焦子龍，姜利祥，孫繼鵬，黃建國，朱云飛

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室，北京 100094）

0 引言

空間光學(xué)系統(tǒng)在地面研制和在軌運行期間，極易受到污染物的影響。根據(jù)GJB 2203A—2005 《衛(wèi)星產(chǎn)品潔凈度及污染控制要求》，污染物定義為“任何可能對系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、部件和材料的工作、可靠性和性能造成危害和不可忽略影響的非要求外來物”。污染物可分為顆粒污染物和分子污染物，前者是指尺寸為0.001～1000μm 的顆粒狀固體物質(zhì)，后者一般指材料在軌道真空環(huán)境下放氣產(chǎn)生的污染物。污染可能造成光學(xué)表面透過率下降，散射增加，影響光學(xué)系統(tǒng)的信噪比，或使探測器的離軸抑制受到限制，從而造成光學(xué)系統(tǒng)性能退化[1]。而真空熱試驗過程中光學(xué)系統(tǒng)受到的污染最為嚴重[2]，因此需制定嚴格的污染控制措施并實施[3-4]。國外主要航天機構(gòu)對空間光學(xué)系統(tǒng)的污染控制極為重視，其中一些成熟有效的經(jīng)驗值得借鑒。本文對MSX、COBE、HST/WFPC、ISO、GOSAT/ TANSO等衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)的真空熱試驗污染控制經(jīng)驗進行了調(diào)研總結(jié)，主要包括真空熱試驗中分子污染與顆粒污染的監(jiān)測工具、監(jiān)測方法和控制方法?；诂F(xiàn)有污染控制的現(xiàn)狀，對我國空間光學(xué)系統(tǒng)真空熱試驗污染監(jiān)測與控制方法提出了若干建議。

1 NASA 經(jīng)驗

1.1 彈道中段實驗

彈道中段實驗（Midcourse Space Experiment,MSX）衛(wèi)星[5]重2700 kg，長5.1m，軌道為900km的極軌。它的3 個主要光學(xué)載荷為大型固態(tài)氫冷卻的紅外望遠鏡SPIRIT III、可見光望遠鏡SBV 和紫外可見光譜成像儀UVISI。SPIRIT III 的主鏡工作溫度為20 K，對污染極其敏感。UVISI 的工作溫度范圍為233～283K，有可能使大分子污染物沉積，并且其紫外波段受污染影響較紅外和可見光波段的更為嚴重。SBV 可承受一定污染，但其對視場外雜散光抑制要求較高，因此也應(yīng)對污染加以控制。

總體部門提出的污染控制要求為：SPIRIT III的表面潔凈度應(yīng)為MIL-STD-1246C 標準規(guī)定的100A/5，UVISI 和SBV 表面潔凈度應(yīng)為300A/10。

振動試驗和真空熱試驗在戈達德空間飛行中心（GSFC）完成。除熱試驗外，其他時間都對衛(wèi)星及載荷都進行了包裹，并一直吹掃，以保持清潔。包裹材料為預(yù)制的亞麻增強材料，由 National Metallizing Inc.制造，接口處用2 inch 的3M 1205 Kapton 膠帶封口。

1）分子污染控制

環(huán)境模擬容器、MSX 使用的熱沉及其他設(shè)備都在熱試驗前進行了烘烤，以除去以前試驗殘留污染以及新工裝上的污染物。這被看作發(fā)射前降低分子污染的最重要的步驟。烘烤時，容器抽真空至1.3×10-4Pa，熱沉加熱至80 ℃，持續(xù)350 h。采用3只基頻為 15 MHz 的溫控石英晶體微量天平 （TQCM）監(jiān)測污染，其安裝于熱沉的支撐結(jié)構(gòu)上，分別位于熱沉的中部、頂部和底部。TQCM 溫度控制在-50 ℃。監(jiān)測過程中，需要不斷將TQCM 的晶片加熱至80℃以清潔晶片，防止它飽和。TQCM加熱為線性方式，以監(jiān)測不同污染物從晶片蒸發(fā)的溫度。烘烤結(jié)束的判據(jù)是TQCM 的頻率隨時間變化的二階導(dǎo)數(shù)（d2f/dt2）。在280 h 左右，當(dāng)3 只天平的該值為-2.5 Hz/(cm2·h)時，認為此時烘烤結(jié)束。后續(xù)的70h 將容器回復(fù)至常溫常壓。

