Change of Thermal Emittance of Fluorocarbon Polymeric Materials in Near-Earth Space Environment
Polymeric materials are used in space technology as coatings of outer surfaces of spacecraft for their cooling by thermal emittivity. In open space, the polymer coatings are subjected to action of many destroying factors of space environment. Among them, the most important are solar radiation (SR) and atomic oxygen (AO) on near-Earth orbits. The main consequences of this action are polymer erosion with mass losses, change of absorptance and, in some cases, change of thermal emittance (TE). These changes are important from the point of view of spacecraft lifetime. Analysis of literature data shows that polymer erosion in near-Earth space is common feature for all polymeric materials as well as the increase of solar radiation absorptance. But, as a rule, the value of TE does not change or slightly increase for polymer consisting of carbon, hydrogen, oxygen, and nitrogen (hydrocarbon polymers), and decrease - for fluorocarbon polymers consisting of carbon and fluorine - PTFE and FEP. This anomalous behavior of fluorocarbon polymers is explained here on the basis of difference of erosion mechanisms for hydrocarbon and fluorocarbon polymers respectively. Erosion of hydrocarbon polymers is provoked by oxidative dry etching of polymers by AO with formation of simple volatile oxides, evaporating into vacuum. This dry etching is accomplished by the surface roughening and increasing area of the surface from which TE takes place. In contrast, erosion of fluorocarbon polymers is caused mainly by macromolecule destruction under the action of vacuum UV component of SR with consecutive decrease of number-average molecular mass and accumulation of polymer fragments. Erosion takes place as a consequence of evaporation of fragments with molecular masses which are sufficiently small for evaporation. Part of these fragments may be in liquid state. Surface tension of liquid prevents surface roughening during erosion. Because of this, radiating area surface does not increase and TE cannot increase.
Полимерные материалы используются в космической технике в качестве плёночных покрытий наружных поверхностей космических летательных аппаратов (КЛА). Они предназначены для излучательного теплоотвода с поверхности КЛА,нагреваемой солнечным излучением (СИ) и теплом, выделяющимся при работе агрегатов КЛА. В условиях космического вакуума это единственный канал теплоотдачи КЛА. Полимерные плёнки подвергаются воздействию повреждающих факторов космического пространства, из которых главными в условиях околоземного космического пространства являются СИ и атомарный кислород. Основные последствия такого воздействия - эрозия полимера, изменения его поглощательной способности и изменение интегральной степени черноты (ИСЧ). Эти изменения важны с точки зрения обеспечения продолжительной эксплуатации КЛА. Эрозия и изменения свойств полимеров, состоящих из углерода, водорода, кислорода и азота, определяются окислительной деструкцией их поверхности под действием атомарного кислорода с образованием простых летучих оксидов, улетающих в вакуум. Для большинства таких полимеров при этом ИСЧ не изменяется или немного возрастает из-за увеличения площади поверхности вследствие повышения её шероховатости при уносе массы в результате сухого травления атомарным кислородом. В случае фторированных полимеров ИСЧ снижается. В данной работе дано объяснение этого аномального эффекта. Унос массы с поверхности фторполимеров происходит преимущественно в результате испарения в вакуум фрагментов главной полимерной цепи, возникающих при последовательных разрывах цепи под действием вакуумной УФ компоненты СИ (длины волн 10 - 180 нм). Наборы фрагментов на поверхности фторполимеров в ходе облучения проходят через жидкую фазу, в которой силы поверхностного натяжения сглаживают поверхность, уменьшая тем самым её площадь, что и приводит к наблюдаемому снижению эффективных величин ИСЧ фторполимеров в результате облучения.
