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空间碎片与高能粒子探测和防护关键材料及应用
成果信息
立项支持
  • 公布年份:
    2018
  • 中图分类:
    TL815
  • 关键词:
  • 成果简介:
    太空是继陆地、海洋和空中之后人类活动范围的第四疆域,“开拓天疆”已被视为关系国家重大利益的战略选择。空间存在着高能粒子(主要是电子和质子)、碎片、超高真空等苛刻环境,对卫星、II船等空间飞行器及其器件的设计、运行、寿命均产生显著影响。以往,我国有关空间环境的实时数据匮乏,空间飞行器设计与运行主要依据地面模拟数据和国际拿来数据(有时甚至于使用平均数据),超过盈加固设计和运行状态难保障成为突出问题。该项目主要针对空间飞行器服役中影响最大的离能粒子和微小碎片实时探测与防护这一国际难题,历经十余年攻关,发明了全新的探测关键材料与技术,突破了探测器与防护结构研制中的关键材料制约环节,建立了整套稳定、可靠的生产技术及标准,在技术思路、原理、方法上实现了重大突破和自主创新。主要发明如下: 1、通过高能粒子与材料的作用机制研究,发现原子序数相差显著的两种材料形成的层状界面和内部相界面对高能粒子具有突出的散射和减弱作用,由此发明了多界面耦合铝钨复合材料,用于屏蔽干扰粒子和对器件的防护。解决了以往屏蔽材料高能粒子辐照损伤和超重的国际性难题,屏蔽效果比国际上现用材料提高了56%,并减重45%。在此基础上,进一步发明了基于PIN探头的空间高能粒子探测装置,4次通过资源卫星搭载实现了空间多能档电子和质子的准确测量。2015年3月成功在轨探测到磁暴现象,获得实时高能电子通量2.32×105e/cm2·sr·sec,是平静期的5倍。新技术为多个空间任务的顺利执行提供了重要保障,并大量推广应用于空间电子元器件的高能粒子辐照防护型号设计中。 2、通过微小碎片与材料超高速撞击动力学机理研究,发现微小碎片撞击引发的电信号变化和形成碎片云的形态与被探测碎片的尺寸、动能之间存在着特定物理关联。由此发明了高强韧锆合金和TiN-AIN-TiB2材料,并开发出空间微小碎片探测新技术,率先实现了0.1mm-1cm空间微小碎片体积、速度、能量和通量的高精度探测。相关技术已成功通过验证,为天宫号等多个空间任务的防护结构设计提供了技术支撑,确保了空间任务的顺利执行。 3、针对航天器微小碎片撞击难防护的国际性难题,通过系统的超高速撞击试验,发现高强度材料与高塑性材料层状复合对入侵碎片具有突出的碎化、熔化和雾化作用。解决了强塑复合材料轧制协同变形关键技术难题,开发出钛铝镁、锆铝等强塑复合材料。发明了具有完全自主知识产权的空间碎片防护结构,与国外碎片防护技术相比,在碎片速度7km/s时,弹道极限从4.05提高到7.28mm,防护能力提高了79.8%。相关技术在天宫号空间实验室上成功应用,并被纳入我国空间站关键部位碎片防护设计中。 相关技术已在载人航天、探月工程、对地观测等大空间任务和国内近百家相关部门、企业推广应用,近三年新增产值148948万元,取得了显著的社会经济效益。申请国家发明专利45项,已授权32项;发表SCI论文179篇,SCI他引2136次。Nature Mater.,Science等论文对相关工作给予了高度的评价。
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