研究人员指南 ： 空间环境影响

国家航空航天局研究人员指南 ：空间环境影响 本国际空间站 （ ISS ） 研究人员指南由NASA ISS 研究整合办公室。作者:Miria M. FinckenorKim K. de Groh执行编辑 ： Bryan Dansberry技术编辑 ： Carrie Gilder设计师 ： Cory Duke发布日期 ： 2015 年 3 月修订版 ： 2020 年 9 月盖和后盖:a. 带有 MISSE - 10 、 MISSE - 11 和MISSE - 12 MISSE 科学载体 （ MSC ） 。这张照片拍摄于 2020 年 1 月 25 日 ， 期间ISS Expedition 61 并显示其中一个处于打开位置的唤醒 MSC 。B. Scanning electronical image of the back surface of a thin fi lm layer of Kapton H after four作为国际空间站外部的一部分 ， 多年的低地球轨道 （ LEO ） ram 原子氧侵蚀MISSE - 2 聚合物侵蚀和污染实验 (PEACE) 。c. 扫描电子显微镜图像 ， 显示在热解石墨样品在外部的 LEO ram 原子氧侵蚀四年作为 MISSE - 2 PEACE 聚合物实验的一部分。2 实验室是开放的国际空间站飞越地球 250 英里 ， 是世界的现代奇迹 ，结合 15 个国家和数千名科学家 ， 工程师的努力和技术人员。国际空间站是一个用于各种研究的 magni fi cent 平台改善地球上的生命 ， 使未来的太空探索和理解universe. This research 's guide is intended to help potential researchers计划将暴露在太空环境中的实验 ， 同时外部连接到国际空间站或从国际空间站部署。它涵盖了所有相关的空间环境方面 ， 如何最好地将地面研究转化为从以前的实验中获得的结果和经验教训。它还详细说明了在不同的外部位置 ， ISS 上有什么可用的电源和数据。材料国际空间站实验 （ MISSE ） 6A 和 6B 被动实验容器的特写视图（ PECs ） 在欧洲实验室 / 哥伦布。照片是在 STS - 123 奋进号航天飞机的飞行中拍摄的。3 4 国际空间站的独特功能研究环境1. 微重力， 或失重 ， 改变了许多可观察到的现象在物理和生命科学中。受影响的系统和过程微重力包括表面润湿和界面张力 ， 多相影响和传热 ， 多相系统动力学 ， 固化 fi 阳离子 ， 以及fi re 现象和燃烧。微重力诱导了大量的从细菌到人类的生物体的变化 ， 包括基因表达的全局改变和细胞的 3 - D 聚集成组织结构。2. 极端条件在国际空间站空间环境中 ， 包括暴露于极端的热和冷循环 ， 超真空 ， 原子氧和高能量辐射。暴露于这些材料的测试和鉴定极端条件提供了数据 ， 使制造在地球上以及世界上使用的长寿命可靠组件复杂的卫星和航天器部件。3. 低地球轨道倾斜 51 度 ， 轨道 90 分钟为国际空间站提供了一个独特的有利位置 ， 海拔高度约为 240英里 （ 400 公里 ） 和超过地球 90% 的轨道路径人口。这可以提供改进的空间分辨率和变量与典型的太阳同步轨道相比的照明条件地球遥感卫星。5 目录国际空间站研究环境的独特特征空间环境对国际空间站影响的研究重点空间环境方面5710真空1010121314原子氧紫外线辐射微粒或电离辐射血浆极端温度和热循环 (Cof fi 热元件扩展 [CTE] 不匹配)1415微流星体 / 轨道碎片撞击国际空间站上的方向和位置减轻污染的方法经验教训171820航班恢复应急计划控制样品和预培训测试了解示例几何体其他经验教训20202123国际空间站的开发和飞行研究国际空间站外部住宿2426日本实验模块暴露设施 (日本航空航天勘探机构 [JAXA])26272828多用途实验平台 （ MPEP [JAXA] ）JEM 小型卫星轨道部署器 （ J - SSOD [JAXA] ）快递物流承运人 (NASA)材料国际空间站实验飞行设施(MISSE - FF) (Alpha Space / NASA)293031Bartolomeo 哥伦布外部有效载荷设施 (欧洲航天局)俄罗斯部分外部设施 (俄罗斯航天局 Roscosmos)资助、开发和开展国际空间站研究323437引文首字母缩略词6 研究重点空间环境对国际空间站的影响科学家和工程师为载人航天器开发了先进材料和卫星在太空探索中的一系列复杂应用 ，运输、全球定位和通信。航天器的外部受到许多环境威胁的影响许多材料和组件。这些威胁包括真空 ， 太阳紫外线（ 紫外线 ） 辐射 ， 带电粒子 （ 电离 ） 辐射 ， 等离子体 ， 表面充电和电弧、极端温度、热循环、微流星体和轨道碎片 (MMOD) 和环境引起的污染。在空间中的材料退化 ， 低地球轨道 (LEO) 环境 ， de fi Ned作为 200 - 1, 000 公里以上的地球表面 ， 是一个特别恶劣的环境大多数非金属材料因为单氧原子 (原子氧 [AO])与所有其他环境成分一起存在 (Yang 和 de Groh ，2010) 。对航天器部件的空间环境威胁变化很大 ， 基于组件材料、厚度和应力水平。也要考虑是任务持续时间和特定的 fi c 任务环境 ， 包括轨道任务参数、太阳周期和太阳事件、航天器视角表面到太阳 ， 以及航天器表面相对于LEO 中的航天器速度矢量 (Dever 等人 ， 2005 年) 。 AO 侵蚀的例子中提供了辐射引起的航天器材料脆化图 1 和图 2 。飞行前飞行后图 1. 飞行前和飞行后长持续时间暴露设施 M0001 重离子在空间实验中 ， 表明原子氧侵蚀和紫外线降解。7 大的辐射引起的裂缝多层绝缘后的外层 ：多年的太空暴露 (Townsend etAl., 1999).多层的镀铝 Teflon ® 外层严重降解经过 19 年的太空暴露 (Yang 和 de Groh ， 2010) 。图 2. 哈勃太空望远镜多层绝缘的空间暴露损伤。确定长期暴露于空间条件对各种材料的影响因此 ， 哪种材料最适合航天器的建造可以大多数 e _ ectively 是通过空间中的实际测试来完成的。虽然空间环境检测可以在地面实验室设施、地面进行设施往往不能准确地模拟综合的环境影响 ， 所以不要总是准确地模拟观察到的性能或退化水平在太空环境中。本文档的下一部分讨论了每个方面空间环境和什么地面模拟方法翻译最好to actual flight results. However, the senergism of all the elements of the space环境是在地面上复制的。因此 ， 实际的空间 <unk> 光实验提供最准确的航天器耐久性数据。材料评估各种材料的环境耐久性的 spaces fight 实验和太空组件自 1970 年代初以来一直在进行 ， 其中包括 57 个长持续时间暴露设施 (LDEF) 的实验 ， 已被检索1990 年 ， 在 LEO 度过了 69 个月 (de Groh 等人 ， 2011 年) 。<unk> e ISS 为长期的太空环境测试提供了一个理想的平台 ，特别是由于实验可以返回地球进行后软件分析。国际空间站材料实验 (MISSE) 是一系列Fight 实验材料 ， 其中的前两个是在期间交付给国际空间站的2001 年的 STS - 105 (de Groh 等人 ， 2008 年 ； de Groh 等人 ， 2009 年 ； de Groh 等人 ，2011 ， Finckenor 等人。 2013 ） 。