Cosmic ResearchCosmic ResearchКосмические исследования0023-42063034-5502The Russian Academy of Sciences67237010.31857/S0023420624040075JIUROYArticlesСтатьиResearch ArticleМоделирование воздействия атомарного кислорода на материалы искусственных спутников ЗемлиМоделирование воздействия атомарного кислорода на материалы искусственных спутников ЗемлиНовиковЛ. С.
Russian Federation

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына

novikov@sinp.msu.ruЧерникВ. Н.
Russian Federation

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына

novikov@sinp.msu.ruВоронинаЕ. Н.
Russian Federation

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына; Физический факультет

novikov@sinp.msu.ruЧирскаяН. П.
Russian Federation

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына

novikov@sinp.msu.ruМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваМосковский государственный университет имени М. В. Ломоносова0512202462437238427022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0023-4206/article/view/672370

Представлено описание разработанного в Научно-исследовательском институте ядерной физики МГУ имени М. В. Ломоносова магнитоплазмодинамического ускорителя и созданного на его основе лабораторного стенда для моделирования воздействия атомарного кислорода верхней атмосферы Земли на материалы низкоорбитальных спутников. Рассмотрена методика моделирования, приведены примеры результатов лабораторных исследований. Изложены основные положения и результаты расчетно-теоретических исследований разрушения атомарным кислородом приповерхностных слоев полимерных материалов.

Представлено описание разработанного в Научно-исследовательском институте ядерной физики МГУ имени М. В. Ломоносова магнитоплазмодинамического ускорителя и созданного на его основе лабораторного стенда для моделирования воздействия атомарного кислорода верхней атмосферы Земли на материалы низкоорбитальных спутников. Рассмотрена методика моделирования, приведены примеры результатов лабораторных исследований. Изложены основные положения и результаты расчетно-теоретических исследований разрушения атомарным кислородом приповерхностных слоев полимерных материалов.

