光學器件的空間粉塵高速撞擊效應研究

董尚利，劉 海，呂 鋼，李延偉，楊德莊，何世禹

（哈爾濱工業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150001）

0 前言

空間粉塵（space dust）的稱謂來源于空間探測，最初系指宇宙塵埃，后來人們習慣性地將μm級或更小尺寸的空間碎片和微流星體也稱為空間粉塵[1-2]。在低地球軌道，微小空間碎片或微流星體的數量遠多于大尺寸空間碎片，與航天器撞擊的概率高，微小空間碎片的單次高速撞擊不會對航天器造成嚴重損害，但累積撞擊會使航天器的表面受到損傷，其中熱控涂層、太陽能電池及光學器件（如反射鏡、透鏡、防護玻璃和舷窗）受到的撞擊損傷最大[1,3]。隨著對航天器壽命和可靠性要求的不斷提高，微小空間碎片或微流星體高速撞擊特性及其對航天器外表材料和器件的累積損傷效應日益引起重視。國內有關單位在“十五”末期和“十一五”期間先后建立起激光驅動[4]、等離子驅動[5]和靜電加速[6]等地面模擬試驗技術，形成了百μm級和μm級空間碎片高速撞擊特性及效應研究的能力[7]，并以光學玻璃[8]、航天器舷窗[9]和太陽能電池[10]等典型材料及器件為對象開展了研究。

靜電加速器是一種被廣泛應用的微小粒子高速撞擊模擬試驗裝置，依據所選用微小粒子的不同，可將μm級或亞μm級的粒子加速到每秒幾km至數十km[11-15]。“十一五”期間，在國家空間碎片專題研究項目支持下，哈爾濱工業大學利用建立的空間粉塵靜電加速高速撞擊模擬試驗裝置對光學器件、表面鏡型熱控涂層和太陽能電池在μm級粒子高速撞擊下的累積損傷特性及效應進行了較為系統的研究，探索了空間粉塵高速撞擊效應的模擬與評價技術。本文重點介紹有關光學器件的研究結果。

1 試驗樣品和試驗

1.1 試驗樣品

分別選擇光學石英玻璃、光學透鏡和反射鏡為試驗樣品，3種試樣的直徑為20 mm，玻璃基體的厚度為3 mm。其中，光學透鏡的基體為K208抗輻射玻璃，雙面分別鍍有厚度為數百nm的MgF2+ ZrO2+Al2O3復合增透膜；反射鏡的基體為抗輻射石英玻璃，采用Ag為反射鏡面，其表面鍍有Al2O3和SiO2保護膜，反射膜的總厚度亦為數百nm；同時，為便于觀察被撞擊試樣表面的損傷形貌，在光學石英玻璃表面采用真空蒸鍍的方法沉積了一層厚度為百nm的白金（Pt）。圖1所示為用于靜電加速試驗的光學透鏡和反射鏡樣品。

1.2 靜電加速撞擊試驗

空間粉塵高速撞擊模擬試驗在靜電加速器上進行，采用名義尺寸為1 10 μm的鋁粉充當μm級空間碎片或微流星體的模擬體，鋁粉的典型形貌如圖2。該靜電加速器采用靜態和動態二級分段加速的工作方式，與常規的Van de Graff靜電加速器相比，大幅度降低了額定工作電壓[5]，試驗裝置及其工作原理如圖3所示。加速鋁粉時，粉塵發射器的工作電壓為10 kV，靜態段的加速總電壓為150～160 kV，動態段的加速總電壓為450～520 kV。加速試驗過程中的測控及數據存儲由設備控制臺上的計算機執行；被成功發射、靜態加速和動態加速的粒子速度可由測控程序實時顯示，鋁粉粒子被動態加速進入靶室前的速度 V56即為中靶速度。靜電加速器的靶室真空采用機械泵和擴散泵組合的方式控制，撞擊試驗過程中，靶室的真空度可達10-3Pa。

圖1 粉塵靜電加速撞擊試驗用樣品Fig. 1 Samples applied in space dust electrostatic accelerating impact test

圖2 鋁粉粒子的形貌Fig. 2 SEM morphology of the aluminum microparticles

圖3 粉塵靜電加速器及其工作原理圖Fig. 3 The electrostatic accelerator of space dust and its operation principle scheme

