航天光學(xué)系統(tǒng)的污染控制技術(shù)

院小雪，周傳良，楊東升1,

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

0 引言

航天光學(xué)系統(tǒng)是重要的航天有效載荷，其突出特點(diǎn)是對污染高度敏感。航天光學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行所處的空間環(huán)境與地面環(huán)境存在巨大的差異，光學(xué)系統(tǒng)的功能性器件將因所處環(huán)境的改變而發(fā)生變化[1]，在地面生產(chǎn)和制造時(shí)的可靠性狀態(tài)也隨之改變。污染是造成這種變化的因素之一。要保證航天光學(xué)系統(tǒng)在研制及在軌運(yùn)行期間由于分子污染和顆粒污染造成的光學(xué)器件光學(xué)透過率、反射率和散射光的改變滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分辨率和靈敏度要求，達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)任務(wù)目標(biāo)，必須做好航天器光學(xué)系統(tǒng)的污染控制工作。

1 國外航天光學(xué)系統(tǒng)的污染控制

航天光學(xué)系統(tǒng)有著相似的有效載荷和空間環(huán)境，航天光學(xué)系統(tǒng)有效載荷曾因污染造成一系列的故障。采取有效的污染控制措施是保證航天光學(xué)系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件。例如，作為美國國家防御系統(tǒng)重要組成部分[2]的彈道中段空間試驗(yàn)衛(wèi)星（Midcourse Space Experiment，MSX）針對其有效載荷對污染高度敏感的特性，制定了周密的污染控制計(jì)劃。由 ESA和 NASA共同承擔(dān)的 Solar &Heliospheric Observatory（SOHO）和美國的Transition Region Coronal Explorer（TRACE）兩個(gè)太陽望遠(yuǎn)鏡[3]以及其他航天光學(xué)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)都證明污染控制是航天光學(xué)系統(tǒng)研制中的重要工作之一。

1.1 MSX的污染控制措施

MSX于1996年4月24日發(fā)射，重2 700 kg，長5.1 m，運(yùn)行在高度為900 km的近似太陽同步軌道的極軌道，軌道傾角為99.4°，主要有3個(gè)有效載荷：1）大型固態(tài)氫制冷的紅外望遠(yuǎn)鏡（空間紅外望遠(yuǎn)鏡SPIRIT III）；2）可見光波段望遠(yuǎn)鏡（天基可見 SBV）；3）一套從近紅外到紫外波段的望遠(yuǎn)鏡和分光計(jì)（紫外與可見光成像儀和光譜成像儀UVISI）。所有這些光學(xué)儀器都被集中安裝在衛(wèi)星的一側(cè)，而大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集和處理電子單元被安裝在衛(wèi)星的另一側(cè)。這種設(shè)計(jì)可以減少由于數(shù)據(jù)采集和處理電子單元的部分非金屬材料放氣而導(dǎo)致的對光學(xué)儀器及其觀測空間的污染。圖1和圖2分別是MSX整星和MSX光學(xué)系統(tǒng)的外形圖。

由于紫外比可見光和紅外在單位厚度分子污染膜內(nèi)的吸收率更高，所以 UVISI光學(xué)元件表面對污染非常敏感。這就要求紫外望遠(yuǎn)鏡的零部件比可見光望遠(yuǎn)鏡的零部件進(jìn)行更長時(shí)間的真空烘烤[4]。在發(fā)射期間和入軌初始階段，這些主要光學(xué)儀器上都有防護(hù)蓋保護(hù)。MSX的污染試驗(yàn)組負(fù)責(zé)有關(guān)污染方面的設(shè)計(jì)和控制，在整個(gè)研制過程中跟蹤監(jiān)測飛行件的潔凈度，模擬在軌污染環(huán)境，發(fā)射前發(fā)布飛行中污染環(huán)境預(yù)估，設(shè)計(jì)在軌污染測量試驗(yàn)。

圖1 彈道中段空間試驗(yàn)衛(wèi)星Fig. 1 The MSX satellite

圖2 彈道中段空間試驗(yàn)衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)Fig. 2 The optical system of MSX satellite

