航天器真空熱試驗污染物成分分析

焦子龍, 龐賀偉, 易 忠, 楊東升

（1. 北京衛星環境工程研究所 北京 100094；2. 中國空間技術研究院 北京 100094）

0 概述

為減輕重量，衛星上廣泛應用了非金屬材料。在地面進行環境試驗時，環境模擬器和衛星上的非金屬材料在真空試驗環境下的放氣物會對衛星造成污染[1]。當前我國進行真空熱試驗污染監測的主要工具是石英晶體微量天平和光學試片[2]，監測方法偏重于污染總量監控及敏感表面的污染效應監控，不足以反映污染物的完全信息。由于真空熱試驗過程中產生的污染物是已含許多物質的混合物，成分極其復雜，如何獲得準確的成分信息進而確定其來源是污染研究的重要課題。

國內外在污染物成分分析方面進行了很多研究，如美國 NASA哥達德空間飛行中心曾利用石英晶體微量天平、殘余氣體分析器、氣相色譜-質譜連用儀（GC/MS）和傅立葉紅外分光光度計（FTIR）對衛星真空熱試驗污染物成分進行定性定量分析，發現最常見的污染物為酯、脂肪烴和甲基硅酮[3]。日本NASDA利用FTIR和GC/MS對兩臺環模器內的污染物進行了數次定性分析，發現了酯和碳氫化合物的存在，硅酮含量也比較多[4]。韓國KARI利用GC/MS技術分析了KAISTAT-4 FM烘烤試驗過程中的污染物成分[5]。

作者利用氣相色譜-質譜方法對幾種衛星及部件真空熱試驗的污染物成分進行了數次分析測試，得到了一些有價值的結果[6]。在最近的應用中，利用文獻[6]開發的方法對某星初樣太陽電池板真空熱試驗結束后出現的大量肉眼可見污染物進行了成分的定性分析；對兩顆星OSR表面及太陽電池板表面在真空熱試驗后表面殘留的鄰苯二甲酸酯類污染物進行了定量分析，并對測試結果進行了分析總結。

1 分析方法

污染物收集及分析的基本過程為：通過污染收集板吸附或脫脂棉擦拭，對真空熱試驗污染物進行收集，采用丙酮溶液浸泡獲得包含污染物的溶液，然后進行色譜-質譜分析。通過譜庫檢索、比對，確定污染物的主要成分。污染物的定量分析，需用對照物質配制一系列濃度的對照溶液確定工作曲線，求出曲線斜率和截距。在完全相同的條件下，準確進樣并與相同體積的樣品溶液相對照，根據待測組分的信號，從工作曲線上可得出樣品溶液的定量濃度。

污染物采樣使用擦拭取樣（wipe sampling），即采用擦拭布或棉簽蘸取有機溶劑，借助鑷子對感興趣部位進行擦拭，使得污染物從敏感表面轉移到擦拭材料上。這種方法是收集痕量污染物最有效的方法之一。

試驗前應采用丙酮等溶劑對采集裝置和試驗用具進行清洗，直到清洗后的溶液進行色譜-質譜分析時沒有明顯的譜峰出現。操作過程中應避免引入除試驗過程采集的污染物以外的物質，溶劑純度應不低于色譜純度。

樣品前處理步驟為：將樣品置于三角瓶中，加入100 ml色譜純丙酮浸泡3 h，再超聲處理30 min。將提取液旋轉蒸發至1 ml，正己烷定容至2 ml，將樣品用 0.45 μm有機物濾膜過濾，然后上機測試。

色譜-質譜分析儀器為安捷倫 7890/5975氣相色譜-質譜聯用儀，色譜柱型號為DB-5石英毛細管柱，規格為30 m×0.25 mm×0.25 μm。

色譜-質譜分析條件為：進樣器溫度 280 ℃，傳輸線溫度280 ℃，柱流量1.0 mL/min，分流比5:1。程序升溫條件為：80 ℃保持2 min，以3℃/min的速度升溫至250 ℃，保持15 min，然后以20 ℃/min的速度升溫至280 ℃，保持2 min，進樣量1.0 μl。質譜部分接口溫度280 ℃，離子源溫度230 ℃，溶劑延遲6.5 min，掃描時間7～77 min，掃描方式為SCAN，掃描質量數選擇范圍40～700。

色譜部分的結果是總離子流隨時間的變化。因此，直觀上看，色譜圖上縱坐標值較大的譜峰為主要的成分，而其質譜圖檢索標準譜庫會得到成分信息及表示該質譜圖與標準譜圖相似程度的數值。通過該信息及其他資料可確定污染物成分。色譜圖中，橫坐標為保留時間（min）；縱坐標為總離子數。

