NASA виявило причину деградації космічних покриттів під дією УФ

Інженерно-безпековий центр NASA провів комплексне дослідження деградації силіконових термозахисних покриттів під впливом ультрафіолетового випромінювання. Аналіз польотних даних, результатів наземних випробувань та опублікованих матеріалів показав неочікувані результати щодо механізмів потемніння космічних покриттів.

Температура космічного апарата визначається головним чином поглинальною здатністю та випромінювальною здатністю покриття корпуса. Поглинальна здатність показує, яка частина сонячного випромінювання поглинається поверхнею, а випромінювальна здатність визначає кількість інфрачервоної енергії, що випромінюється назовні. Поєднання цих властивостей разом з додатковим теплом від внутрішніх джерел та інших зовнішніх джерел випромінювання визначає тепловий режим космічного апарата.

Вибір відповідного покриття, яке називається термозахисним покриттям, має ключове значення для підтримання температури апарата в бажаному діапазоні. Однак ці покриття можуть деградувати, тобто темніти, на низькій навколоземній орбіті, головним чином через вплив сонячного ультрафіолетового випромінювання, що ускладнює вибір покриття.

Розсіювачі з оксиду цинку в силікатному зв'язувальному матеріалі належать до найстабільніших білих покриттів, але мають погану адгезію. Заміна силікату органічним силіконом покращує механічні властивості фарби, але вимірювання оптичних властивостей стійкості до ультрафіолетового випромінювання для покриттів цинк оксид-силікон показували значні розбіжності.

Багато силіконових термозахисних покриттів оцінювалися в наземних імітаційних камерах та випробовувалися в космосі з середини 1960-х років, демонструючи широкий діапазон швидкостей деградації під дією ультрафіолету, іноді для однієї й тієї ж формули. Наземне випробування конкретного покриття цинк оксид-силікон у двох різних установках дало швидкості деградації, що відрізнялися більш ніж у 6 разів.

Це подібно до варіацій, які спостерігалися в круговому тестуванні наземних установок для ультрафіолетового опромінення в 1960-х роках і викликає сумніви щодо корисності наземного тестування для прогнозування польотних характеристик. У цьому випадку розгляд відмінностей між двома наземними тестами разом з частковим повторним тестуванням вказав на присутність летючих речовин як джерело різниці.

В одній установці зразки піддавалися термообробці перед тестуванням, що видаляло більшість летючих речовин у фарбі, але в іншій установці зразки не піддавалися термообробці. Це вказувало на те, що основним джерелом зміни поглинальної здатності була взаємодія ультрафіолету не з силіконовим субстратним матеріалом і не з розсіювачами оксиду цинку, а з летючими речовинами.

Крім того, дві установки мали різні спектри ультрафіолетового випромінювання, що могло сприяти великій варіації деградації. Був проведений пошук літератури і, на диво, знайдено лише одну роботу, яка тестувала деградацію фарби цинк оксид-силікон з попередньою термообробкою та без неї.

У цій публікації фарба S-31 без термообробки була піддана впливу 1780 еквівалентних сонячних годин ультрафіолету і показала зміну поглинальної здатності на 0,02, але зразок, який був прогрітий при 260 градусах Цельсія протягом однієї години, а потім піддався впливу 1780 еквівалентних сонячних годин, показав зміну лише на 0,006.

У другому випадку два зразки S-33 були піддані впливу 4170 еквівалентних сонячних годин, обидва з однією годиною попередньої термообробки при 150 градусах Цельсія і один з додатковою однією годиною термообробки при 260 градусах Цельсія. Той, що мав одну термообробку, показав зміну поглинальної здатності на 0,02, а той, що мав додаткову термообробку, показав зміну лише на 0,011, порівнянну з найкращою фарбою оксид цинку-силікат.

Тестування фарб цинк оксид-силікон проводилося в рамках експерименту з матеріалами на Міжнародній космічній станції MISSE, показавши подібне зменшення деградації під дією ультрафіолету для зразків, які піддавалися термообробці перед польотом, і тих, які не піддавалися.

У MISSE-19 зразок фарби цинк оксид-силікон, який піддавався термообробці, показав чисту зміну поглинальної здатності на 0,011 у положенні Wake проти 0,27 для зразка тієї ж фарби в положенні Zenith, який не піддавався термообробці. Існують позиційні варіації, які могли сприяти цій різниці, але видалення летючих речовин є ймовірним фактором.

Нарешті, випробування космічного апарата з тією ж фарбою цинк оксид-силікон показали дуже низьку деградацію під дією ультрафіолету протягом тривалих періодів на низькій навколоземній орбіті, що цікаво, враховуючи, що фарба на космічному апараті не піддається термообробці.

Аеродинамічне нагрівання під час підйому недостатнє для видалення летючих речовин, однак температури поверхні під час перебування на орбіті достатні. На космічному апараті фарба покриває ізоляційний захисний шар від мікрометеоритів, що дозволяє фарбі нагріватися на сонячному світлі, на відміну від зразків MISSE, які нанесені на алюмінієві диски, змонтовані на алюмінієвому піддоні.

Це нагрівання на орбіті забезпечує майже безперервну термообробку, видаляючи не лише залишкові летючі речовини, але й новоутворені летючі речовини, створені розкладанням довголанцюгових молекул під дією ультрафіолету. Порівняння даних про виділення газів з умовами термообробки додатково підтверджує припущення про те, що летючі речовини всередині фарби, а не зв'язувальний матеріал чи розсіювачі, знебарвлюються під впливом сонячного ультрафіолетового випромінювання.

Це вказує на те, що попередня термообробка або безперервна термообробка в польоті є ключовою вимогою для тривалої роботи конкретного сімейства термозахисних покриттів на основі цинк оксид-силікон. Дослідження NASA розпочалося у 2025 фінансовому році і завершиться у 2026 фінансовому році.