1.3 撞擊特性和效應分析試驗

被撞擊光學器件試樣表面損傷形貌特征觀察在Hitachi S-4700型掃描電子顯微鏡上進行，顯微鏡的加速電壓為15 kV，同時利用該電鏡附帶的EDAX能譜儀進行微區成分分析。光學透鏡的透過率和反射鏡的反射率經給定數量鋁粉粒子累積撞擊前后采用PE Lambda 950型紫外/可見光分光光度計實施測評，所測定的波長范圍為200～2 500 nm。此外，還利用自行研制的原位測試裝置并配合使用雙通道高頻數字示波器，探測了高速撞擊過程中可能產生的等離子體和發光效應。

2 試驗結果及分析

2.1 撞擊損傷特征

對1～10 μm鋁粉進行加速，所獲得的中靶速度一般分布在2～12 km/s之間，有時會達到15 km/s或更高的速度。在上述速度撞擊下，μm級鋁粒子單次撞擊在光學器件表面造成的損傷區域有限，利用肉眼或普通光學顯微鏡很難分辨清楚，必須采用具有高分辨能力的電子顯微鏡（如掃描電鏡）進行觀測。

觀測結果顯示：經μm級鋁粒子累積撞擊后，表面鍍膜石英玻璃、光學透鏡和反射鏡表面產生不連續的缺陷，圖4～圖6分別所示為掃描電鏡對表面鍍膜石英玻璃、光學透鏡和反射鏡表面典型損傷特征的觀測結果。由圖4可以看到石英玻璃試樣的鍍膜被掀起并機械破裂（圖4(a)）和產生二次裂紋（圖4(b)）；由圖5和圖6也可觀察到撞擊后的光學透鏡和反射鏡試樣有撞擊坑、二次裂紋（圖5(a) 、圖6(a)）與附著的粒子（圖5(b) 、圖6(b)）。此外，對被撞擊光學器件表面觀測還發現了局部熔化現象（見圖7(a)），并對圖7(a)中的“+”號標識的局部區域進行了能譜分析（見圖7(b)），分析認為局部熔化是由鋁粒子高速撞擊靶材所導致的結果。

圖4 表面鍍膜石英玻璃表面撞擊損傷形貌（SEM）Fig. 4 SEM surface damage morphology of the coated silica glass induced by hypervelocity impact

圖5 光學透鏡表面撞擊損傷形貌（SEM）Fig. 5 SEM surface damage morphology of the optical lens induced by hypervelocity impact

圖6 光學反射鏡表面撞擊損傷形貌（SEM）Fig. 6 SEM surface damage morphology of the optical reflector induced by hypervelocity impact

圖7 鋁粒子高速撞擊表面鍍膜石英玻璃過程中產生的局部熔化Fig. 7 Local melting phenomenon observed during hypervelocity impact of aluminum microparticle on silica glass

2.2 撞擊損傷效應

為評價鋁粉粒子高速累積撞擊后的損傷效應，在對被撞擊光學器件試樣進行表面損傷特征分析的基礎上，本文還選取典型光學透鏡和反射鏡試樣，利用分光光度計分別測試了經給定數量的鋁粉粒子高速撞擊后光學透鏡的透過率和反射鏡的反射率，測試結果見圖8。由圖8可以看出，經1 10 μm 鋁粉粒子累積千次以上的撞擊后，光學透鏡的透過率和反射鏡的反射率在測試波長范圍內下降了約1%～3%，遠遠低于百μm級空間碎片撞擊模擬試驗的結果[9]，表明光學透鏡和反射鏡的光學性能經μm級粒子撞擊后僅發生了較小程度的衰減。

圖8 鋁粒子高速累積撞擊對光學透鏡透過率和反射鏡反射率的影響Fig. 8 Influence of accumulated impacts of aluminum microparticles on transmissivity of lens and reflectance of reflector

上述結果顯示：經μm級鋁粉粒子高速累積撞擊后，光學透鏡和反射鏡的光學性能發生了很小幅度的退化，其原因在于撞擊粒子的尺寸小，所造成的損傷有限。盡管如此，空間粉塵高速撞擊對航天器所造成的累積損傷效應也不應忽視，這是因為圖8的結果僅考慮了空間粉塵單一因素的高速撞擊作用，并沒有涉及其他環境因素如原子氧侵蝕、帶電粒子輻照和真空冷熱循環的綜合作用，這是今后空間粉塵環境綜合效應研究的工作重點。