2 污染物定性分析

某星太陽電池板試驗結束后，在紅外燈陣擋板上目視可見油滴狀的有機污染物如圖1所示。為了解污染物的成分及來源，對擋板上3個不同位置的污染物進行了采集取樣。

通過對污染物進行色譜-質譜成分分析，結果3個樣品譜圖基本一致，因此可以認定擋板上不同位置的污染物是相同的。圖2為樣品1的色譜圖。

圖1 太陽電池板真空熱試驗后燈陣擋板上殘留污染物Fig. 1 Residues of contaminants at lamp array after thermal vacuum tests for solar array

圖2 樣品1色譜圖Fig. 2 Chromatograph of sample #1

圖3顯示主要污染物保留時間分別為37.171 min和41.387 min時的色譜峰所對應的質譜圖。

圖3 色譜峰對應的質譜圖Fig. 3 Mass spectra for sample #1

對圖3質譜圖進行標準譜庫的檢索，與標準譜圖匹配度最高僅20%。因此只能通過質譜峰及材料信息進行分析。質譜圖中主要峰值有 135、197、 405、479等，通過資料查找及分析，135和197分別對應(CH3)2C6H5Si+和 CH3(C6H5)2Si+。因此確定污染物成分為甲基苯基硅氧烷。

圖4 色譜峰對應的質譜圖Fig. 4 Mass spectra for solar array in reference [5]

文獻[6]中曾在某星正樣太陽電池板的熱真空試驗中也發現了甲基苯基硅氧烷。其保留時間為19.892 min和20.775 min的色譜峰對應的質譜圖如圖4所示。從圖中可以看出，主要質譜峰與圖3完全相同。說明這種污染物比較常見，其來源的材料在多種太陽電池板上應用。

對太陽電池板研制生產單位提供的太陽電池板基板材料和太陽電池片粘貼所用非金屬材料進行調研。基板主要使用的材料為鋁蜂窩夾芯、碳纖維復合材料和聚酰亞胺絕緣膜，其主要放氣產物包括苯系物等，與檢測得到的污染物不同。

太陽電池片粘貼材料則使用了蓋片膠和底片膠。蓋片膠用于太陽電池上粘貼玻璃蓋片；底片膠用于太陽電池與基板之間粘貼。由于應用面積較大，因此一塊太陽電池板總用膠量約1 kg。蓋片膠和底片膠均為雙組份硅橡膠：蓋片膠主要成分為八甲基環四硅氧烷(CH3)8(OSi)4，它不含苯環，因此不是污染源；底片膠主要成分為108硅橡膠，又稱甲基雙苯基室溫硫化硅橡膠，或稱二甲基二苯基(聚)硅氧烷（HO-[(CH3)2SiO]m-[(C6H5)2SiO]n-OH）。因此，可以推斷3種未知污染物為108硅橡膠放氣產物。

另外，通過調研發現，該種底片膠在多種型號衛星的太陽電池板中應用，包括文獻[6]的正樣太陽電池板。由此也可以確定污染物來源于太陽電池板底片膠所用的108硅橡膠。

分析出現嚴重的目視污染物的原因有：

1）試件的初樣試驗條件更為嚴格。對于初樣的熱真空試驗，循環次數一般是正樣試件的3倍，導致試件真空高溫暴露時間更長，放氣量大大增加；

2）初樣制造工藝控制不嚴，材料使用量過大。

太陽電池板是衛星主要的大分子污染物來源之一，鑒于108硅橡膠在多種型號太陽電池板中應用，應對其放氣特性進行詳細分析，并根據分析結果制定合理的污染控制措施。另外，初樣太陽電池板的真空熱試驗也應采取合理的污染控制措施，避免試件對環模設備產生嚴重污染。

3 污染物定量分析

目前我國衛星進行真空熱試驗多采用紅外燈及加熱籠方式模擬外熱流，用于試驗過程中污染總量監測的石英晶體微量天平只能安裝于加熱籠或紅外燈外側。因此其測得的污染量與敏感表面實際污染量仍有區別，而污染物成分的定量分析方法則避免了這種不足。并且，污染物定量分析可獲得每種污染物的質量，從而實現有效的污染源控制。

文獻[7]指出，鄰苯二甲酸酯類污染物是真空熱試驗中最主要的污染物，原因在于其分子量較高，但吸附熱較低。因此，選擇鄰苯二甲酸酯類的3種污染物（鄰苯二甲酸二丁酯DBP、鄰苯二甲酸二異丁酯DIBP、鄰苯二甲酸二辛酯DOP）進行了多次定量分析，分析結果如下。

3.1 背景污染物分析

將采用的DuPont Sontara潔凈間擦拭布用丙酮溶液浸泡后對溶液進行分析，以確定引入的背景污染物含量。擦拭布的大小為5.72 cm×11.43 cm。分析得出的3種目標污染物含量：DIBP為1.88 μg，DBP為1.77 μg，DOP為1.64 μg。

