于錢(qián)，楊東升，臧衛(wèi)國(guó)，院小雪，易忠，2，姜海富，周晶晶

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

衛(wèi)星在軌過(guò)程中，由于其非金屬材料受真空、高溫環(huán)境的影響，產(chǎn)生大量有機(jī)氣體污染物，會(huì)對(duì)衛(wèi)星艙外的太陽(yáng)電池、熱控涂層、光學(xué)相機(jī)等敏感部件產(chǎn)生影響，降低部件的光學(xué)性能[1—2]。國(guó)內(nèi)外在這些方面開(kāi)展了較多研究。在某顆衛(wèi)星真空模擬室進(jìn)行熱試驗(yàn)期間，艙內(nèi)的微波開(kāi)關(guān)器件出現(xiàn)了功能異常[3]，試驗(yàn)后打開(kāi)衛(wèi)星艙板，在星體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)大量油狀污染物。

經(jīng)過(guò)分析，衛(wèi)星艙內(nèi)使用了白漆、導(dǎo)熱硅脂、電纜、粘接劑等多類非金屬材料[4]。在高溫真空環(huán)境下，由于解吸附和材料出氣機(jī)理，釋放出大量分子污染物，形成了低氣壓環(huán)境。低氣壓環(huán)境下，起暈電壓遠(yuǎn)低于大氣環(huán)境或高真空環(huán)境，電子部件很容易發(fā)生放電[5—6]。系統(tǒng)加電后，開(kāi)關(guān)器件在大功率信號(hào)工作過(guò)程中出現(xiàn)低氣壓放電，導(dǎo)致器件失效。國(guó)外衛(wèi)星熱試驗(yàn)過(guò)程中針對(duì)衛(wèi)星出氣控制非常重視，在采取監(jiān)測(cè)措施的基礎(chǔ)上，采取材料出氣篩選[7]及真空烘烤等方法改善污染狀況[8]，降低對(duì)衛(wèi)星器件的影響。如美國(guó)洛克希德.馬丁公司在20世紀(jì)90年代，為避免星上的超頻轉(zhuǎn)發(fā)器以及高電壓設(shè)備發(fā)生電暈放電或弧光放電，要求艙內(nèi)的真空度達(dá)到20%安全余量后，器件才能工作[9]。美國(guó)NASA戈達(dá)德航天飛行中心（GSFC），在1996年開(kāi)展了103次系統(tǒng)級(jí)烘烤試驗(yàn)，115次高敏感部件烘烤出氣試驗(yàn)，真空烘烤成為對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行污染控制的有效方法[8，10]。

目前我國(guó)衛(wèi)星熱試驗(yàn)過(guò)程中，通常要求使用石英微量天平、成分分析等方法[11]對(duì)艙外的污染狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了多次衛(wèi)星艙外的污染狀況[12—13]，但是對(duì)艙內(nèi)的污染監(jiān)測(cè)、艙內(nèi)污染防護(hù)方法關(guān)注較少。基于上述原因，文中使用石英晶體微量天平（QCM）及真空計(jì)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星艙內(nèi)的污染狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采取了烘烤出氣污染控制方法，進(jìn)行污染去除研究。該研究對(duì)了解衛(wèi)星艙內(nèi)的污染狀況，確定烘烤污染控制方法的效果具有實(shí)際的意義。

1 熱試驗(yàn)艙內(nèi)污染監(jiān)測(cè)

1.1 測(cè)試儀器

1）石英晶體微量天平（QCM）。QCM是通過(guò)改變輸出頻率表征表面污染沉積量的測(cè)試儀器，可用于微小質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，廣泛應(yīng)用于我國(guó)衛(wèi)星研制過(guò)程中的污染監(jiān)測(cè)工作。試驗(yàn)采用北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研制的QK-20型QCM對(duì)艙體內(nèi)污染累積量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，QCM的基頻為20 MHz，質(zhì)量靈敏度為1.1×10-9g/（cm2·Hz）。

2）真空計(jì)。真空計(jì)是用來(lái)監(jiān)測(cè)真空模擬器中環(huán)境壓力的測(cè)試儀器。試驗(yàn)采用熱陰極電離真空規(guī)，真空度的測(cè)試范圍為1～10-5Pa[14]。

