喬　佳，王先榮，王　鹢，楊生勝，顏則東，蔣　鍇

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州　730000）

航天器材料出氣動力學(xué)測試方法應(yīng)用綜述

喬佳，王先榮，王鹢，楊生勝，顏則東，蔣鍇

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

為了精確地預(yù)測污染物對衛(wèi)星系統(tǒng)性能的影響，許多國家制定了相應(yīng)的航天器材料出氣動力學(xué)測試方法，其中美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（ASTM）制定的ASTM E1559航天器材料出氣污染特性測試標(biāo)準(zhǔn)更為先進(jìn)。此測試方法與以往實(shí)驗(yàn)方法相比，可以對材料出氣特性進(jìn)行原位測量，并且可以獲得與時(shí)間和溫度相關(guān)的沉積動力學(xué)模型。文中介紹了幾種常用的航天器材料出氣動力學(xué)測試方法，著重介紹了ASTM E 1559測試方法的主要內(nèi)容，基于這種方法的國內(nèi)外的應(yīng)用，最后對該方法進(jìn)行分析得出：該方法可以進(jìn)行原位測試，可以獲得不同溫度敏感表面的沉積特性，溫度變化范圍廣，低溫可達(dá)90 K，并且基于該方法，利用四極質(zhì)譜儀可以對污染成份進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析，對我國基于ASTM E 1559實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用具有參考價(jià)值，有助于提高我國對航天器材料出氣污染預(yù)估水平。

ASTM E 1559；材料出氣；凝結(jié)；污染物成份

0　引言

空間環(huán)境下材料體內(nèi)或者表面某些成份發(fā)生分解、擴(kuò)散釋放、蒸發(fā)、升華等過程而脫離表面，并以單分子形式隨機(jī)沉積于航天器表面而造成敏感表面功能下降或性能失效稱之為空間分子污染［1］。近年來，空間分子污染對衛(wèi)星的影響越來越受到重視。由于衛(wèi)星的長壽命、有效載荷的高性能，對污染控制的要求越來越高［2］。材料在真空環(huán)境下出氣產(chǎn)生的分子污染是污染的主要來源之一，衛(wèi)星敏感表面的光學(xué)性能退化是出氣分子污染造成的主要效應(yīng)，必須對其影響進(jìn)行分析及控制。分子污染沉積造成的性能退化有多方面的后果，主要影響熱控表面、光學(xué)表面、太陽電池的工作性能。分子污染沉積于熱控表面，會影響其表面的發(fā)射率和吸收率，進(jìn)而影響衛(wèi)星溫控系統(tǒng)的工作，嚴(yán)重時(shí)會造成衛(wèi)星某些部件失效。對于光學(xué)表面，分子污染會使反射鏡反射率或者透鏡的透過率降低，信號強(qiáng)度減少，信噪比下降。對于太陽電池翼，分子污染沉積會增加太陽電池板溫度，使得太陽能電池輸出功率下降。隨著衛(wèi)星長壽命、高可靠的要求，所使用的環(huán)境更加特殊，如低溫光學(xué)載荷在軌工作溫度為150 K甚至更低的溫度，這樣的低溫表面更易凝結(jié)污染物。因此，對污染控制提出的更為嚴(yán)格的要求，必須要建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。而且隨著應(yīng)用衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)空間污染效應(yīng)的產(chǎn)生和影響程度與污染物的成份密不可分，沉積到敏感表面的不同污染物對敏感表面性能的影響不同。因此，針對工程實(shí)際需要，極有必要在材料篩選的基礎(chǔ)上，對其出氣和可凝物成份及影響做進(jìn)一步研究，這將對衛(wèi)星的污染控制和在軌污染效應(yīng)的評估有非常重要的工程價(jià)值［3］。

但是，之前的ASTM（American Society of Testing Materials）測試方法如ASTM E 595［4］，此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用單一試樣，單一沉積溫度，單一的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，而且無法對污染物進(jìn)行成份分析，這并不能滿足航天系統(tǒng)污染分析的實(shí)際需要。因?yàn)樵谶M(jìn)行模擬或者分析時(shí)，需要與時(shí)間和溫度相關(guān)的沉積動力模型作為輸入數(shù)據(jù)。認(rèn)識到這種不足之后，空間力學(xué)材料實(shí)驗(yàn)室非金屬材料組（Air Force Material Laboratory Non-Metallic Material Group）委托Lockheed導(dǎo)彈與空間公司開發(fā)了一個(gè)新的測試方法，并且提供給ASTM，成為了1559標(biāo)準(zhǔn)［5］。文章研究了ASTM E 1559測試方法的主要內(nèi)容，基于這種方法的國內(nèi)外的應(yīng)用，最后對該方法進(jìn)行分析得出：該方法可以進(jìn)行原位測試，可以獲得不同溫度敏感表面的沉積特性，溫度變化范圍廣，低溫可達(dá)90 K，并且基于該方法，利用四極質(zhì)譜儀［6］可以對污染成份進(jìn)行實(shí)時(shí)地分析，對我國基于ASTM E 1559實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用具有參考價(jià)值，有助于提高我國對航天器材料出氣污染物預(yù)估水平。