Российский научный фондRussian Science Foundation23-13-00244COSPAR International Reference Atmosphere (CIRA-2012). Version: 1.0. 2012.Minton T.K., Garton D.J. Dynamics of atomic oxygen induced polymer degradation in low Earth orbit. Chemical dynamics in extreme environments // Chemical Dynamics in Extreme Environments. Advanced Series in Physical Chemistry. 2001. V. 11. P. 420–489. https://doi.org/10.1142/9789812811882_0009Novikov L.S. Contemporary state of spacecraft / environment interaction research // Radiation Measurements. 1999. V. 30. Iss. 5. P. 661–667. https://doi.org/10.1016/S1350-4487(99)00224-3Imamura S., Sasaki M., Yamamoto Y. et al. Attitude and orbit control result of super low altitude test satellite “TSUBAME’’ (SLATS) // J. Japan Society for Aeronautical and Space Sciences. 2021. V. 69. P. 35–41. http://dx.doi.org/10.2322/jjsass.69.35Kimoto Y., Yukumatsu K., Goto A. et al. MDM: A flight mission to observe materials degradation in-situ on satellite in super low Earts orbit // Acta Astronautica. 2021. V. 179. P. 695–701. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.11.048Verker R., Keren E., Refaeli N. et al. Measurements of material erosion in space by atomic oxygen using the on-orbit material degradation detector // Acta Astronautica. 2023. V. 211. P. 818–826. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.07.020Brandon E.A. Holmes, Vitor T.A. et al. A review of satellite-based atomic oxygen sensing methods // Progress in Aerospace Sciences. 2023. V. 137. Art. ID. 100886. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2023.100886Chernik V.N. Atomic oxygen simulation by plasmadynamic accelerator with charge exchange // Proc. 7th Int. Symp. Materials in Space Environment. SP 399. 1997. P. 237–241.Новые наукоемкие технологии в технике. Т. 17. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. Под ред. Новикова Л. С., Панасюка М. И. М.: ЗАО НИИ «ЭНЦИТЕХ», 2000: Воздействие на материалы и элементы оборудования космических аппаратов вакуума, частиц ионосферной плазмы и солнечного ультрафиолетового излучения. С. 100–138.Новиков Л.С., Черник В.Н. Применение плазменных ускорителей в космическом материаловедении. М.: Университетская книга, 2008.Патент SU1797448 A1. Газоpазpядный источник плазмы дуоплазмотpонного типа / Черник В. Н.; заявл. 18.01.1991., опубл. 09.07.1995. бюл. № 19.Акишин А.И., Черник В.Н., Куликаускас В.С. и др. Применение метода резерфордовского обратного рассеяния ионов для измерения содержания примесей в потоке кислородной плазмы // Поверхность. 1996. № . 1. С. 89–92.ASTM Designation E2089–00. Standard Practices for Ground Laboratory Atomic Oxygen Interaction Evaluation of Material for Space Applications. 2006.Kleiman J., Iskanderova Z., Gudimenko Y. et al. Atomic oxygen beam sources: a critical overview // Proc. 9-th Symposium оn Materials in Space Invironment. ESTEC. Noordwijk. The Netherlands. 2003. SP-540. P. 313–324.Черник В.Н. Воздействие лабораторной и ионосферной плазмы на полимерные материалы космических аппаратов // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2014. № 3. С. 44–47.Iskanderova Z.A., Kleiman J.I., Gudimenko Yu. et al. Influence of content and structure of hydrocarbon polymers on erosion by atomic oxygen // J. Spacecraft Rockets. 1995. V. 32. Iss. 5. https://doi.org/10.2514/3.26699Kleiman J., Iskanderova Z., Banks B.A. et al. Predictions and measurements of the atomic oxygen erosion yield of polymers in low earth orbital flight // Proc. 8th International Symposium on Materials in a Space Environment. Arcachon, France. 5–9 June 2000.Banks B.A., Waters D.L., Thorson S.D. et al. Comparison of atomic oxygen erosion yields of materials at various energy and impact angles // Proc. 10th International Symposium on Materials in a Space Environment. Collioure, France. 2006. Art. ID. 20060047719.De Groh K.K., Banks B. A., McCarthy C.E. et al. MISSE PEACE polymers atomic oxygen erosion results // Proc. MISSE Post-Retrieval Conference. Orlando, FL, USA. 2006. Art. ID. 20070002707.De Groh K.K., Banks B.A., McCarthy C. et al. Analyses of the MISSE/Peace Polymers International Space Station Environmental Exposure Experiment // Proc. 10th International Symposium on Materials in a Space Environment and 8th International Conf. of Protection of Materials and Structures in a Space Environment. Colliuore, France, 2006.Tagawa M., Matsushita M., Umeno M. et al. Laboratory Studies Of Atomic Oxygen Reactions On Spin-Coated Polyimide Films // Proc. 6th Symposium on Materials in a Space Environment. ESTEC. 1994. Noordwijk. The Netherlands. P. 189–193.Модель космоса. Т. 2. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / под ред. профессора Л. С. Новикова. М.: Издательство «КДУ», 2007: Воздействие атомарного кислорода на материалы и элементы конструкции низкоорбитальных космических аппаратов. С. 171–206.Krech R.H. et al. AO experiments // Rep. Physical Science Incorporation, 1996.Caledonia G.E., Holtzdaw K.W., Krech R.H. et al. New Results Development of Energetic Oxygen Atom Beam // Geophisical Reserch. 