● 摘要
从上世纪七十年代初开展空间飞行实验以来，各种空间环境因素对航天器的负面影响一直倍受重视，主要的负面效应取决于轨道高度以及表面材料的化学结构。原子氧效应是影响低地球轨道（LEO）环境中航天器表面材料的重要机制。为避免航天器表面材料遭受原子氧撞击，在其表面覆盖防护膜，防护膜的技术要求之一为合理的膜厚度，预知其厚度是一个重要的设计指标。过热原子氧在防护材料表面上反应-扩散机理因高度复杂而尚未完全掌握，导致了迄今仍没有可用于估算LEO环境中航天器表面材料抗原子氧防护膜厚度的理论模型。本文以过热原子氧在硅表面上反应-扩散为算例，通过比较现有的硅氧化理论，尝试将de Almeida等人建立的常系数（即常反应率常数，常扩散系数）反应-扩散方程（AGB模型）作为原始模型。由于LEO环境中具有高度活泼性与高平动能等化学物理特性的原子氧撞击硅表面，在超薄氧化区产生了载流子激发及电子传递，导致低反应垒和低扩散垒原子氧负离子的形成及其快速反应-扩散。据此，不仅从理论与模拟上揭示了AGB模型的局限性——反应率常数及扩散系数与浓度无关；而且通过调节参数，定义特征衰减长度L0=(D0/k0)1/2，给出了变反应率常数k(x)=k0exp(x/L0)及变扩散系数D(x)= D0exp(x/L0)，构造了过热原子氧在硅表面上的反应-扩散理论框架。将建立的模型方程无量纲化，继而基于Crank-Nicolson格式求解方程，并采用辛普生方法计算无量纲氧化厚度。借助无量纲模型方程的标度性质，模拟了硅氧化膜生长。与实验数据拟合显示，理论曲线与实验结果吻合；并确定了反应率常数k0、扩散系数D0、调节参数及特征衰减长度L0，浅析了k0、D0和L0等与原子氧的平动能、通量、温度以及切向通量等的相关性。并通过延伸拟合曲线，预估了与氧化时间对应的原子氧扩散长度。模拟结果初步表明，本文量化超薄氧化区中快速反应-扩散机制的方法合理，相应的反应-扩散模型与计算程序可靠，可为LEO环境中预估航天器表面抗原子氧的防护膜厚度提供方法。