1　ASTM E 1559實(shí)驗(yàn)簡介

測量材料出氣和沉積動力學(xué)參數(shù)的ASTM E 1559標(biāo)準(zhǔn)［5］，圖1為實(shí)驗(yàn)裝置圖。圖中給出了石英晶體微天平QCM收集方法，材料樣品被安放在處于真空室內(nèi)溫控出氣單元中。材料放氣流離開出氣單元，碰到幾個(gè)處于特定溫度的QCMs上，其中一個(gè)QCM是被液氮冷卻的低溫天平，可以收集所有碰撞于其表面的分子污染物。材料出氣的原位總質(zhì)量損失（TML）和出氣速率數(shù)據(jù)的獲取直接來源于低溫天平上的污染物沉積量和出氣單元出氣孔到QCM的視角因子。可凝揮發(fā)物（VCM）數(shù)據(jù)的獲取來源于沉積在溫度較高QCM表面上污染物占材料出氣污染物的百分比。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置圖

在等溫出氣實(shí)驗(yàn)后，對沉積的分子污染物進(jìn)行QCM的熱重分析（QTGA）測試。以穩(wěn)定的速率分別將QCMs從基底溫度加熱到398 K，使得沉積在QCMs的污染物揮發(fā)，同時(shí)測出仍保留在QCMs上的污染物質(zhì)量與時(shí)間和溫度的函數(shù)關(guān)系［4］。

ASTM E1559是基于上述的QCM收集方法設(shè)計(jì)出來的，有兩種測試方法，分別為測試方法A和測試方法B。方法A對測試中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定：

（1）3臺QCM的工作溫度（分別在90 K、160 K、298 K）；

（2）出氣單元的溫度；

（3）設(shè)備尺寸和幾何形狀。

從而確定QCMs到出氣單元的標(biāo)準(zhǔn)視角因子。方法B則允許用戶自行選擇試樣加熱溫度、天平溫度等參數(shù)，使得針對特定任務(wù)進(jìn)行材料出氣試驗(yàn)成為了可能。兩種方法除了這些參數(shù)不同，其他（如實(shí)驗(yàn)步驟）都是相同的。

2　基于ASTM E 1559實(shí)驗(yàn)方法的國外應(yīng)用

2.1模型驗(yàn)證

Hayashi等［7］利用ASTM E 1559實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評價(jià)了在熱真空條件下，分子污染物出氣、傳輸和沉積的基本數(shù)學(xué)模型。在評價(jià)出氣模型時(shí)，TML與時(shí)間的關(guān)系如圖2所示，t=0-144 h測試數(shù)據(jù)的殘差比t=72-144 h測試數(shù)據(jù)的殘差大，這是由樣品早期出氣引起的。

圖2　Kevlar 29-10 TML出氣速率曲線圖

在評價(jià)傳輸模型時(shí)，Hayashi等在以下條件下，對白漆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（1）QCM2和QCM3視角因子不同；

（2）QCM2和QCM3的溫度為233 K。

假設(shè)只有直接傳輸?shù)男袨椋敲疵總€(gè)QCM沉積速率的比率表示如下：

圖3為白漆的沉積比率，式（1）所獲得的理論值基本符合10 h以后的數(shù)據(jù)，但并不符合10 h之前的數(shù)據(jù)。這表明存在其他傳輸過程：擴(kuò)散反射、譜反射與周圍氣體分子的散射或出氣分子的自散射。

圖3　KE-3497白漆沉積比率曲線圖

在評價(jià)粘附模型時(shí)，圖4顯示了VCMs與時(shí)間的關(guān)系，與其他VCMs曲線相比。沉積在298 K QCM上的VCM模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符。這個(gè)差異是由于沉積在QCM上樣品重新蒸發(fā)引起的，但是這些理論模型并未考慮蒸發(fā)效應(yīng)。因此提出了一種包括蒸發(fā)效應(yīng)的沉積模型，并且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，結(jié)果如圖5所示，顯示了蒸發(fā)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4　NextelAF-62可凝揮發(fā)物沉積量曲線圖

圖5　重新蒸發(fā)模擬結(jié)果曲線圖

2.2提供輸入?yún)?shù)

