空間環境污染對空間制冷器的影響

李鴻勛

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天科技的發展，航天器在軌壽命的大幅延長，對航天器的可靠性提出了更高的要求。航天器及其重要部件的表面污染會影響航天器及相關部件的可靠性和應用目標質量，國內外已開展了大量研究工作，以獲得有效控制污染的措施。保障航天器能正常運行和順利完成飛行任務。

空間污染主要分為兩種：一種為粒子污染，是由姿態控制發動機不完全燃燒物和地面生產活動殘留物等顆粒狀物質沉積在航天器表面引起的；另一種為分子污染，是由航天器表面或使用的有機非金屬材料在真空條件下放出的氣體分子在航天器表面沉積形成的。污染對航天器的影響主要體現在光學儀器、溫控涂層、空間制冷器、太陽翼等部件，會影響其熱光學性質，嚴重時會影響航天器的性能。

空間環境因素，尤其是在陽光照射或其他高能輻射的作用下，會使敏感表面產生光化學反應。紫外輻射對污染的固結作用，增加了污染沉積的可能，改變了沉積層的特性，使污染層變暗，顏色加深，對敏感表面帶來嚴重影響。

空間制冷器主要任務是為航天器應用的各種低溫探測器、超導器件、低溫電子器件及低溫光學器件提供穩定和可靠的低溫條件，保證其獲得良好的工作性能。空間制冷器在多個領域和多項空間任務中發揮了重要作用。在低溫電子學和通信、地球觀測和氣象衛星、空間監視和彈道導彈防御系統、空間大型磁體的冷卻、載人空間站和火星探測任務中都使用空間制冷器作為冷源。在空間天文學、空間物理學、月球和行星科學、空間生命學、微重力科學研究中相繼發射的各種空間望遠鏡、空間探測器都使用了空間制冷器冷卻的低溫探測器或低溫光學系統。因此空間制冷器的可靠性關系到航天器和空間任務的成敗。機械制冷器是通過作功把熱量從低溫端向高溫端輸送，并向冷空間排放而獲得冷量的；輻射制冷器是通過與冷空間輻射換熱而獲得冷量的。輻射制冷器外表面和機械制冷器冷頭或管路溫度都很低，在空間環境污染條件下作用像冷阱，其敏感表面很容易受到污染。因此防污染對各種制冷器的可靠性和性能都有非常重要的意義。文章中將論述空間環境污染對空間制冷器的影響及污染的控制

1 污染對輻射制冷器的影響及污染控制

1.1 污染對輻射制冷器的影響

輻射制冷器外表面的作用像冷阱，會凝結圍繞在航天器和儀器在大氣中吸附的污染物。因為輻射制冷器表面工作低于150 K，在這些敏感表面冷凝污染物是不可避免的，因此必須控制污染。污染不僅能導致輻射制冷器升高溫度，而且會造成被冷卻器件或光學系統失效。結構設計中防污染問題非常重要。

用于輻射制冷器內的光學器件比發射體表面或相互面對面的表面更容易受到污染，因為傳輸器件比反射器件對污染更敏感。中度污染對金屬紅外反射率的影響可以忽略，但嚴重減少紅外窗口或鏡頭的傳輸。因此，折射或傳輸器件從不暴露在比自身溫度高的大氣中。

每個航天器和儀器都會攜帶自身的大氣進入軌道，這個大氣中占主導地位的是水蒸氣，然而也可能是作為推進劑副產品而產生。水蒸氣在給定的溫度下比大多數氣體有較低的蒸氣壓，結果通常首先凝結在敏感表面上，例如在發射體表面。鏡面屏蔽和低溫表面水蒸氣以冰和霜的形式凝結，冰往往在紅外波長吸收，而在可見光波長會散落。

冰總是冷凝在面向太空的冷發射面上，一般發射表面工作溫度在低于150 K，并被漆成黑色以便最大限度地對空間輻射發射（發射率0.92或更高）。由于經過發射器的發射，在發射器表面冰的形成不明顯，對于100 K的發射表面，冰的熱傳導率為0.06 W/cm·K。對于40μm厚的冰，通過冰層的溫度下降約3.6×10-5K。輻射制冷器冷表面分子污染的后果依賴于污染的性質以及表面的敏感性。對于輻射制冷器冷表面，污染的影響特別嚴重，污染氣體凝結的可能性明顯增加，因此污染控制問題是輻射制冷器更需要重視的因素。

1.2 輻射制冷器的污染控制

（1）輻射制冷器要遠離污染。輻射制冷器內部或周圍污染環境不可能完全消除，控制的方法是要求輻射制冷器對污染的敏感性最小化、污染被控制。因此污染要遠離光學表面，否則會在表面凝結并降低儀器性能；

（2）在制造、裝配、試驗及集成中，敏感表面要保持清潔。在規定的清潔室環境下，在組裝制冷器、裝配工序及系統級試驗和航天器與儀器集成任務完成后，都要清潔外表面和各敏感表面（即發射表面、光學太陽反射板瓦片和鏡面屏蔽），應在盡可能接近發射時進行清潔工作，用以保證光學系統的性能；