1993. V. 98. Iss. A3. Art. ID. 3725.Skurat V.E., Nikiforov A.P., Ternovoy A.I. Investigations of Ractions of Thermal and Fast Atomic Oxygen (up to 5 eV) with Polimer Films // Proc. 6th International Symposium on Materials in a Space Environment. ESTEC. Noordwijk, the Netherlands. 1994. P. 183–187.Morrison W.D., Tennison R.C., French Y.B. Microwave Oxygen Atom Beams Source // Fourth European Symposium on Spacecraft Materials in Space Environment. CERT. 1988. Toulouse, France. P. 435–441.Tagawa M., Matsushita M., Umeno M. et al. Laboratory Studies Of Atomic Oxygen Reactions On Spin-Coated Polyimide Films // Proc. 6th Symposium on Materials in Space Environment. ESTEC. Noordwijk, the Netherlands. 1994. P. 189–193.Koontz S., King G., Dunnet A. et al. The International Telecommunication Sattellite (INTELSAT) Solar Array Coupon (ISAC) Atomic Oxygen Flight Experiment: Techniques, Result and Summary // Proc. 5th International Symposium on Spacecraft Materials in Space Environment. 1991. P. 331–344.Vered R., Lempert G.D., Grossman E. et al. Atomic Oxygen Erosion On Teflon FEP And Kapton H By Oxygen From Different Sources: Atomic Force Microscopy And Complementary Studies // Proc. 6th Symposium on Materials in Space Environment. ESTEC. Noordwijk, the Netherlands. 1994. P. 175–179.Milinchuk V.K., Smirnova T.N. Properties of the polymeric films after Natural exposure to the space environment on the orbital space station «MIR» // Proc. 8th International Symposium on Materials in Space Environment. ONERA. 2000.Naumov S., Gorodetsky A., Domoratsky A. et al. Investigation of screen-vacuum thermal insulation (SVTI) after prolonged exploitation in space environment conditions on external surfaces of space station «MIR» // Proc. 9th Symposium on Materials in Space Environment. ESTEC. 2003. Noordwijk, The Netherlands. SP 540. P. 603–608.Chernik V.N., Naumov S.F., Sokolova S.P. et al. Colour polymeric paints research under atomic oxygen in flight and ground-based experiments // Proc. 9th Symposium on Materials in Space Environment. ESTEC. Noordwijk, The Netherlands. 2003. P. 281–285.Аникин К.А., Борисов А.М., Желтухин А.В. и др. Характеристики терморегулирующих плазменно-электролитических покрытий на алюминиевом сплаве // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2018. № 6. С. 18–22. https://doi.org/10.7868/S0207352818060045Новиков Л.С., Черник В.Н., Бабаевский П.Г. и др. Исследование углепластика КМУ-4Л с покрытием ЭКОМ-1 при лабораторной имитации длительного полета в ионосфере // Перспективные материалы. 2001. № 5. С. 20–26.Воронина Е.Н., Новиков Л.С., Черник В.Н. и др. Математическое и экспериментальное моделирование воздействия атомарного кислорода верхней атмосферы Земли на наноструктуры и полимерные композиты // Перспективные материалы. 2011. № 6. C. 29–36.Chechenin N.G., Chernykh P.N., Vorobyeva E.A. et al. Synthesis and Electroconductivity of Epoxy/Aligned CNTs Composites // Applied Surface Science. 2013. V. 275. P. 217–221. http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.12.162Novikov L.S., Voronina E.N., Chernik V.N. et al. Erosion of carbon nanotube-based polymer nanocomposites exposed to oxygen plasma // J. Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2016. V. 3. Iss. 10. P. 617–622. http://dx.doi.org/10.1134/S1027451016030307Tadmor E., Miller R. Modeling materials: Continuum, atomistic and multiscale techniques. Cambridge University Press, 2011. http://dx.doi.org/10.1017/CBO9781139003582Воронина Е.Н. Многомасштабное моделирование полимерных нанокомпозитов // Ядерная физика. 2011. Т. 74. № 11. С. 1649–1669.Martin R.M. Electronic structure: basic theory and practical methods. Cambridge: Cambridge University Press, 2004.Elstner M., Porezag D., Jungnickel G. et al. Self-consistent-charge density-functional tight-binding method for simulations of complex materials properties // Physical Review B. 1998. V. 58. Art. ID. 7260. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.7260Воронина Е.Н., Новиков Л.С. Моделирование взаимодействия сверхтеплового атомарного кислорода с полиимидом // Физика и химия обработки материалов. 2017. № 6.Chirskaya N., Samokhina M. Computer modeling of polymer structures degradation under the atomic oxygen exposure // WDS’12 Proc. Contributed Papers: Part III – Physics. Prague, Czech Republic. 2012. P. 30–35.Chirskaya N.P., Novikov L.S., Voronina E.N. Computer modelling of ionized radiation impact on micro-structured materials // WDS’15 Proc. Contributed Papers – Physics. Prague, Czech Republic. 2015. P. 173–178.Kosynkin D.V., Higginbotham A.L., Sinitskii A. et al. Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons // Nature. 2009. V. 458. Art. ID. 872. https://doi.org/10.1038/nature07872Voronina E.N., Novikov L.S. Ab initio study of unzipping processes in carbon and boron nitride nanotubes under atomic oxygen impact // RSC advances. 2013. V. 3. Iss. 35. P. 15362–15367. http://dx.doi.org/10.1039/c3ra41742e