1.2 MSX的在軌實(shí)時(shí)污染監(jiān)測

在軌污染會(huì)造成反射鏡的反射率降低和散射增加，影響其光學(xué)性能。因此MSX共安裝了5個(gè)石英晶體微量天平（QCM），其中4個(gè)為溫控石英微量天平（TQCM），1個(gè)為低溫石英微量天平（CQCM）。溫控石英微量天平位于衛(wèi)星的不同外表面，工作溫度為-400～+500 ℃，測量硅樹脂和有機(jī)物分子的凝結(jié)物。低溫石英微量天平位于SPIRIT III紅外低溫望遠(yuǎn)鏡主鏡附近。在工作的第一周，它的溫度隨主鏡從28 K降到20 K，可提供望遠(yuǎn)鏡主鏡上污染物沉積的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，所有的QCM記錄的污染物沉積率都在每天20 ng/cm2的水平。QCM熱重分析提供了凝結(jié)污染物的數(shù)量和物質(zhì)成分。QCM和其他污染試驗(yàn)儀器的數(shù)據(jù)為確定安全打開光學(xué)儀器防護(hù)蓋的時(shí)間提供了原位實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)依據(jù)。這些QCM的監(jiān)測數(shù)據(jù)也成為分析衛(wèi)星軌道分子污染特性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。直到現(xiàn)在，這些數(shù)據(jù)還在源源不斷地被送到數(shù)據(jù)庫中，用來進(jìn)行衛(wèi)星及有效載荷的在軌運(yùn)行狀況分析。

1.3 TAUVEX UV天文望遠(yuǎn)鏡的污染控制措施

TAUVEX UV天文望遠(yuǎn)鏡，由ISA（以色列航天局）發(fā)起，由El-Op和Tel-Aviv University Wise Observatory聯(lián)合設(shè)計(jì)和制造。每個(gè)望遠(yuǎn)鏡包括9個(gè)對污染敏感的光學(xué)表面，分別為主鏡、二次鏡、第一校正透鏡（2個(gè)表面）、第二校正透鏡（2個(gè)表面）、濾光器（2個(gè)表面）和探測器窗口。

該望遠(yuǎn)鏡由3個(gè)工作在140～280 nm光譜范圍的相同望遠(yuǎn)鏡組成。此光譜范圍對分子污染和顆粒污染高度敏感，需要制定嚴(yán)密的污染控制方法以滿足污染控制要求。

對 TAUVEX應(yīng)用的污染控制方法是由 Soreq NRC和El-Op共同制定的，涵蓋了設(shè)計(jì)、制造、總裝和測試的項(xiàng)目全過程，工作內(nèi)容包括：污染指標(biāo)分配；材料選擇標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)放氣對分子污染進(jìn)行理論分析，預(yù)估空間環(huán)境造成的光學(xué)性能衰減；測量透射損失和污染物密度之間關(guān)系的試驗(yàn)；專門的設(shè)計(jì)；總裝和試驗(yàn)環(huán)境；熱真空、振動(dòng)試驗(yàn)潔凈度控制，以及監(jiān)測設(shè)備的選擇和使用。

1.4 SOHO紫外儀器的潔凈度和標(biāo)定穩(wěn)定性

在過去的項(xiàng)目中，用于對太陽進(jìn)行空間觀測的光學(xué)儀器受到了航天器和儀器結(jié)構(gòu)所用材料的污染影響而導(dǎo)致敏感度衰減。與可見光波段相比，雖然太陽電磁輻射中紫外波段所占能量的比例很小，然而，如果連續(xù)暴露在太陽光下，依然能夠使得有機(jī)污染物聚合在光學(xué)表面上。SOHO選擇合適的材料以及獨(dú)特的航天器和儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得它在很大程度上能夠避免這種危害。SOHO上各種遙感儀器通過一定的潔凈度控制要求達(dá)到了穩(wěn)定的靈敏度要求。這些設(shè)計(jì)方面的獨(dú)到之處對未來進(jìn)行太陽探測和研究有普遍意義。

2 航天用非金屬材料污染光學(xué)效應(yīng)

2.1 機(jī)理分析

如圖3所示，一束光線入射到一個(gè)分子污染膜表面后，部分光線被反射，部分光線被吸收，部分光線被透射。根據(jù)能量守恒定律[5]，可知其中：ρ代表反射率；α代表吸收率；τ代表透射率。這3個(gè)參數(shù)與光線的入射角度、偏振和波長有關(guān)，可以通過試驗(yàn)來確定。

圖3 光線入射、反射、吸收和透射關(guān)系圖Fig. 3 The relation figure of incidence, reflection, absorption and transmittance of the rays

導(dǎo)致光學(xué)透射率損失的原因是污染物的散射作用。不同種類的分子污染膜吸收能譜不同，在不同的波段差別很大。顆粒污染物主要是造成入射光的散射，從而增加了漫反射（雙向反射分配函數(shù)，bi-directional reflectance distribution function），形成了探測器上的雜散光束，降低了信噪比。透射率損失只有當(dāng)顆粒污染物個(gè)數(shù)密度很大的時(shí)候才會(huì)顯著表現(xiàn)出來。