由一对像一个8 手提箱 （ 称为被动实验容器 [PEC] ） ， 其中包含个别实验 ， PEC 连接到国际空间站的外部 ， 提供long ‑ duration exposure to space conditions. In the MISSE suite (MISSEs 1 through8 ） ， 10 个 PEC （ 和一个较小的托盘 ） ， 一起包含数千个样品 ，were fl own in various external locations on the ISS. In the post - Shuttle Era, theMISSE 任务现在由 MISSE - Flight 设施 （ MISSE - FF ） 拥有 ，位于 ISS EXPRESS 上的永久性外部材料科学平台物流承运人 ‑ 2 站点 3 (ELC ‑ 2 站点 3) 。来自 NASA ， 国防部 ， 工业界和学术界的参与者 ，MISSE 是运行时间最长的多组织技术、开发和国际空间站上的材料测试项目。它为 fi 提供了许多有形的好处该机构及其合作伙伴 ， 用 <unk> 光数据影响着许多太空计划。比如LDEF ， MISSE FIGT 数据提供了大量的空间性能和环境耐久性信息和许多经验教训 fi 社会进一步调查人员 (Banks 等人 ， 2008 年) 。公布了 MISSE 数据、照片和一些原始数据 fi les 被收集在材料和材料的 MISSE 数据库中工艺技术信息系统 (MAPTIS) 。未来的研究人员应该在 MAPTIS 上注册一个账户 ， 发现于http: / / maptis. nasa. gov /. MAPTIS 包含了大量的设计师信息和材料工程师 ， 特别是材料选择数据库。是在建造硬件之前咨询一个有用的参考 ， 以便安全、结构、满足压力容器和管线、断裂临界和污染要求。数据库对所有注册用户开放 ， 并保存 50 年的分析结果在金属和非金属材料上进行的测试 ：• 金属数据包括与腐蚀、裂纹扩展、蠕变断裂, Ijamability, Ijuid 相容性, 断裂力学, 摩擦热 ， 高周疲劳 ， 低周疲劳 ， 机械冲击 ， 颗粒冲击 ，气动冲击、促进点火、应力腐蚀和抗拉强度。列表制造商也提供。· 非金属数据由测试结果组成 ， 包括 Ibability 、 Iuid 兼容性、气味、除气 (热真空稳定性) 、毒性 (奥格气体) 和真空可冷凝材料与光学 （ VCMO ） 的兼容性。与航天器设计相关的材料数据也可以在 Silverman （ 1995 ） 中找到。这是指南 ， 收集了许多来自 LDEF 的材料实验结果 ，短持续时间的航天飞机 <unk> 灯和选定的地面模拟。9 空间方面Environment真空空间的硬真空 (10 ‑ 6 至 10 ‑ 9 托) 会导致放气 ， 即挥发物从材料中的释放。废气分子然后沉积在视线表面 ， 更有可能沉积在冷表面上。污染会影响车辆和有效载荷表面的光学性能 ，航天器性能 ， 特别是对于敏感的光学器件。为了减轻这个问题 ，国际空间站在 NASA SSP 30426 中指定了 fi ， 空间站外部污染控制要求 ， 分子沉积的极限是什么 ， 诱导分子柱密度和微粒的释放。调查人员必须编制一个清单 ， 列出在一次闪光实验中使用的所有材料。并提交此列表以进行及时审查。 NASA 维护测试结果数据库来自 ASTM E1559 ， 污染放气的标准测试方法航天器材料的特性和较旧的 ASTM E595 标准测试总质量损失和收集的挥发性可冷凝材料的方法真空环境中的放气。材料标识、位置、真空暴露表面积、工作温度范围和可冷凝除气费率数据由 ISS 计划的回报 1 ux 模型用来计算任何影响to the vehicle (Soares and Mikatarian, 2003). A material known to outgas should在高于该温度的温度下进行热真空烘烤至少 24 小时预期在轨道上 ， 或者 ， 如果不知道 ， 在 100 ° C 。组件可能是热的真空烘烤之前 ， 我们会看到。真空是空间环境的一个组成部分 ， 在10 ‑ 6 至 10 ‑ 9 托真空和 flight 的地面