原子氧

残余气体环境

原子氧是指低地球轨道（通常认为200km~700km高度）上以原子态氧存在的残余气体环境。在这个轨道高度上，气体总压力为10-5～10-7 Pa，环境组分有N2、O2、Ar、He、H及O等，相应的粒子密度约为106～109cm-3。原子氧在残余大体中占主要成分。

简介

原子氧是指低地球轨道（通常认为200km~700km高度）上以原子态氧存在的残余气体环境。在这个轨道高度上，气体总压力为10～10Pa，环境组分有N2、O2、Ar、He、H及O等，相应的粒子密度约为106～109cm-3。原子氧在残余大体中占主要成分。

原子氧的浓度

原子氧是太阳光中紫外光线与氧分子相互作用并使其分解而形成的。原子氧与航天器发生相互作用可以引起航天器结构材料的剥蚀老化，损害航天器热控涂层严重危害航天器的可靠运行。

载人航天器的运行轨道处于低地球轨道（LowEarthOrbit，LEO，200-600km）。这一区域气体压力为10-10大气压，组成主要有N2、O2、Ar、He、H2及高活性的原子氧（AtomicOxygen，AO）等，其中AO约为80%。作为LEO环境中含量最高的粒子，原子氧是氧分子在太阳辐射的光致分解作用下形成的。由于两个游离态的原子氧再复合形成一个氧分子，需要有第三种粒子的参与，以带走复合时释放的能量，而在LEO环境中，总压很低，处于高真空状态，原子氧与第三种粒子发生碰撞的几率很小，原子氧复合的概率就很小，因此LEO环境中原子氧的浓度比较高。此外，原子氧的浓度还会受到太阳活动周期、地球磁场强度、轨道高度、季节和昼夜等因素的影响。

原子氧对航天器的侵蚀效应及损伤机理

大量空间飞行实验及地面模拟试验的结果表明，原子氧对航天器表面的高温氧化、高速撞击会使大部分有机材料受到严重侵蚀，产生质量损失、厚度损失，光学、热学、电学及机械参数退化，造成结构材料强度下降、功能材料性能变坏；原子氧氧化侵蚀过程还会造成航天器敏感表面的污染。以上效应会导致航天器性能下降、寿命缩短、系统设计目标失败，对航天器长寿命、高可靠带来严重威胁。

大部分聚合物材料对原子氧环境敏感。不同聚合物材料的原子氧反应率与其结构有很大关系：大分子和高芳香族结构的聚合物反应慢，高分子和乙醚结构的聚合物反应快，氟化聚合物的反应率低。

含有C、H、O、N、S的聚合物材料与原子氧相互作用后，其分子键断裂，生成CO、CO2、水蒸气等气相挥发物，造成材料质量、厚度损失，物理和化学性质发生变化。这些聚合物材料的原子氧反应率大致相同，在2×10-24∼4×10-24cm3/AO左右。

原子氧撞击材料表面时会发生多种物理化学过程，但对不同材料起决定作用的过程不同，造成原子氧侵蚀机理也不同。原子氧与聚合物的最基本的反应机理如下：

a.提取——AO从聚合物分子中拉出一个H原子或C原子；

b.添加——AO化合进入聚合物单体分子中；

c.置换——AO从聚合物中拉出一个原子的同时立即化合进去；

d.析出——AO作用下，分子析出未成对电子的H原子；

e.嵌入——AO射入两个相邻的原子（如C、H）之间。

原子氧效应防护途径

原子氧防护技术研究主要集中在研究抗原子氧侵蚀新材料及防原子氧涂层两方面。

（1）抗原子氧材料

研究表明，聚合物经过氟化处理、添加Si成分可以提高抗原子氧侵蚀的能力，例如：纯氟化聚苯乙烯、环状氟化聚苯乙烯、链状氟化聚苯乙烯、过氟化聚苯乙烯等氟化聚合物，聚硅氧烷-聚酰亚胺等。

（2）原子氧防护涂层

研究表明大部分金属氧化物涂层都具有一定的原子氧防护能力，以SiO2、Al2O3性能最好，是国内外应用最普遍的防护涂层。一种使用有效的防护涂层必须经得起极恶劣的空间环境的考验，还要完全满足航天器设计的苛刻要求。其主要性能必须满足以下条件：

a.能长期抵抗原子氧高温氧化、高速碰撞产生的侵蚀；

b.柔韧，耐磨蚀；

c.抗紫外辐照及其他空间环境的损伤退化，而且不改变基底材料的光学和热学性能；

d.质地轻薄，附着力强；

e.航天器设计的其他特殊要求。

原子氧对金属铜的作用

低地球轨道的原子氧化学性能非常活泼，能使金属铜氧化。XRD（X射线衍射）、XPS（X射线光电子谱）分析结果表明：原子氧作用后，铜的表面生成了氧化铜和氧化亚铜，从而使铜的导电性能、光学性能、焊接性能和结构强度下降。铜与原子氧的氧化反应与温度有关，随着反应温度的增加，反应更加容易。地面试验结果表明：生成的氧化铜或氧化亚铜在原子氧撞击作用下，从试样表面脱落，并沉积到其他试样的表面，从而对其他表面产生较为严重的污染。该结果可为在轨航天器污染控制提供参考。

科研成果

2023年，德国宇航中心研究发现，在金星的白昼侧和黑夜侧都直接探测到了原子氧。

全国各地天气预报查询

上海市

云南省

云南省

云南省

云南省