3）氣相色譜質(zhì)譜儀。氣相色譜質(zhì)譜儀用來(lái)分析熱試驗(yàn)衛(wèi)星材料出氣污染物的組分。試驗(yàn)使用美國(guó)安捷倫公司的氣相色譜質(zhì)譜儀（5975C，7890A），質(zhì)量范圍為1～1050amu，質(zhì)量分辨率為1 amu。

1.2 衛(wèi)星熱試驗(yàn)工況

為了防止衛(wèi)星的開(kāi)關(guān)器件在試驗(yàn)過(guò)程中由于污染出氣引起低氣壓環(huán)境造成損壞，在進(jìn)行衛(wèi)星熱試驗(yàn)前，采取了高溫靜置烘烤措施，使艙內(nèi)材料出氣，以改善試驗(yàn)時(shí)艙內(nèi)真空環(huán)境，減小材料出氣對(duì)艙內(nèi)設(shè)備的影響。高溫靜置時(shí)間為72 h，溫度為45℃。隨后為試驗(yàn)的4個(gè)溫度循環(huán)階段。衛(wèi)星熱試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置的工況剖面如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星熱試驗(yàn)工況Fig.1 Thermal test phase of satellite

1.3 熱試驗(yàn)出氣污染物結(jié)果

熱試驗(yàn)過(guò)程中，在開(kāi)關(guān)器件附近安裝了QCM傳感器，QCM傳感器使用鋁制支架安裝在衛(wèi)星的內(nèi)部，測(cè)試面與開(kāi)關(guān)器件保持一致，用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星艙內(nèi)開(kāi)關(guān)器件附近的污染沉積量。整個(gè)衛(wèi)星熱試驗(yàn)期間污染沉積曲線如圖2所示。

圖2 熱試驗(yàn)過(guò)程中石英晶體微量天平污染沉積曲線Fig.2 Deposition mass of QCM in the process of thermal test

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)衛(wèi)星艙體內(nèi)的污染物質(zhì)取樣，使用氣相色譜質(zhì)譜分析儀對(duì)物質(zhì)的組分進(jìn)行了分析，物質(zhì)色譜分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱試驗(yàn)污染物色譜圖Fig.3 Contamination chromatogram of thermal test

污染物主要成分為鄰苯和硅氧烷類物質(zhì)。其中鄰苯類物質(zhì)包括：鄰苯二甲酸二乙酯（31.648）、鄰苯二甲酸二2-甲基丙酯（35.917）、鄰苯二甲酸二2-甲基庚酯（47.296）。硅氧烷類物質(zhì)包括：八甲基環(huán)四硅氧烷（D4，35.075）、十四甲基環(huán)七硅氧烷（D7，43.447）、十八甲基環(huán)九硅氧烷（D9，45.760）。

1.4 結(jié)果分析

上述QCM及污染物組分測(cè)試結(jié)果表明：整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的污染累積量達(dá)到了1.8×10-5g/cm2量級(jí)，試驗(yàn)后在衛(wèi)星艙內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了明顯的污染物質(zhì)，表明衛(wèi)星艙內(nèi)的污染狀況嚴(yán)重；污染物主要成分為鄰苯和硅氧烷類物質(zhì)；污染物可能對(duì)衛(wèi)星器件產(chǎn)生影響，有必要對(duì)衛(wèi)星艙內(nèi)的污染進(jìn)行控制。

2 熱試驗(yàn)高溫靜置烘烤措施效果分析

2.1 衛(wèi)星材料出氣機(jī)理

根據(jù)不同的物理和化學(xué)機(jī)制，材料出氣污染物的產(chǎn)生主要包括解吸附和材料真空出氣過(guò)程。解吸附過(guò)程是一種物理過(guò)程，材料在大氣環(huán)境下會(huì)吸附一些氣體。當(dāng)材料置于真空中時(shí)，物理吸附于材料表面的氣體從表面揮發(fā)，解吸附過(guò)程比較容易發(fā)生，持續(xù)的時(shí)間較短，在真空環(huán)境下幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以基本完成。材料真空出氣是一種包括了物理和化學(xué)機(jī)理的過(guò)程，可以持續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間。通常材料解吸附的是一些分子量較小的氣體，這些氣體不會(huì)對(duì)敏感表面形成較大污染，而材料真空出氣產(chǎn)物通常是一些大分子有機(jī)污染物，易于沉積在敏感表面，因此材料真空出氣是導(dǎo)致衛(wèi)星表面長(zhǎng)期受到分子污染影響的主要機(jī)制。材料真空出氣速率可以通過(guò)式（1）表示：

