Earth'smagnetosphere位于地球电离层以上被太阳风包围并受地磁场控制的区域。［来源：GB/T30114.2—2014，4.1]3.4
行星际空间
interplanetary space
太阳系内太阳和各行星之间的空间区域。1
GB/T41543—2022
直lowEarthorbitLEO
低地球轨道
轨道高度低于2000km的轨道。
太阳同步轨道
Sunsynchronousorbit；SSo
轨道面进动角速率和太阳在黄道上运动的平均角速率相等的东进轨道。［来源：GB/T29079--2012，2.1.6.3]3.7
中地球轨道
medium Earth orbit;MEO
轨道高度为2000km到35786km的圆轨道。3.8
地球同步轨道
geosynchronous orbit;GSO
轨道周期和地球自转周期相等的顺行轨道。［来源：GB/T29079—2012，2.1.6.4]3.9
地球静止轨道
geostationaryEarthorbitGEO
轨道倾角和偏心率等于零的地球同步轨道。［来源：GB/T29079—2012，2.1.6.5］3.10
主要因素
primary factors
空间中影响航天器的主要环境。注：主要包括真空、地球大气中的中性粒子（包括原子氧）、等离子体（能量最大为10eV的冷等离子体，粒子能量为10eV到10°eV的热等离子体)、太阳电磁辐射（X射线、FUV辐射、NUV辐射、可见光、近红外辐射)、高能带电粒子（地球辐射带的带电粒子、太阳能量粒子、银河宇宙线）、流星体（微流星体）、月尘、行星尘、空间碎片等。
次要因素
诱导因素
secondary factors
induced factors
由主要空间环境因素与航天器材料相互作用而产生的，但其有着与航天材料相互作用的独有的特性和物理机制。
注：主要包括航天器自身的气体、表面带电、内带电、热循环以及航天器运行因素如等离子体源、电推进发动机等。3.12
协同效应
synergisticeffects
空间环境对航天材料同时作用或者顺序作用，进而引起的与单一空间环境因素引起的效应的累加不同的效应。
4缩略语和符号
缩略语
下列缩略语适用于本文件。
AO原子氧（atomicoxygen）
ERB地球辐射带（Earth'sradiationbelts）FUV真空紫外（farultraviolet）2
GCR银河宇宙线（galacticcosmicrays）GEO地球静止轨道（geostationaryEarthorbit）GSO地球同步轨道（geosynchronousorbit）LEO低地球轨道(lowEarthorbit）MEO中地球轨道（mediumEarthorbit）MLI多层绝缘（multi-layerinsulation）NUV紫外(nearultraviolet)
PEO极地球轨道（polarEarthorbit）SEP太阳能量粒子（solarenergeticparticles）SSO太阳同步轨道（Sunsynchronousorbit）4.2符号
下列符号适用于本文件。
E能量，ev
F通量密度，m\2·s-1
I能量通量密度，J·m\2s-1
n浓度，m-3
P压强，Pa
T温度,K
u速度,m·s-1
$静电电势，V
5典型空间环境因素
5.1概述
空间环境因素、主要参数和空间环境对航天材料的效应见附录A。5.2低地球轨道/极地球轨道/太阳同步轨道空间环境因素GB/T41543—2022
低地球轨道（LEO)、极地球轨道（PEO)、太阳同步轨道（SSO)的空间环境因素主要包括真空、NUV、FUV、中性大气、地球电离层冷等离子体、极光辐射、GCR、SEP、ERB质子、ERB电子、空间碎片和微流星体等。
5.3中地球轨道空间环境因素
中地球轨道（MEO)的空间环境因素主要包括真空、NUV、FUV、磁层热等离子体、ERB电子和质子、GCR、SEP、微流星体等。
5.4地球静止轨道/地球同步轨道空间环境因素地球静止轨道（GEO)/地球同步轨道（GSO)的空间环境因素主要包括真空、NUV、FUV、磁层热等离子体、ERB电子、GCR、SEP、空间碎片和微流星体等。5.5行星际空间空间环境因素
行星际空间的空间环境因素主要包括极高真空、NUV、FUV、太阳风、GCR、SEP、微流星体等。3
GB/T41543—2022
5.6月球空间环境因素