除了采用TQCM 進行實時監(jiān)測，還用了兩個診斷板評估SPIRIT III 遮光罩發(fā)射率的退化。診斷板放有兩個拋光鍍金鏡和兩個衰減全反射晶體。一個診斷板不進行熱控，另一個在整個烘烤期間都維持比熱沉高一些的溫度，而在容器鑒定階段則控溫至-40℃。隨后采用FTIR 進行分析，發(fā)現(xiàn)樣品反射率變化不顯著。俄歇電子能譜分析發(fā)現(xiàn)有薄層污染膜，成分含有碳和氧。

2）顆粒污染控制

在衛(wèi)星吊入真空容器之前，去除外層包裹，并對內(nèi)層包裹進行檢查，以確保沒有孔洞。當(dāng)衛(wèi)星在真空容器放置好后，拆去內(nèi)層包裹，然后開始對多層進行再清潔。在容器中有粒子計數(shù)器對環(huán)境進行監(jiān)測。關(guān)閉容器大門，已過濾的氣流開始在容器內(nèi)循環(huán)，此時的氣流應(yīng)保證罐內(nèi)總顆粒數(shù)不超過1000 級。抽真空及復(fù)壓階段采用取樣板對顆粒污染進行了監(jiān)測。根據(jù)試驗結(jié)果選擇了非常慢的復(fù)壓充氣速度。

1.2 宇宙背景探測器

宇宙背景探測器[6]（COsmic Background Explorer,COBE)是NASA研制的用于研究宇宙起源的衛(wèi)星（見圖1）。衛(wèi)星的主要載荷包括散射紅外背景實驗儀（Diffuse Infrared Background Experiment,DIRBE）、遠紅外絕對光譜儀（Far Infrared Absolute Spectrophotometer,FIRAS）和微分微波輻射計（Differential Microwave Radiometer,DMR）。DIRBE和FIRAS 放置于液氦杜瓦中，工作環(huán)境的溫度低于2K。

圖1 COBE 衛(wèi)星 Fig.1 Satellite COBE

為模擬發(fā)射及在軌運行時的熱環(huán)境，COBE在GSFC的空間環(huán)境模擬器上進行了熱真空試驗。

熱試驗過程中污染的主要控制目標是確定衛(wèi)星在軌時儀器自污染程度，同時，借助熱試驗還可完成如下任務(wù)：1）在持續(xù)3 天的熱浸條件下對整星烘烤；2）測量試驗過程中的污染沉積量；3)對容器中冷板收集的殘余物成分進行分析。上述數(shù)據(jù)結(jié)合衛(wèi)星在軌放氣模型可用來確定衛(wèi)星的放氣過程，以決定杜瓦孔防護罩打開時間。

1.2.1 污染監(jiān)測方法

3 只基頻為10 MHz 的QCM 以對稱方式放置在距衛(wèi)星0.60m 的周邊，并采用液氮冷卻，以提 供試驗中放氣量的實時數(shù)據(jù)。除了QCM，還采用了殘余氣體分析儀（RGA）分析衛(wèi)星的放氣特性。RGA 每8 h 記錄一次數(shù)據(jù)，最后得到放氣特性與容器抽氣時間的關(guān)系。