2.3 等離子體和發光效應

微小空間碎片或微流星體相對于航天器的典型速度為10～15 km/s（能量約為107～108J/kg或10～300 eV/原子），這些微小粒子在撞擊固體目標時，碰撞能量釋放極快（約10-10～10-8s內），撞擊過程可視為一個絕熱過程。撞擊過程中，在直線尺寸接近于撞擊微小粒子的碰撞區域內，發生固體的壓縮，沖擊壓力可達1011～1012Pa；在產生變形和發生機械破壞的同時，還可能會產生等離子體云、發光或引起充電表面發生放電、電磁波輻射等次生效應[16]。理論分析已推斷或空間搭載試驗已證實空間碎片高速撞擊過程中上述各效應的存在。因此，在進行地面模擬試驗時，需要建立有效的評價、測試和分析方法，以正確揭示這些效應及其物理本質。

本文在利用粉塵靜電加速器考察μm級鋁粒子高速撞擊光學器件損傷特性及效應的同時，還以光學透鏡為對象，探索了測定粒子高速撞擊過程中產生等離子體和發光效應的技術途徑，成功研制了等離子體和發光效應的原位測試裝置，并配合使用高頻數字示波器分別同時捕捉并記錄下了鋁粒子撞擊光學透鏡過程中的粒子速度和電離譜及粒子速度和光電子譜，確認了等離子體效應和發光效應的存在。

原位測試裝置如圖 9所示，其基本工作原理為：透鏡試樣（圖中的靶材）固定在測試裝置的中部；在透鏡試樣的正前方（撞擊面）是等離子體測試單元，即采用正離子檢波的方式捕捉撞擊產生的等離子體；在透鏡的背面是光子測試單元，即采用光電倍增管捕捉撞擊產生的光子；另外，在原位測試裝置最前端（粒子入射處）又單獨設置了粒子測速系統，對粒子的速度進行測定，如圖9(a)所示。原位測試裝置所獲得的速度信號、等離子體信號和光電子信號同時記錄存儲，實現效應的原位測試。在撞擊試驗前，將原位測試裝置安裝于粉塵靜電加速器靶室前部接近粒子入口處（圖 9(b)）。試驗中所測得的各信號傳輸到雙通道高頻數字示波器與控制臺的計算機。圖10是示波器顯示μm級鋁粒子高速撞擊光學透鏡過程中產生的等離子體和發光效應的測試結果。

國外在開展空間粉塵撞擊效應研究中，除了關注高速撞擊過程中可能產生的等離子體、發光、放電、電磁輻射等次生效應對航天器造成的危害外，還對如何利用這些次生效應的研究感興趣，已研制出等離子效應型探測器并成功運用于空間環境的探測。這方面的工作將是國內空間粉塵撞擊效應研究的另一個重點。

圖9 微小粒子高速撞擊誘發等離子效應和發光效應原位測試裝置Fig. 9 Facility for in situ testing of plasma or light flash induced by microparticle hypervelocity impact

圖10 鋁粒子高速撞擊光學透鏡產生的等離子體和發光現象Fig. 10 Phenomenon of plasma and light flash induced by aluminum microparticle hypervelocity impacting optical lens

3 結論

本文以光學器件為對象，開展空間粉塵環境效應的模擬與評價研究，利用粉塵靜電加速器、掃描電鏡、能譜儀、分光光度計和多通道高頻數字示波器，考察了μm級粒子高速撞擊表面鍍膜石英玻璃、光學透鏡及反射鏡的累積損傷特性和撞擊效應，得到以下主要結論：

1）粉塵靜電加速器是模擬μm級空間碎片和微流星體高速撞擊的一種有效地面試驗手段，本文介紹的試驗條件下，可將名義尺寸為1～10 μm的鋁粉粒子加速到2～12 km/s或更高的速度；

2）μm級粒子高速撞擊石英玻璃、光學透鏡和反射鏡所造成的損傷特征主要為撞擊坑、表面膜的破損和開裂、局部熔化或撞擊粒子的附著等；

3）μm級粒子累積撞擊將導致光學器件的光學性能發生一定程度衰減，經千次以上的撞擊后，光學透鏡的透過率和反射鏡的反射率降低了約1% 3%；

4）本文試驗條件下，采用原位測試技術探測到μm級鋁粒子高速撞擊所誘發的等離子體和發光現象，已證實了微小粒子高速撞擊過程中等離子體的產生和發光效應的存在。

（

）

[1] Belk C A, Robison J H, Alexander M B, et al. Meteoroids and orbital debris: effects on spacecraft, NASA-RP 1408[R], 1993