月球的空间环境因素主要包括真空、NUV、FUV、太阳风、GCR、SEP、微流星体、磁层热等离子体、中子、热循环、二次粒子、月尘等。5.7火星空间环境因素
火星的空间环境因素主要包括火星大气、NUV、FUV、GCR、SEP、微流星体、太阳风、火星表面二次中子、火星尘暴等。
5.8木星空间环境因素
木星的空间环境因素主要包括真空、NUV、FUV、GCR、SEP、微流星体、木星辐射带、木星磁层等离子体、木星卫星的环境等。
5.9土星空间环境因素
土星的空间环境因素主要包括土星大气、土星风、NUV、FUV、GCR、SEP、微流星体、土星辐射带、土星磁层等离子体等。
5.10水星空间环境因素
水星的空间环境因素主要包括NUV、FUV、GCR、SEP、微流星体、热循环等。5.11金星空间环境因素
金星的空间环境因素主要包括金星大气、NUV、FUV、GCR、SEP、极端高温、极端高压等。6航天材料空间环境效应模拟试验总则6.1空间环境对航天材料的影响
6.1.1概述
在模拟空间环境对航天材料的作用时，将考虑空间环境对航天材料的物理作用和化学效应。空间环境因素的选择根据第5章中的主要空间环境因素和次要空间环境因素来确定。6.1.2低地球轨道（包括极轨）环境对航天材料的影响低地球轨道空间环境对航天材料的影响主要包括材料升华、原子氧侵蚀、紫外辐射下材料光学性能退化、极区带电效应、南大西洋异常区辐射损伤、空间碎片引起的表面撞击损伤。6.1.3中地球轨道环境对航天材料的影响中地球轨道空间环境对航天材料的影响主要包括材料升华、紫外辐射下材料光学性能退化、磁层热等离子体带电、ERB电子引起的内带电、GCR和SEP引起的辐射损伤、空间碎片引起的表面撞击损伤。6.1.4地球静止轨道/地球同步轨道环境对航天材料的影响地球静止轨道/地球同步轨道空间环境对航天材料的影响主要包括材料升华、紫外辐射下材料光学性能退化、磁层热等离子体带电、ERB电子引起的内带电、GCR和SEP引起的辐射损伤、空间碎片引起的表面撞击损伤。
6.1.5行星际空间环境对航天材料的影响GB/T41543—2022
行星际空间环境对航天材料的影响主要包括材料升华、紫外辐射下材料的光学性能退化、太阳风质子引起的溅射、流星体引起的表面撞击损伤。6.1.6近月及月面空间环境对航天材料的影响近月及月面空间环境对航天材料的影响主要包括材料升华、紫外辐射下材料光学性能退化、太阳风质子的溅射、GCR和SEP引起的辐射损伤、月表二次粒子和空间碎片表面撞击损伤、月尘引起的表面污染。
6.1.7近火星及火星表面空间环境对航天材料的影响近火星及火星表面空间环境对航天材料的影响主要包括材料升华、紫外辐射下材料光学性能退化、太阳风质子的溅射、GCR和SEP引起的辐射损伤、火星表面尘暴粒子或尘埃引起的撞击侵蚀。6.1.8近木星空间环境对航天材料的影响近木星空间环境对航天材料的影响主要包括GCR和SEP引起的辐射损伤、木星磁层引起的带电、流星体表面撞击。
6.1.9近土星空间环境对航天材料的影响近土星空间环境对航天材料的影响主要包括GCR和SEP引起的辐射损伤、土星磁层引起的带电、流星体或大的固体颗粒引起的表面撞击。6.1.10近水星及水星表面空间环境对航天材料的影响近水星及水星表面空间环境对航天材料的影响主要包括GCR和SEP引起的辐射损伤、水星磁层引起的带电、流星体表面撞击、热循环引起的材料损伤。6.1.11近金星及金星表面空间环境对航天材料的影响近金及金星表面空间环境对航天材料的影响主要包括GCR和SEP引起的辐射损伤、金星磁层引起的带电、流星体表面撞击、极端温度和高压引起的性能退化。6.2航天材料空间环境效应的研究流程当分析主要空间环境因素和次要空间环境因素对航天材料的效应时，一般使用三种方法，分别为：航天材料样品的地面实验室实验或试验、理论研究和计算机模拟、空间飞行实验。以上三种方法密切相关，可以同时使用。图1给出了航天器材料或器件的空间辐射环境效应研究流程。
GB/T41543—2022
1.空间辐射（RBs、GCRs
SPEs、HP）的模型和标准
5.实验方法
加速器
核反应器
同步加速器
X射线源
伽马射线装置
激光装置bZxz.net
9.航天器辐射耐受性的预示
2.轨道类型，航天器寿命
（LEO、GEO、POLAR等）
4.对模拟装置、数学模型和软件工具的要求6.空间综合实验
8.材料或器件的退化模型
3.航天器设计、材料和器件
7.计算方法
1D模型
3D模型