1. Henninger J. H. Solar Absorptance and Thermal Emittance of Some Common Spacecraft Thermal Control Coatings. NASA Reference Publication 1121. April 1984. 47p. 2. Angirasa D., Ayyaswamy P. S. Review of Evaluation Methodologies for Satellite Exterior Materials in Low Earth Orbit. J. Spacecraft Rockets. V. 51. No 3. 750 - 761. 2014. 3. Finckenor M. M., Dooling D. Multilayer Insulation Material Guidelines. NASA/TP-1999-809263. Alabama, Marshall Space Flight Center. April 1999. 33p. 4. Banks B. A. Spacecraft Polymers Atomic Oxygen Durability Handbook. Technical Report. NASA- HDBK- 6024. Washington. June 2014. 205 p. 5. Skurat V. E. Polymers in Space. In: Encyclopedia of Aerospace Engineering. Vol. 4, Materials Technology. Eds. Blockley R. and Shyy W. Wiley. 2010. part 21. 6. Skurat V. E. Polymers in Space. In: Encyclopedia of Aerospace Engineering. Vol. 4, Materials Technology. Eds. Blockley R. and Shyy W. Wiley. 2012. 7. Бабичев А. П., Бабушкина Н. А., Братковский А. М. и др. Физические величины. Справочник. Под ред. Григорьева И. С. и Мейлихова Е. З. - М.: Энергоатомиздат. 1991. 1232 с. Глава 31. Новицкий Л. А. Оптические свойства веществ. С. 766. 8. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. Кикоина И. К. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с. 9. Козлов Л. В., Нусинов М. Д., Акишин А. И., Залетаев В. М., Козелкин И. И.. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды. М.: Машиностроение. 1971. 380 с. 10. Брамсон М. А. Инфракрасное излучение нагретых тел. М.: Наука. 1964. 224 с. 11. Излучательные свойства твёрдых материалов: справочник. Под ред. Шейндлина А. Е. М.: Энергия. 1974. 404 с. 12. Топорец А. С. Оптика шероховатой поверхности. Л.: Машиностроение. 1988. 192 с. 13. Слободкин Л. С., Сотников-Южин Ю. М. Методы определения терморадиационных свойств полимерных покрытий. Минск: Наука и техника. 1977. 160 с. 14. Матвеев В. В., Никифоров А. П., Скурат В. Е., Чалых А. Е. О механизме возникновения шероховатости поверхности полиимида при её анизотропном травлении пучком быстрых атомов кислорода // Химическая физика. Т. 17. № 4. С. 120 - 126. 1998 15. Никифоров А. П., Терновой А. И., Самсонов П. В., Скурат В. Е.. Проблемы изучения механизма взаимодействия вакуумного УФ излучения и гипертермического атомарного кислорода (5 эВ) с полимерными материалами космических летательных аппаратов // Химическая физика. Т. 21. №5. С. 73 - 80. 2002. 16. Skurat V. E., Samsonov P. V. Some Peculiarities in Laboratory Simulation of Polymer Film Degradation by Solar Vacuum Ultraviolet Radiation in a Space Environment. High Performance Polymers. V. 13. No 3. P. S529 - S537. 2001. 17. Skurat V. E. Perfluorocarbon Polymers. Behavior in Real Space Environment and in Simulated Laboratory Conditions. In: Proc of ISMSE 2012 - 12th International Symposium on Materials in the Space Environment, European Space Agency (Special Publication), 2013. 18. Скурат В. Е., Самсонов П. В. Превращения перфторуглеродных полимеров (политетрафторэтилена, Тефлона ФЭП) при высокоэнергетических воздействиях (вакуумное УФ излучение и быстрые электроны) // Известия Российской академии наук. Серия Энергетика. № 4. С. 119 - 128. 2008. 19. Skurat V. E.,Dorofeev Yu. I., Barbashev E. A., Budashev, Nikiforov A. P., Ternovoy A. I., Van Eesbeek M., Levadou F. The Separate and Combined Effects of VUV Radiation and Fast Atomic Oxygen on Teflon FEP and Silicon Carbide. In:7th International Symposium on Materials in Space Environment. European Space Agency, Special Publication. V.399. P. 267 - 278. 1997. 20. Барбашёв Е. А., Дорофеев Ю. И., Скурат В. Е. Действие солнечного вакуумного УФ излучения как главная причина ухудшения деформационно-прочностных свойств политетрафторэтилена в условиях околоземного космического пространства // Доклады Академии наук. Т. 325. №4. С. 730 - 734. 1992. 21. Байдаровцев Ю. П., Василец В. Н., Пономарёв А. Н., Дорофеев Ю. И., Скурат В. Е. Исследование кинетики накопления радикалов при фотолизе политетрафторэтилена светом 147 и 123.6 нм // Химическая физика. Т. 3. № 10. С. 1405 - 1408. 1984. 22. Van Eesbeek M., Levadou F., Skurat V. E., Dorofeev Y. I.,Vasilets V. N., Barbashev E. A. Degradation of Teflon FEP due to VUV and Atomic Oxygen Exposure In: Proc of 6th International Symposium on Materials in a Space Environment. ESTEC. Noordwijk. European Space Agency. SP - 368. P. 165 - 173. 1994. 23. Skurat V. E., Samsonov P. V., Nikiforov A. P. Vacuum Ultraviolet Radiation in Sources of Hyperthermal Atomic Oxygen. Photodestruction of Polytetrafluoroethylene (PTFE) and Teflon FEP for Indication of this Radiation. High Performance Polymers, V. 16, No 2, 339 - 355, 2004.
