● 摘要
空间环境对在轨航天器系统可靠性与安全性的威胁，因轨道高度不同而呈现不同的主导因素。就在低地球轨道（LEO）（200~700km）环境中的航天器而言，导致其外表面聚合物材料退化的重要因素来自原子氧（AO）、紫外（UV），或者它们的协同作用；为避免航天器外表面材料遭受侵蚀，在表面覆盖二氧化硅（SiO2）、二氧化锗（GeO2）、或氧化锡铟（ITO）等防护膜，阻止原子氧扩散至防护膜/聚合物界面；而过厚的防护膜则降低聚合物的光学性能。因而，需建立用于协同效应的氧化模型，估算防护膜最小厚度。
本论文一方面以协同效应中SiO2防护膜为算例，尝试给出所需的模型，并开展验证；另一方面，假设AO在锗Ge表面上与在硅Si表面上的扩散-反应机制类似，尝试将所获得的理论框架用于模拟GeO2防护膜的生长，作为另一个算例，以期检验模型的普适性。
为此，根据改进的AGB模型的特点（即假设主要氧化剂为中性和阴性AO，利用含变扩散系数与变反应常数的扩散-反应方程描述过热AO在Si表面上的物理化学过程）以及现有光助硅氧化主要模型（如Cabrera-Mott模型、DCKB模型、低温真空紫外（VUV）诱导硅氧化模型）的特点（即假设主要氧化剂为中性和阴性AO，由含常扩散系数的输运方程表征分子氧与紫外或X-射线对硅联合作用的物理化学过程），讨论过热AO与UV对硅协同作用的扩散-反应过程与上述物理化学过程的差同性。基于其差异性对协同效应中AO在硅表面上扩散-反应影响的分析，得出推论：该协同效应与改进的AGB模型所表示的扩散-反应过程具有相同特点，据此给出该协同效应的模型方程。
随后，对上述协同效应模型及DCKB模型、低温VUV诱导硅氧化模型的方程作了比较，变换前两个模型方程，利用扩散系数的定义和粒子平均速度的Nernst-Einstein方程分析粒子浓度的梯度项，探讨三个模型方程的内在联系。
此外，虽缺乏直接验证理论框架的实验数据，但由于在波长小于242nm的光加速分子氧在硅表面氧化中，主要的氧化剂为中性和/或阴性AO，因此，本项工作采用分子氧和光对Si表面联合作用的实验数据，间接验证模型方程的可靠性。
将协同效应的非线性模型方程无量纲化，采用Crank-Nicolson格式求解该方程组，得到氧化物浓度随时间和空间的变化，进而给出了氧化层增长与时间的关系曲线，即氧化厚度随时间变化的无量纲理论曲线。
根据无量纲模型方程的标度性质，确定理论曲线与实验数据的拟合关系式，模拟硅氧化膜的生长，给出反应率常数k0、扩散系数D0、调节参数以及特征衰减长度L0。继而，通过给出电子通量表达式阐明k0以及D0与温度间、入射光剂量间的关系，并对其与温度和波长间、入射光波长间的相关性也作了浅析。
推广协同效应中SiO2氧化层生长的理论框架及数值方法，模拟GeO2氧化层的演化；获得k0、D0、x以及L0；分析AO的平动能、环境温度对k0与D0影响。
对所有实验数据的拟合显示，除了5eV原子氧撞击Ge表面的情况外，理论曲线与实验结果吻合，初步证实了模型的可靠性、合理性以及普适性，给定的模型可作为LEO中预估航天器表面防护膜厚度的理论框架。