蒙特卡罗工具
剂量和/
或剂量
率分布
对材料或
器件的辐
射效应
10.航天器抗辐射的防护方法
图1航天器材料或器件的空间辐射环境效应研究流程航天器材料或器件的空间辐射环境效应研究流程如下。a）需要知道空间辐射的模型和标准（1）、轨道类型和航天器的寿命（2），以及航天器设计、应用的材料和在轨器件（3)。
给出对试验设备的要求、用于空间辐射效应模拟的数学模型和软件工具（4）。b)
选出最合适的实验方法和设备（5)、数学模型和软件工具（7）。空间环境对航天材料影响的数学模型可使用分析和数值计算的方法来实现。研究航天器与空间环境相互作用的推荐性数学模型见附录B。
对空间环境的特征、航天器内的辐射情况、对不同材料的辐射效应进行同时研究的空间综合d)
实验(6)，需要与实验室试验和数值模拟的结果来一起考虑和分析。用上述方法获得的数据将用于构建材料和器件在不同空间环境下的退化模型（8），进而用于开发分析航天器的可靠性和寿命预估的方法（9），以及给出航天器防辐射效应的方法和建议(10)。
6.3航天材料空间环境效应地面模拟试验原则在开展航天材料空间环境效应地面模拟试验时，在保证空间环境对航天材料影响的物理和化学机制保持不变和可以获得正确的大量的试验结果的前提下，充分考虑如何提高试验效率、选择合适的带电粒子能量、可替换的辐射方法等。在航天材料的地面模拟试验期间，将用到两个主要的方法。第一个方法是对应的空间环境在实验室设备中的再现，而且没有额外的环境产生。然而，在实验室条件下，完全再现一定的空间环境并在同一套装置中同步模拟是不可能实现的，主要原因为空间辐射环境是多能谱分布，而且宇宙线的成分是复杂的。第二个方法是模拟空间环境对航天器的效应。在这种情况下，基于特定的假设和通过研究获得的材料退化的物理机制，选取一种或几种对航天材料有主要影响作用的空间环境因素来模拟。6
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在效应模拟这一原则下，加速试验的周期通常短于材料实际在轨的周期，而且，经常使用单能辐射源或者一定类型的辐射替代源。然而，这种方法要求具有空间环境对航天材料作用机制的物理知识，因为加速试验和替代性模拟的科学有效性不足将导致试验的失败。需要注意的是，航天材料的退化速率与加速倍率之间并不存在一个线性关系。考虑到影响航天器的空间环境因素的多样性和过程的复杂性，模拟试验通常按照以下原则开展。a）待试的材料或器件的耐用性受其最薄弱部分限定。b）在充分考虑航天器的轨道类型和寿命的前提下，通常选取一种（有时是两种或三种）空间环境因素作为对航天材料的损伤因素。需要考虑引起材料或设备退化的最重要物理过程。c)
d）选择用一种环境来替代某特定空间环境的标准。例如，如果在被辐照样品材料中的剂量是随厚度均匀分布的，那么在材料内部出现的辐射缺陷的类型和密度是相似的。6.4空间环境模型的应用方法
基于对空间环境和研究方法的物理模型和数学模型来开展航天材料空间环境效应的地面模拟试验和数值仿真。空间环境模型应用方法见图2。通过试验方法或理论分析方法等形式将空间环境模型用于航天器空间环境效应研究，其中，很重要的一点是要利用较全面的探测数据来开发一套公认的空间环境模型，以用于解决所有的航天任务。对应用问题，则创建一个包括复杂空间环境模型和航天器与空间环境相互作用的数据库专家系统是非常必要的。对这些专家系统的要求将以技术条目来实现，如轨道参数、任务周期等。高水平的专家系统将包括通过地球卫星获取的近地空间实时在线数据，例如太阳风速度、行星际磁场、带电粒子通量以及基于地基观测的地磁场、太阳电磁辐射、中子监测数据等。在这种情况下，专家系统可以实时运行，并能预测空间环境对航天器的影响，给出相应的防护建议。空间环境模型
（上层大气、电离层、辐射带、SEP、GCR等）应用领域
理论分析
计算机模拟
空间环境的详
细描述，应用
于空间环境与
材料相互作用
过程分析的数
学描述
地面试验
实验室实验
空间环境典型和
极端参数值的确
定，用于模拟装
置和实验范围的
要求分类
在轨试验
模型和应用方向的要求
应用于在轨
飞行试验的
空间环境参
数值的确定
空间主动实
验，空间人工
用于分析近地
空间环境对航
天器和地面装
置作用的概率
2空间环境模型应用方法
数据库和专
家系统开发
用于空间环
境对大椭圆
或者地球同
步轨道航关
器效应的预
示，解决不
同间题的参
考数据库