2.2 試驗(yàn)研究

對多種常見星用非金屬材料樣品進(jìn)行污染光學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)研究，部分試驗(yàn)分析結(jié)果如下。

1）對“導(dǎo)線緊扣帶”進(jìn)行分子污染沉積研究，表1為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，透射率譜如圖4所示（1～5號樣品分別代表SiO2基底上沉積的污染量為0.051 mg、0.093 mg、0.136 mg、0.182 mg 和 0.224 mg）。

表1 導(dǎo)線緊扣帶分子污染出氣數(shù)據(jù)Table 1 The molecular contamination outgassing data of the wire buckle

圖4 導(dǎo)線緊扣帶透射率譜Fig. 4 The transmittance of the wire buckle

圖5是導(dǎo)線緊扣帶透射率最大衰減值與沉積質(zhì)量之間的關(guān)系。從該圖可以得出如下結(jié)論：對于導(dǎo)線緊扣帶沉積不同厚度的分子薄膜后，光學(xué)鏡片在可見光、紫外和近紅外譜段的透射率衰減不同；但隨著波長的增加，同一厚度污染物薄膜的透射率逐漸增加；在波段200～2 500 nm間，由于污染各個(gè)光譜段透射率都有相同的衰減趨勢。另一個(gè)值得注意的現(xiàn)象就是發(fā)生在石英光學(xué)鏡片紫外波段210 nm左右處的光學(xué)透射率衰減值最大，且隨著污染膜厚度（質(zhì)量）的增加，透射率最大衰減值增大，且基本成線性關(guān)系。這些測試結(jié)果和美國ARNOLD機(jī)械材料技術(shù)中心報(bào)道的有機(jī)物分子紫外和可見光譜段分子污染沉積結(jié)果基本一致。

圖 5 導(dǎo)線緊扣帶透射率最大衰減值與沉積質(zhì)量的關(guān)系Fig. 5 The relation between the max transmittance attenuation and the contamination mass of the wire buckle

2）對某種星用“塑料”進(jìn)行分子污染沉積研究，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，透射率譜如圖6所示（1～5號樣品分別代表 SiO2基底上沉積的污染量為 0.015 7 mg、0.018 7 mg、0.019 0 mg、0.019 7 mg和0.021 8 mg）。

表 2 某塑料分子污染出氣數(shù)據(jù)Table 2 The molecular contamination outgassing data of the plastic

圖6 某塑料透射率譜Fig. 6 The transmittance of the plastic

該種“塑料”在石英鏡片上沉積不同厚度的可凝揮發(fā)物后，由圖7可見，光學(xué)鏡片在可見光、紫外和近紅外譜段的透射率衰減不同；同一波長時(shí)，污染物薄膜的透射率衰減速率并不隨沉積厚度（質(zhì)量）的增加而逐漸增加，沉積 0.015 7 mg比沉積0.019 0 mg“塑料”可凝揮發(fā)物后的透射率衰減量要低30%左右；而在200～2 500 nm波段間各透射率衰減卻有相同的趨勢，即隨著波長的增加，透射率衰減不斷減小，最大衰減值在200 nm附近。但該“塑料”的透射率最大衰減值和導(dǎo)線緊扣帶的不同，并不隨沉積質(zhì)量成線性關(guān)系。這些測試結(jié)果和國外報(bào)道的有機(jī)物分子紫外和可見光譜段分子污染沉積結(jié)果基本一致。

圖 7 塑料透射率最大衰減值與沉積質(zhì)量之間的關(guān)系Fig. 7 The relation between the max transmittance attenuation and the contamination mass of the plastic

圖 8是某種塑料出氣產(chǎn)物在 10 000～400 cm-1波段的光譜圖，從圖中可看出，吸收峰的位置在793 cm-1、1 018 cm-1、1 090 cm-1、1 253 cm-1、2 842 cm-1和2 910 cm-1處。而793 cm-1處是—CH3官能團(tuán)的吸收峰處；1 018 cm-1是RSO3H官能團(tuán)的吸收峰處[6]；1 090 cm-1是Si—O—Si官能團(tuán)的吸收峰處； 1 253 cm-1是—C(CH3)3官能團(tuán)的吸收峰處；2 842 cm-1是—CH3官能團(tuán)的吸收峰處；2 910 cm-1是—CH2—官能團(tuán)的吸收峰處。通過上述分析，推斷該塑料材料含有硫和硅元素，并且出氣產(chǎn)物主要是非金屬材料的降解產(chǎn)物。各吸收峰的相對強(qiáng)度有明顯的差異，取決于污染物沉積質(zhì)量的大小。以上各吸收峰強(qiáng)度隨污染物沉積質(zhì)量的增加而逐漸增大，這些污染物成分對透射率有較大影響。

