Satellites operating in low Earth orbit environments (400~700 km) are constantly subjected to severe thermal cycles, ultraviolet radiation, and collisions with atomic oxygen (AO), which might cause continuous damage. Particularly, collisions with AO oxidize and erode polymer matrices, reducing surface mass and degradation of material properties. Therefore, to analyze these effects, Reax-FF molecular dynamics simulations were adopted. More than qualitative studies of mass loss due to AO interactions between materials in the previous NVE analysis, we quantified erosion rates as a function of temperature within the operational range of actual satellites (200 K~400 K) using NVT analysis. We also analyzed changes in reaction patterns occurring on the surface and effects due to polymer phase transitions.

지구 저궤도 환경(400~700 km)에서 운용되는 위성체는 극심한 열 사이클, 자외선, 원자 상태로 존재하는 산소와의 충돌(AO) 등에 의해 지속적으로 손상을 입는다. 그 중 특히, AO와의 충돌은 고분자 기지 소재를 산화, 침식시켜 표면의 질량이 감소되고, 물성을 손상시키는 결과를 초래한다. 따라서 이러한 효과를 분석하기 위해 Reax-FF 분자동역학 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 기존에 이루어지던 NVE 해석에서 보여진 정성적인 재료 간 AO 질량 감소율 연구에서 벗어나 NVT 해석을 활용하여 실제 위성체 운용 온도인 (200 K~400 K)에서의 온도에 따른 침식 수율 관계를 정량화하였으며, 표면에서 발생하는 반응 패턴의 변화와 고분자 상 변이에 의한 효과를 분석하였다.

Keywords: Low earth orbit, Reax-FF, Molecular dynamics, AO erosion