Hall等［8］開發(fā)一種新的污染物預(yù)測代碼，ASCME（Aerospace Satellite Contamination Model Evaluator），在開發(fā)過程中，利用非線性最小平方技術(shù)（NLLS）從ASTME 1559污染數(shù)據(jù)庫中提取了模型參數(shù)，以減少擬合曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平方差和，然后利用這些數(shù)據(jù)對光化學(xué)沉積構(gòu)想進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖6所示。

圖6　ASCME用NLLS擬合方法計(jì)算的結(jié)果與用ASTME 1559實(shí)驗(yàn)方法測量來自AS4/3501-6碳纖維/環(huán)氧熱固樹脂之間的對比曲線圖

2.3研究物質(zhì)的物理性質(zhì)

Woronowicz等［9］描述了如何用ASTM E 1559 MOLEKIT設(shè)備，在不對設(shè)備進(jìn)行修改的情況下，測量水蒸氣升華情況，如圖7所示，將這些數(shù)據(jù)與現(xiàn)存的平衡蒸氣壓模型進(jìn)行比較。此外，從理論上，對水蒸氣解吸行為進(jìn)行深入研究。從單原子到雙原子材料平衡蒸氣壓PV表達(dá)式變化過程可知，對于多原子分子，在計(jì)算平衡蒸氣壓時(shí)，有必要考慮在轉(zhuǎn)換熱中允許能量狀態(tài)的溫度依賴性。PV，H2O的Murphy-Koop公式，考慮了這些因素，能以較高的精度擬合各種實(shí)驗(yàn)所測的從室溫至少到120 K溫度范圍的結(jié)晶冰解吸數(shù)據(jù)。

圖7　QCM溫度為125 K分子動力學(xué)設(shè)備中H2O解吸反應(yīng)圖

2.4更新數(shù)據(jù)庫

Wood［10］等總結(jié)并更新了NASA/SEE航天器污染和材料出氣效應(yīng)數(shù)據(jù)庫（SCMOEK）。討論了材料出氣，低溫膜光學(xué)性質(zhì)，循環(huán)實(shí)驗(yàn)和空間環(huán)境效應(yīng)等。這個(gè)數(shù)據(jù)庫包括了將近675種材料出氣數(shù)據(jù)文件，這些數(shù)據(jù)主要是基于ASTM E 1559方法測出。

NASA計(jì)劃例如國際空間局（ISS），James Webb空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）等都會使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行新開發(fā)材料的篩選。毫無疑問，基于E1559方法所測的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對于這些計(jì)劃順利進(jìn)行是非常關(guān)鍵的。

基于ASTM E 1559實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用主要包括分子污染物相關(guān)模型的驗(yàn)證，提供相關(guān)算法或者模型的輸入?yún)?shù)，獲得某些物質(zhì)的物理特性，從而為相關(guān)數(shù)據(jù)庫的更新提供了數(shù)據(jù)。

3　基于ASTM E 1559實(shí)驗(yàn)方法的國內(nèi)應(yīng)用

2012年，院小雪［2］針對白漆材料，基于ASTM E 1559實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行了348 K、398 K溫度條件下的材料出氣特性試驗(yàn)如圖8所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)合材料出氣率經(jīng)驗(yàn)公式，確定了白漆材料出氣率的擬合公式，為簡化計(jì)算，對出氣率取平均，確定白漆材料293 K溫度條件下的出氣率為4.98×10-10g/（cm2·s）。然后將白漆材料加熱到348 K溫度下進(jìn)行出氣試驗(yàn)，利用3臺石英晶體微量天平，獲得了82 K、150 K和249 K溫度表面白漆出氣污染物沉積數(shù)據(jù)，如圖9所示。

圖8　白漆材料348 K、398 K溫度條件下天平頻率變化曲線

圖9　材料出氣在82 K、150 K和249 K溫度表面沉積天平頻率變化曲線

結(jié)合粘附系數(shù)理論公式，得出了白漆材料粘附系數(shù)的擬合公式，可以確定電池翼表面溫度為113 K時(shí)的粘附系數(shù)為0.74，電池翼表面溫度為323 K時(shí)的黏附系數(shù)為0.12。

國內(nèi)常用的測量材料出氣實(shí)驗(yàn)方法為ASTM E595，單一的敏感表面的溫度，單一的樣品溫度，異位測量，從而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)繁雜、誤差大。而基于ASTM E 1559實(shí)驗(yàn)方法，可以測出不同溫度敏感表面可凝揮發(fā)的質(zhì)量，最低溫度可達(dá)90 K，原位測量總出氣質(zhì)量，并且方法所使用的QCM精度高，可以對沉積在表面的出氣污染物質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測，最終可以獲得與時(shí)間和溫度相關(guān)的出氣和沉積動力模型。