圖 8 鍺基底上沉積0.015 2 mg的“塑料”分子污染物后的紅外透射率譜Fig. 8 The infrared transmittance of the germanium

3 航天光學(xué)系統(tǒng)的污染控制措施

我國在航天光學(xué)系統(tǒng)研制中已經(jīng)采取了大量的污染防護(hù)措施并取得了一定的成效。由于航天光學(xué)系統(tǒng)與其他污染不敏感的系統(tǒng)（如結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、推進(jìn)、電源、測控系統(tǒng)等）一起構(gòu)成完整的航天器，這些污染不敏感的系統(tǒng)由大量的非金屬材料構(gòu)成[3]，它們釋放的有機(jī)分子會(huì)對航天光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生有害影響。航天光學(xué)系統(tǒng)的污染控制必須做到避免系統(tǒng)間的交叉污染，在航天器頂層設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到各個(gè)系統(tǒng)釋放的污染總量，并納入總體污染控制計(jì)劃。從航天器設(shè)計(jì)到在軌運(yùn)行的全過程，都需要制定行之有效的污染控制措施。

在航天器設(shè)計(jì)階段，需要制定完備的污染控制大綱。首先需要充分考慮航天器的構(gòu)型與布局，考慮航天器的光學(xué)系統(tǒng)是否在羽流污染區(qū)域；其次要考慮航天器所用非金屬材料的篩選工作，是否需要進(jìn)行真空烘烤處理。在此基礎(chǔ)上，制定一套完整的污染控制方案并加以實(shí)施，避免研制過程中的被動(dòng)補(bǔ)救措施造成成本增加、可靠度降低。

航天產(chǎn)品制造階段是航天器部組件加工最早的階段，通常通過切割、鉆孔和焊接等方法，使用金屬、塑料及合成材料等構(gòu)成航天器產(chǎn)品的零部件。該項(xiàng)工作需要在潔凈環(huán)境下進(jìn)行，在實(shí)施工作之前，須設(shè)置潔凈間環(huán)境及人員配備標(biāo)準(zhǔn)。

航天產(chǎn)品裝配工作是把產(chǎn)品制造階段生產(chǎn)的部組件組裝成儀器和分系統(tǒng)等，包括從簡單的機(jī)械裝配到復(fù)雜完整設(shè)備的裝配。航天器在總裝階段必須建立一套完備的潔凈間潔凈度標(biāo)準(zhǔn)和人員操作標(biāo)準(zhǔn)。對光學(xué)系統(tǒng)而言，這個(gè)環(huán)節(jié)尤為重要，一般需要潔凈間潔凈度達(dá)到10萬級，操作人員控制在8～10人左右。操作人員符合進(jìn)出潔凈間要求，才能進(jìn)行下一步的裝配。

航天器試驗(yàn)是為了驗(yàn)證航天器的力學(xué)、熱學(xué)等性能。譬如力學(xué)和聲學(xué)等試驗(yàn)一般都是在非潔凈間環(huán)境中進(jìn)行，在這種情況下，必須對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)保護(hù)，使用保護(hù)蓋、保護(hù)袋等保護(hù)裝置，并實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境的潔凈度。

在航天器運(yùn)輸過程中，既要通過使用保護(hù)蓋、保護(hù)袋等措施為光學(xué)系統(tǒng)做好防污染措施，還要做好安全防護(hù)措施。

在航天器儲存過程中，應(yīng)保持存放地點(diǎn)的潔凈度，保證存放過程中航天器不受污染。

一個(gè)壽命為5年的航天器，入軌第一周內(nèi)的放氣量約占總放氣量的一半，因此打開光學(xué)系統(tǒng)防護(hù)蓋要選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間。必要時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)污染物捕獲器吸附分子污染，采用二氧化碳冰晶或離子轟擊法清洗光學(xué)表面。對傳回的污染物監(jiān)測信息進(jìn)行分析，確認(rèn)污染控制措施的有效性。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文研究了航天光學(xué)系統(tǒng)對污染的光學(xué)效應(yīng)和航天用非金屬材料放氣污染引起的光學(xué)透射率的變化，在此基礎(chǔ)上簡要總結(jié)了航天器研制全過程對航天光學(xué)系統(tǒng)的污染控制措施。在以后的工作中，在材料篩選方面，需要建立完善的數(shù)據(jù)庫；在航天器設(shè)計(jì)階段，需要建立完善和系統(tǒng)的全過程污染控制措施。

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