3.2 空間模擬器熱沉殘留污染物分析

為了解空間模擬器熱沉上殘留污染物的成分及量級，在某型號太陽電池板真空熱試驗結束后對設備的筒體熱沉中部進行擦拭取樣。擦拭面積約100 cm2，得到的色譜圖和成分分析結果如文獻[6]中的圖3和表3所示。

對鄰苯二甲酸二丁酯和鄰苯二甲酸二異辛酯進行了定量分析，其含量分別為42 μg和750 μg。考慮到擦拭面積約100 cm2，則兩種污染物殘留約4.2×10-7g/cm2和7.5×10-6g/cm2。這說明熱沉上殘留的污染物較多，應該定期清潔。

3.3 污染敏感表面真空熱試驗后殘留污染物分析

真空熱試驗過程是衛星最容易遭受分子污染的階段，因此在真空熱試驗后對污染敏感表面進行潔凈度監測是十分必要的。利用前述章節介紹的方法，對兩顆衛星的OSR表面污染和某太陽電池板表面污染進行了定量分析，結果如表1所示。表中結果已經扣除背景污染物。

表1 污染物定量分析結果Tab. 1 Quantitative analysis results of molecular contaminants

在GJB 2203A—2005《衛星產品潔凈度及污染控制要求》中規定了衛星在地面環境中的最低潔凈度要求。地面環境包括加工、總裝測試、包裝運輸、發射場測試等。對于熱控表面和太陽電池陣的分子污染控制要求分別為1.7×10-6g/cm2和7×10-7g/cm2。

對比定量分析的結果可以發現，真空熱試驗后OSR表面污染的余量較大。太陽電池片表面污染量雖滿足要求，但余量較小，控制措施應加強。

4 結束語

航天器產品真空熱試驗中污染物的種類和成分多種多樣，定量分析污染物成分的方法和設備也日益成熟和完善。氣相色譜質譜成分分析法是分子污染物成分分析的一種有效方法。對太陽電池板真空熱試驗出現的大量污染物進行的測試分析，確定了其成分為甲基苯基硅氧烷，來源于太陽電池底片膠所用的108硅橡膠。

對空間模擬器熱沉殘留污染物進行分析，發現鄰苯二甲酸二辛酯殘留最多，污染量可達7.5×10-6g/cm2。對OSR表面和太陽電池板表面的殘留污染物進行的分析，發現OSR和太陽電池片表面最大污染量為4.1×10-7g/cm2，能夠滿足GJB 2203A—2005的有關要求。

5 改進建議

1）取樣擦拭材料處理

從前述3.1節已經看出，取樣所用擦拭布中含有若干鄰苯類物質，對分析有一定影響，較好的解決方法是在取樣前將擦拭材料中的雜質（如棉布、棉簽中的棉籽油、膠粘劑等成分）盡可能完全除去。目前較為常用的、效率較高的方法是索氏萃取，其原理是用溶劑回流及虹吸原理，使擦拭布中的可溶于溶劑的雜質連續多次被純溶劑萃取。一般萃取24 h以上即可將雜質完全除去。這將提高成分分析的靈敏度和準確度。

2）建立成分分析專家系統

譜圖的解析需要具有較多經驗的分析者時，當計算機檢索不能得到較好匹配結果時，應當建立成分分析專家系統。而目前已有的NIST和Wiley標準譜庫都是通用的譜庫，針對性較差，很多航天用材料成分沒有記錄。因此，建立專家系統知識庫，存儲每種成分的識別準則及指紋峰信息，可大大提高分析效率。

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[1] 程廣河. 淺析航天器的污染及其控制[J]. 航天器環境工程, 2003, 20(1): 35-39

[2] 中華人民共和國航空航天工業部. QJ 2321—92 衛星真空熱試驗污染控制方法[S]. 北京: 中國航天標準化研究所, 1992: 9

[3] Chen P, Hedgeland R, Montoya A, et al. Statistical evaluation of molecular Contamination during spacecraft thermal vacuum test[C]//Proc. of 20thspace simulation conference. Annapolis: National Aeronautics and Space Administration, 1998

[4] Saruwatari H, Saitoh M, Saegusa H. Results of contamination measurement in Space Simulation Chambers at NASDA[C]//Proc. of 4thInternational Symposium on Environmental Testing for Space Programmes. Noodwijk: European Space Agency, 2001

[5] Cho Hyokjin, Moon Guee-Won, Seo Hee-Jen, et al. Measurement of molecular contamination for satellites using a quartz crystal microbalance[J], Journal of IEST, 2004, 47(1): 107-110

[6] 焦子龍, 龐賀偉, 易忠, 等. 衛星真空熱試驗污染物成分分析[J]. 航天器環境工程, 2009, 26(3): 240-243

[7] Saruwatari H, Baba N, Saitoh M, et al. Investigation of organic molecule kinetics in thermal vacuum environment[C]//Proc. of 24thspace simulation conference, 2006