還采用冷指（cold finger）、冷板（scavenger plate）和6 塊拋光鋁鏡對沉積物質(zhì)的化學(xué)成分進行了測定。鋁鏡安裝在DMR 的支撐環(huán)上，用于收集衛(wèi)星上大部分污染敏感器件的放氣物質(zhì)，以防止污染物沉積到杜瓦和DMR 的敏感表面。冷指和冷板安裝在真空容器上，采用液氮制冷，這樣衛(wèi)星的放氣大部分會沉積在這些冷表面上。直徑1.2m 的鋁制冷板在整個試驗過程中都通液氮主動制冷，但是冷指僅在試驗最后8 h 冷卻。試驗結(jié)束后鋁鏡、冷指、冷板用溶劑沖洗，其溶液用紅外或質(zhì)譜技術(shù)進行分析。

1.2.2 污染監(jiān)測結(jié)果

QCM 穩(wěn)定后，每小時記錄一次溫度數(shù)據(jù)以了解放氣特性趨勢，并對頻率數(shù)據(jù)進行了處理，以獲得兩個相鄰頻率之間的差值。圖2為某QCM 的溫度與頻率差的趨勢圖。

圖2 COBE 衛(wèi)星熱真空試驗QCM 溫度和頻率 Fig.2 Temperature and frequency of QCMs in thermal vacuum test of COBE

圖2中溫度的尖峰是由于溫度控制器的不穩(wěn)定造成的。衛(wèi)星的污染控制要求為連續(xù)5 h 頻率差應(yīng)＜ 200Hz/h，從圖中可以看出，即便QCM 溫度降低到了-60℃，頻率差仍然滿足污染控制要求。

1）采用RGA 對水、氮氣及氦、氧分子進行分析。當(dāng)容器抽真空到1.33×10-5Pa 時，氦、氧及氮的放氣速率降至10-9量級。水?dāng)U散的速率較低，但在50 h 熱浸后趨于穩(wěn)定。衛(wèi)星溫度在熱浸時平均溫度較在軌溫度高10℃，因此在軌的放氣速率數(shù)值會小于熱真空試驗中的數(shù)值。

2）冷指在熱真空測試結(jié)束前8 h 開啟，它收集的殘余物用溶劑清洗轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿。分析表明，污染物質(zhì)量為1.3mg，成分包括已內(nèi)酰胺、三丁基氟化錫、三烯炳酸脂、苯甲酸、DC704 和鄰苯二甲酸酯。除了DC 704 擴散泵油和鄰苯二甲酸酯，其他成分主要來源于經(jīng)常使用的電纜絕緣外皮。含量最多的是已內(nèi)酰胺，為Richmond Corporation 公司的防靜電2400 尼龍包裹材料所用的抗靜電添加劑，因此將該種材料更換為聚酯類型的Llumaloy- HSC?？偟膩碚f，冷指收集的污染物均滿足污染控制要求。

3）冷板收集到的污染物成分與冷指基本一致，殘余物總重3.3mg，但冷板面積是冷指面積的10倍，因此也符合污染控制要求。

4）試驗后對取樣鏡的化學(xué)分析表明取樣鏡上未檢測到污染物。

1.2.3 污染控制經(jīng)驗

必須對污染敏感器件在其研制至發(fā)射的每一個階段進行全過程防護，而不能僅僅依靠周圍環(huán)境的潔凈度來保證。污染烘烤除氣和材料選用控制應(yīng)該在設(shè)計階段就考慮并加以研究。

1.3 哈勃太空望遠鏡

哈勃太空望遠鏡[7]（Hubble Space Telescope,HST）的寬視場相機（Wide Field Plane Camera,WFPC）是主要的光學(xué)系統(tǒng)之一。WFPC I 使用8個CCD，工作波長范圍120～1100 nm。為了降低噪聲和提高量子效應(yīng)的穩(wěn)定性，CCD 工作溫度設(shè)置為-80℃；但是較低的工作溫度以及缺少內(nèi)部放氣的排放通道，使得CCD 很容易受到內(nèi)部器件的放氣污染，影響其遠紫外波段儀器的性能。