[2] Wills M J, Burchell M J, Ahrens T J, et al. Decreased value of cosmic dust number density estimates in the solar system[J]. Icarus, 2005, 176: 440

[3] 黃本誠. 空間環境工程學[M]. 北京：國防工業出版社, 1993: 130-140

[4] 董洪建, 童靖宇, 黃本誠. 真空環境下空間碎片超高速撞擊試驗研究[J]. 真空科學與技術學報, 2004, 24(2): 109-112

Dong Hongjian, Tong Jingyu, Huang Bencheng. Impact simulation of hypervelocity space debris in vacuum environment[J]. Vacuum Science and Technology, 2004, 24(2): 109-112

[5] 韓建偉, 張振龍, 黃建國, 等. 利用等離子體加速器發射超高速微小空間碎片的研究[J]. 航天器環境工程, 2006, 23(4): 205-209

Han Jianwei, Zhang Zhenlong, Huang Jianguo, et al. Launching of hypervelocity micro space debris by plasma accelerator[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2006, 23(4): 205-209

[6] 白羽, 龐賀偉, 龔自正, 等. 一種微米級粒子的靜電發射加速裝置[J]. 航天器環境工程, 2007, 24(3)：140-144

Bai Yu, Pang Hewei, Gong Zizheng, et al. A liner electrostatic accelerator for simulating micro-particles[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2007, 24(3): 140-144

[7] 楊繼運, 龔自正, 張文兵, 等. 微米級空間碎片超高速撞擊地面試驗技術的研究進展[J]. 宇航學報, 2008, 29(4): 1112-1115

Yang Jiyun, Gong Zizheng, Zhang Wenbing, et al. Progress in hypervelocity impact test techniques for micron-sized space debris[J]. Journal of Astronautics, 2008, 29(4): 1112-1115

[8] 姜利祥, 白羽. 空間粉塵高速撞擊對光學玻璃透過率影響的研究[J]. 航天器環境工程, 2005, 22(4): 215-218

Jiang Lixiang, Bai Yu. A study on effect of high-speed space dust collision on transmittance of optical glass[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2005, 22(4): 215-218

[9] 龐賀偉, 龔自正, 張文兵, 等. 航天器舷窗玻璃超高速撞擊損傷與M/OD撞擊風險評估(英文)[J]. 航天器環境工程, 2007, 24(3): 135-139

Pang Hewei, Gong Zizheng, Zhang Wenbing, et al. Hypervelocity impact damage of fused silica glass and M/OD impact risk assessment of spacecraft windshield[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2007, 24(3): 135-139

[10] 李宏偉, 黃建國, 韓建偉, 等. 空間微小碎片撞擊對太陽能電池性能影響[J]. 航天器環境工程, 2010, 27(3): 290-294

Li Hongwei, Huang Jianguo, Han Jianwei, et al. The property degradation of solar cell under cumulative impact of small space debris[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2010, 27(3): 290-294

[11] 楊繼運, 龔自正, 張文兵, 等. 粉塵靜電加速器設備原理及發展狀況[J]. 航天器環境工程, 2007, 24(3): 145-147

Yang Jiyun, Gong Zizheng, Zhang Wenbing, et al. The principle and development of dust electrostatic accelerator[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2007, 24(3): 145-147

[12] Burchell M J, Cole M J, McDonnell J A M, et al. Hypervelocity impact studies using the 2 MeV Van de Graff accelerator and two-stage light gas gun of the University of Kent at Canterbury[J]. Meas Sci Technol, 1999, 10: 41-50

[13] Stubig M, Schafer G, Ho T Mi, et al. Laboratory simulation improvements for hypervelocity micrometeorites impacts with a new dust particle[J]. Planetary and Space Science, 2001, 49: 853-858

[14] Hasegawa S, Hamabe Y, Fujiwara A, et al. Microparticle accelerator for hypervelocity experiments by a 3.75 MeV Van de Graff accelerator and 100 keV electrostatic accelerator in Japan[J]. International Journal of Impact Engineering, 2001, 26: 299-308

[15] Manninga H L K, Cregoire J M. An upgraded highvelocity dust particle accelerator at Concordia College in Moonrhead Minnesota[J]. International Journal of Impact Engineering, 2006, 33: 402-409

[16] Lai S T, Murad E. Hazards of hypervelocity impacts on spacecraft[J]. Journal of Spacecraft & Rockets, 2002, 39(1): 106-114