對出氣物成份分析時(shí)，以前一般是先將材料進(jìn)行常規(guī)熱真空出氣測試，然后將收集到的可凝物質(zhì)用丙酮溶解制成樣品，利用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析儀對該樣品進(jìn)行分析，這是一種靜態(tài)的分析方法［11］。而基于ASTM E 1559實(shí)驗(yàn)方法，利用四極質(zhì)譜儀對出氣污染物和可凝揮發(fā)物的成份進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測分析，并且可以給出每種污染物的壓強(qiáng)，從而可以獲得出氣污染物成份與溫度和時(shí)間的關(guān)系。

4　ASTM E 1559實(shí)驗(yàn)方法的分析

Coleman等［12］研究了Tefzel絕緣材料出氣產(chǎn)物UV光化學(xué)沉積特性，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)獲得了其光化學(xué)沉積速率，并且與ASTM E 1559實(shí)驗(yàn)獲得的Tefzel出氣產(chǎn)物的沉積速率進(jìn)行比較，結(jié)果如圖10所示。

圖10　Hi-Air Velcro標(biāo)準(zhǔn)化沉積出氣速率曲線圖

圖中所顯示的ASTM E 1559數(shù)據(jù)是針對三種不同收集面溫度：160 K、220 K和298 K。在283 K下測量的光化學(xué)沉積速率與在220 K和298 K下測出的可凝污染物出氣速率相比，光學(xué)沉積速率與在220 K下測出的可凝污染物出氣速率更相似。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光化學(xué)沉積測量使用353 K污染源，而ASTM實(shí)驗(yàn)使用一個(gè)393 K污染源，相似程度更明顯。結(jié)果表明ASTM E 1559所測的有效可凝物出氣速率并不能對受光照的航天器表面的污染情況進(jìn)行保守地模擬。若對此課題進(jìn)行深入的研究，找出不同的原因，并對ASTM E 1559方法或者設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，使其能測出在原子氧腐蝕或者紫外輻照環(huán)境下，材料出氣污染物的沉積特性，這樣獲得的數(shù)據(jù)更能體現(xiàn)空間環(huán)境中航天器材料出氣污染物相關(guān)特性。

5　總結(jié)

通過總結(jié)航天器材料出氣動力學(xué)測試方法國內(nèi)外應(yīng)用，尤其是基于ASTM E 1559實(shí)驗(yàn)方法的國內(nèi)外應(yīng)用，如進(jìn)行模型驗(yàn)證、獲得相關(guān)參數(shù)、研究物質(zhì)物理特性、擴(kuò)展了相關(guān)數(shù)據(jù)庫等，及對該方法進(jìn)行了分析，從而可以得到如下結(jié)論：

（1）ASTM E 1559可以應(yīng)用于模型驗(yàn)證、獲得相關(guān)參數(shù)、研究物質(zhì)物理性質(zhì)、更新數(shù)據(jù)庫；

（2）ASTM E 1559可以進(jìn)行原位測量，敏感表面溫度可變，最低溫度達(dá)到90 K，而且可以利用四極質(zhì)譜儀對材料出氣以及可凝污染物蒸發(fā)的成份進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)測分析，從而可以獲得沉積量與時(shí)間、溫度、成份的關(guān)系；

（3）未來可以考慮原子氧以及紫外輻照等環(huán)境因素，這樣獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與真實(shí)情況更符合。

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THE APPLICATION OVERVIEWS OF AEROSPACE MATERIAL OUTGASSING KINETICS MEASURING METHODS

QIAO Jia，WANG Xian-rong，WANG Yi，YANG Sheng-sheng，YAN Ze-dong，JIANG Kai
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）

To predict the on-orbit molecular contamination effects on satellite system，many countries set down corresponding aerospace material outgassing kinetics measuring methods.Among which，ASTM E 1559 Standard test method developed by American Society of Testing Materials（ASTM）for contamination outgassing characteristics of spacecraft materials appears more advanced.Comparing with other test methods，it can measure the contamination outgassing characteristics of spacecraft materials in suit，and acquire the outgassing and condensing kinetic models which are temperature and time dependent.This paper introduces several aerospace materials outgassing kinetics measuring methods，mainly studies the content of ASTM E 1559 and the application of home and abroad，finally gives the following results：this method can measure in suit，acquire the condensing characteristics of molecular contamination on sensitive surface with different temperature which has wide range and can low up to 90K.In addition，based on this method，we can use the quadruple mass-spectrometer to analyze the ingredients of the molecular contamination，which benefits the study of the application of the ASTM E 1559 in our country and our ability on the predication of the contamination outgassing characteristics of spacecraft materials.

ASTM E 1559；outgassing；condensing；the ingredients of the molecular contamination

TB34

A

1006-7086（2015）05-0255-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.05.002

2015-07-15

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（9140C550205140C55003）

喬佳（1990-），女，江蘇省連云港市人，碩士研究生，主要從事空間環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)方面的研究。E-mail：1259565923@qq.com。