為監(jiān)測其污染，將15 MHz 的TQCM、熱偶規(guī)、光學(xué)取樣鏡等多種工具放置在內(nèi)部一個平臺上，朝向光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部。在37 天的熱真空試驗期間，TQCM 維持在-20 ℃并獲得了污染量數(shù)據(jù)。同時，還獲得了真空容器及WFPC 內(nèi)部的壓力數(shù)據(jù)，CCD低溫循環(huán)時147、250、410 nm 的光通量數(shù)據(jù)等。對這些數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，存在兩種影響FUV 波段性能的污染物：一種污染物（大分子揮發(fā)物）的數(shù)量與電子儀器及外殼溫度高低相關(guān)，當(dāng)電子儀器工作溫度低于8～10 ℃時，污染顯著減少；另一種污染物（小分子揮發(fā)物）與熱管溫度相關(guān)，當(dāng)熱電制冷器熱端溫度低于-40～-50 ℃時，其污染顯著 減小。

測試結(jié)果說明上述內(nèi)部污染監(jiān)測工具用處很 大。因為真空容器本身的數(shù)據(jù)并不能反映WFPC的情況，設(shè)備外表面的放氣等會掩蓋內(nèi)部的放氣情況，而TQCM 的數(shù)據(jù)提供了污染來源及可能影響儀器性能的污染物成分的信息，為后續(xù)采取何種補救措施提供了依據(jù)。

在熱真空測試之后、WFPC 安裝至HST 之前，對其進行了如下改進：

1）加入CCD 在軌除污染的功能，采用了66W的加熱器可將CCD 溫度加熱到+10 ℃；

2）降低大分子揮發(fā)物的放氣率，將電子設(shè)備的期望工作溫度降低2～3℃。

1.4 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡[8]（JWST）預(yù)計于2018年發(fā)射，主要任務(wù)是調(diào)查作為大爆炸理論的殘余紅外線證據(jù)，即觀測今天可見宇宙的最初形態(tài)。其光學(xué)系統(tǒng)的工作溫度范圍為30～50 K，探測器的工作溫度低于7K。

JWST 研制過程中需要進行大量的真空熱試驗，且試驗時間長達30～90 d，因此真空熱試驗是其低溫光學(xué)系統(tǒng)的主要污染源，尤其是在真空熱試驗結(jié)束后，系統(tǒng)從深冷溫度復(fù)壓、回溫到常溫常壓環(huán)境的過程中，熱沉上累積的污染物會釋放并累積到溫度相對較低的光學(xué)系統(tǒng)表面上。為控制這種累積污染量，提出了嚴格的復(fù)壓回溫程序，如表1所示。QCM 檢測得到的試驗期間總污染量為24?。

表1 JWST 真空熱試驗的復(fù)壓回溫程序 Table1 Repressurization and temperature restoration procedure in thermal vacuum test of JWST

2 ESA 經(jīng)驗

設(shè)在比利時的CSL 是ESTEC 的光學(xué)載荷熱真空試驗中心。它有4 臺真空環(huán)境模擬設(shè)備，即FOCAL1.5、FOCAL 2、FOCAL 5、FOCAL 6.5，設(shè)備均為熱沉調(diào)溫。它們都位于潔凈度10000 級的潔凈區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域面積650m2、高10m，帶有兩個風(fēng)淋門（airlock），區(qū)域的溫濕度都可控。

在FOCAL 5 外面、前述潔凈區(qū)域內(nèi)設(shè)置了層流、潔凈度為100 級、容積500 m3的包裹區(qū)域，有兩個風(fēng)淋門用于員工進出。

下面介紹ISO 衛(wèi)星試驗時的污染控制措施[9]。

2.1 顆粒污染

污染控制要求為：每次測試中，顆粒污染物造成的遮蔽因子（obscuration factor）不得高于15×10-6。為達到該要求，定期用塵埃計數(shù)器測量空氣中懸浮顆粒，并且在工作區(qū)的各個角落放置顆粒沉降采樣器，每天進行計數(shù)。