式中：Ea為激活能，J/mol；R為氣體常數(shù)，一般取8.314 J/（mol·K）。因此衛(wèi)星材料的出氣速率受材料溫度、出氣時(shí)間的影響，其中與溫度呈指數(shù)關(guān)系，與試驗(yàn)時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系。

2.2 各工況艙內(nèi)污染結(jié)果對(duì)比

由圖2所示石英晶體微量天平污染沉積量測(cè)試結(jié)果，得出熱試驗(yàn)過(guò)程中各工況的污染累積量見(jiàn)表1。

表1 熱試驗(yàn)各工況污染量結(jié)果Table 1 Contamination deposition mass in the process of thermal test

污染沉積量結(jié)果能從側(cè)面反應(yīng)衛(wèi)星材料出氣污染的狀況。由表1可知，在整個(gè)高溫靜置階段，天平測(cè)試污染沉積量為5.67×10-6g/cm2，而整個(gè)熱試驗(yàn)過(guò)程中的污染為1.8×10-5g/cm2，高溫靜置階段的污染物沉積量占整個(gè)熱試驗(yàn)過(guò)程污染沉積量的比例超過(guò)了30%。在整個(gè)熱試驗(yàn)階段，各工況天平污染量結(jié)果逐漸減少。

熱試驗(yàn)期間，在衛(wèi)星艙外、艙內(nèi)均放置了電離規(guī)真空計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星艙外及艙內(nèi)環(huán)境真空度。高溫靜置階段及第一高溫工況中不同時(shí)刻星內(nèi)外真空度的變化情況見(jiàn)表2。

表2 熱試驗(yàn)不同時(shí)刻真空度Table 2 Vacuum pressure of thermal test

真空度結(jié)果反應(yīng)了衛(wèi)星艙內(nèi)空間環(huán)境的污染狀況。由表2可知，高溫靜置階段開(kāi)始時(shí)，衛(wèi)星艙內(nèi)的真空度為2.9×10-2Pa；高溫靜置階段結(jié)束后，衛(wèi)星艙內(nèi)的真空度為5.5×10-4Pa；隨后進(jìn)行的第一循環(huán)工況階段，衛(wèi)星艙內(nèi)的真空度為2.3×10-3Pa。

2.3 結(jié)果分析

由上述衛(wèi)星熱試驗(yàn)各工況污染量及真空度結(jié)果對(duì)比，可以得到以下的結(jié)論。

1）熱試驗(yàn)各個(gè)階段天平污染沉積量逐漸減少，反應(yīng)了材料出氣污染逐漸減少，符合材料真空出氣的規(guī)律。

2）由污染量測(cè)試結(jié)果可知，通過(guò)高溫靜置階段的烘烤處理，材料出氣污染沉積量占整個(gè)熱試驗(yàn)過(guò)程的30%，高溫靜置階段有效促進(jìn)了材料出氣。

3）經(jīng)過(guò)高溫靜置階段的烘烤處理，衛(wèi)星艙內(nèi)的真空度由10-2Pa量級(jí)降低到了10-3Pa量級(jí)。

3 結(jié)論

該次熱試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)某衛(wèi)星艙內(nèi)的污染狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并在試驗(yàn)過(guò)程中采取了減輕衛(wèi)星艙內(nèi)污染狀況的高溫靜置烘烤處理方法。對(duì)上述結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論。

1）衛(wèi)星熱試驗(yàn)過(guò)程中艙內(nèi)污染狀況嚴(yán)重，有必要開(kāi)展衛(wèi)星艙內(nèi)污染環(huán)境的監(jiān)測(cè)與控制研究。

2）高溫靜置烘烤是一種簡(jiǎn)單可行的措施，能有效去除衛(wèi)星艙內(nèi)材料出氣污染，能夠保證星內(nèi)開(kāi)關(guān)器件試驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)行的可靠性。

3）艙內(nèi)環(huán)境相對(duì)密閉，需要在烘烤措施期間，設(shè)置排氣通道，使材料出氣物快速導(dǎo)出艙外。

4）衛(wèi)星艙體內(nèi)污染產(chǎn)生的源頭主要是非金屬材料真空出氣，需要開(kāi)展部件級(jí)甚至材料級(jí)污染控制方法的研究，包括污染控制的方式，污染控制措施的實(shí)施條件等。

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