對于100 級潔凈區(qū)，理論顆粒沉降的速率是1.5×10-6/d。但這是針對塵埃的正態(tài)分布計算的。當(dāng)多人使用較多設(shè)備時，上述關(guān)系失效。實際上，采取了一系列嚴格控制措施后的測試結(jié)果是3×10-6/d?？刂拼胧┌ǎ?/p>

1）對絕大部分設(shè)備進行真空清潔；

2）因在清潔金屬表面時擦拭布容易掉落纖維，所以有限制地使用擦拭布；

3）使用Goretex 牌工作服，對穿衣方法也作了嚴格規(guī)定；

4）經(jīng)常采用黑光燈檢查設(shè)備表面以發(fā)現(xiàn)顆粒物；

5）真空熱試驗時，必須使用很低的抽氣速度，避免容器中產(chǎn)生湍流，擾動殘留顆粒物；

6）試驗結(jié)束時復(fù)壓使用HEPA 過濾器，復(fù)壓速度應(yīng)與抽真空一樣。

2.2 分子污染

對于ISO 衛(wèi)星來說，它采用低溫制冷，因此其真空熱試驗污染控制要求為：一個完整的試驗序列污染總量不高于2×10-8g/cm2。為此，采用一個取樣板，與衛(wèi)星經(jīng)受相同溫度環(huán)境來測試污染程度。試驗達到了要求，主要是采用了如下措施：

1）對潔凈間塑料墻壁進行化學(xué)清洗，清除揮發(fā)性塑化劑；

2）嚴格選擇真空下使用的材料；

3）黑漆使用不帶底漆的Chemglaze Z306；

4）潤滑油只使用Fomblin Z25；

5）對加熱和制冷過程進行詳細分析，確保試件溫度不是最低；

6）使用冷阱收集絕大部分污染物；

7）復(fù)壓僅用清潔氮氣（由液氮儲槽供應(yīng)并過濾）。

3 JAXA 經(jīng)驗

3.1 溫室氣體觀測衛(wèi)星

溫室氣體觀測衛(wèi)星[10]（Greenhouse Gases Observing Satellite,GOSAT）為一顆中型衛(wèi)星，重1750kg、外形尺寸2.6 m×2.4 m×3.7 m，用于監(jiān)測全球CO2和CH4的變化。它于2008年由H-IIA 火箭發(fā)射，運行于高度為666 km、傾角98°的太陽同步軌道，設(shè)計壽命5年。GOSAT 衛(wèi)星的兩個主要載荷為傅里葉變換光譜計（TANSO-FTS）和云層及氣溶膠成像儀（TANSO-CAI）。TANSO-FTS 對地球反射的短波紅外及地表熱輻射進行探測，TANSO-CAI 用于對云層和氣溶膠的干涉進行校正。儀器的主要探測波段為12 900～13 200,5 800～6 400,4800～5200,700～1 800cm-1。

光學(xué)系統(tǒng)觀測得到的結(jié)果是微分吸收光譜，即要觀測的是信號的變化，因此如果污染物有觀測波段的吸收峰，就會造成嚴重后果。以前航天器的污染控制只是控制污染總量，而GOSAT 除需要控制污染物的總量外，還需要控制光譜特性。

3.2 真空熱試驗污染監(jiān)測

GOSAT 衛(wèi)星的熱控星熱試驗在種子島航天中心直徑8 m 的環(huán)境模擬容器中進行。為監(jiān)測光學(xué)載荷對應(yīng)波段的污染退化情況，采用了鍍金和ZnSe兩種取樣板，取樣板的溫度控制在273 K，為熱分析得到的光學(xué)平臺的最低溫度。ZnSe 采用鋁板和薄膜加熱片控溫。如圖3所示，2 只TQCM 和8個取樣板安裝在支架上并朝向衛(wèi)星，還有5 個取樣板安裝在測試平臺下的冷板上作為參考。

試驗中熱沉溫度保持在-195 ℃，真空度1.0× 10-5Pa。TQCM 的溫度和頻率曲線如圖4所示?？梢钥闯?，TQCM 沒有明顯的污染累積。而控溫在273K 的取樣板在監(jiān)測波段內(nèi)也沒有明顯的透過率或反射率退化?？販卦?00K 的ZnSe 取樣板其透過率有明顯退化，不過在室溫環(huán)境下，其污染物很快揮發(fā)，透過率基本恢復(fù)到?jīng)]有污染的水平。因此，試驗證明衛(wèi)星設(shè)計滿足污染控制要求。

圖3 GOSAT 真空熱試驗中污染監(jiān)測儀器安裝方式 Fig.3 Contamination monitoring devices and its installation in thermal vacuum test of GOSAT

圖4 GOSAT 的污染測試結(jié)果 Fig.4 Results of contamination monitoring of GOSAT

4 結(jié)論及建議

污染效應(yīng)是空間光學(xué)系統(tǒng)性能和壽命的重要影響因素之一，而真空熱試驗是空間光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)受污染最為嚴重的階段。雖然目前已有較多的污染控制經(jīng)驗及手段，但仍未形成完善的真空熱試驗污染控制方法體系，不能完全滿足空間光學(xué)系統(tǒng)污染控制需求。國外真空熱試驗?zāi)M手段與我國不盡相同，大多采用熱沉調(diào)溫模擬外熱流，而我國采用紅外燈陣或加熱籠來模擬，熱沉為冷背景。因此，應(yīng)在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對我國實際情況分析制定污染控制措施。我們認為，在以下方面仍需加強研究：

1）真空熱試驗過程中污染控制

當(dāng)空間光學(xué)系統(tǒng)直接暴露于污染傳輸路徑時，應(yīng)在傳輸路徑上采取遮擋控制措施（如冷阱[9]、分 子吸附器[11]），避免污染物的直接視線傳輸所造成的大量污染。

2）復(fù)壓回溫過程污染監(jiān)測與控制

真空熱試驗結(jié)束、熱沉回溫復(fù)壓過程中，試驗中被吸附的污染物從熱沉大量脫附，沉積至溫度仍較低的污染敏感表面，可能產(chǎn)生嚴重污染。另外復(fù)壓過程中的氣流可能引起顆粒物擾動，產(chǎn)生顆粒污染。因此應(yīng)對復(fù)壓過程中的污染監(jiān)測與控制進行分析研究。

在復(fù)壓過程中，應(yīng)采用控溫低于230K 的QCM對復(fù)壓過程中的污染變化情況進行監(jiān)測，了解污染物運動規(guī)律；還應(yīng)建立原位顆粒污染監(jiān)測方法。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，建立復(fù)壓過程污染控制規(guī)范。

3）污染物成分分析

目前僅采用氣相色譜質(zhì)譜連用方法分析污染物成分，測量方法單一且操作較為復(fù)雜，成分鑒別所需時間較長。應(yīng)探索其他成分分析方法，如紅外光譜成分分析方法[12]。

4）污染效應(yīng)測試分析

污染效應(yīng)測試主要是測試一定量的污染造成的光學(xué)系統(tǒng)透過率損失，目前存在的問題是污染量和污染效應(yīng)測量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性較差。對污染效應(yīng)測試分析方法的改進建議如下：首先，建立可控溫的光學(xué)透過率損失測試裝置，保證其溫度狀態(tài)與測試污染總量的QCM 相同；其次，設(shè)計用于電子顯微鏡觀察污染物形態(tài)的取樣板，對污染物形態(tài)進行分析，排除由于污染膜不均勻?qū)е碌墓鈱W(xué)試片透過率損失測量不準確的可能性；再者，星上光學(xué)系統(tǒng)有可見光、紅外兩個主要波段，紅外波段同樣容易受污染影響，并且除了分子污染，還有顆粒污染影響，應(yīng)針對紅外波段光學(xué)系統(tǒng)補充紅外波段污染效應(yīng)測量方法，以更有針對性地反映污染效應(yīng)。

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