（3）正確設計輻射制冷器，發射后光學器件應該保持足夠高的溫度，在發射后最簡單的控制污染環境的方法是對全部光學器件出氣和去污。發射后光學器件應該保持在等于或高于周圍儀器的環境溫度，直到環繞航天器周圍的大氣有足夠的時間減少。典型分配最初在軌時間是30天，有這樣足夠的出氣時間，這將使航天器出氣減少到不會在敏感表面有凝結。輻射制冷器應具有在出氣后去除積累污染物的方法。出氣或去除污染不能被視為控制污染的主要方法。應被認為是一個備份解決方案。控制污染的主要方法是正確設計輻射制冷器。外部熱控制表面，像光學太陽反射鏡片、白色油漆、銀色聚四氟乙烯和鏡面反射屏蔽都要保持足夠高的溫度以阻止外部大氣中水蒸氣凝結。正如以前討論的一樣，實際的最低限是150 K。這個最低限的選擇意味著在最初在軌出氣期間，不能吸收全部能量的物體、外部輻射器發射表面（包括鏡面反射屏蔽表面）都要保持在等于或高于150 K；

（4）輻射制冷器內部的被冷卻的光學器件應該永遠不要暴露在比其自身溫度高的大氣中。保護被冷卻的光學器件的一種方法是設置一個冷阱，該冷阱冷凝溫度低于光學器件的溫度。另一種方法是加熱光學器件（主動或被動方法）到環境溫度或略高于環境溫度；

（5）正確設置輻射制冷器的出口通路。輻射制冷器的出口通路應設計成使產生的出氣直接放到太空。光學窗口應該用于輻射制冷器級和輻射制冷器溫暖級之間，面對周圍的儀器。一旦最初在軌出氣時期完成，并且輻射制冷器已冷卻下來，排氣通路將成為污染入口。光學器件周圍增加冷阱用于降低進入的水蒸氣溫度和冷光學元件溫度。輻射制冷器和環境儀器之間的外部窗口作為屏蔽防止從儀器來的污染物進入輻射制冷器；

（6）正確選擇輻射制冷器各級材料。應盡量避免材料的聚合反應。如果可能時，多層絕熱材料和聚酰亞胺在輻射制冷器內應避免使用。輻射制冷器各級內可以使用環氧玻璃，因為其留不住水，如果有機材料允許聚合到發射表面，輻射制冷器的性能也會降低。

當表面不是暴露在紫外線下，污染就不是永久的并能用加熱方法去除。加熱表面超過200 K往往會使表面上的分子停留很短的時間。在任務的最初幾個月大量的圍繞航天器和儀器大氣內的污染物會出現。在初期在軌出氣期間最重要的是考慮到遮蔽敏感表面以避免暴露給陽光。遮蔽方法可以用可展開或自動關閉的覆蓋件完成，覆蓋件實際上減少了出氣需要的加熱功率或允許到達較高的出氣溫度。

多層絕熱覆蓋物和聚酰亞胺可以用作輻射制冷器的覆蓋件，但多層絕熱是水蒸氣的主要來源。聚酰亞胺也保留水分，其飽和溫度是152 K，因此不會用低于152 K的光學器件。對聚酰亞胺進行烘烤是無效的，因為這種材料有從周圍大氣中重新吸收水分的趨向。圍繞輻射制冷器的大氣通常保持在高濕度以避免靜電放電，輻射制冷器各級最好的材料是環氧玻璃，因為其留不住水。

如果允許有機材料聚合到發射表面上，輻射制冷器的性能也會降低，聚合的結果會增加外部非黑色熱控制表面（比如光學太陽反射板瓦片和鏡面屏蔽）太陽能吸收率，一旦聚合反應發生，污染是永久的和不能被加熱去除。航天器或儀器內部大量有機物（碳氫化合物）的擴散會導致聚合反應的發生，靜電回歸過程是造成有機材料聚合反應的原因，靜電回歸過程允許污染現場非線性傳播，這污染成為在發射器和屏蔽表面上最后的沉積和聚合。

材料可產生聚合反應的數量取決于材料與排氣路徑和出氣源靠近的情況。在航天器或儀器內的排氣路徑必須仔細檢查，要保證不能直接看到關鍵光學器件或敏感的熱控制表面。在太陽紫外線存在附近的表面會導致聚合產物沉積在表面上，材料的聚合反應是與污染物的蒸氣壓或表面溫度無關。當表面沒有暴露到紫外線時，污染不是永久的，并且能用加熱去除。

（7）正確的屏蔽配置很重要。粒子和分子污染物充當入射太陽光的散射中心。當散射中心停留在鏡屏蔽表面，從冷級（低于150 K的冷級）可以看到時，會產生熱負荷，這會導致冷級不正常的熱平衡。幸運的是用于控制冷凝和污染物聚合的措施有助于控制太陽光散射。當鏡面屏蔽直接承受太陽光照時，屏蔽配置需被設計為對冷級形成高散射角，用這種方法設計屏蔽可以使被散射太陽光在冷級上造成的熱負荷最小化。

2 污染對空間機械制冷器的影響及污染控制

2.1 薄膜厚度和薄膜沉積速率對發射率和輻射熱負荷的影響

在討論污染對空間機械制冷器的影響及污染控制之前，首先要研究一些與污染有關的物理現象，這包括污染薄膜厚度和污染沉積速率問題。

（1）污染薄膜厚度對發射率的影響

非常薄的污染氣體沉積膜能嚴重影響比如拋光金或拋光鋁這些低發射率表面的發射率。圖1描述了拋光不銹鋼對不同物質沉積薄膜發射率的敏感度。由圖可知：水冰薄膜具有特別突出的作用，拋光材料77 K時，在初級階段水冰厚度每增加1μm發射率增加Δε=0.2。水冰膜的發射率繼續增加，當薄膜厚度增加到大于20μm時，發射率達到1。

圖1 拋光不銹鋼在77 K時的發射率與不同冷凍氣體薄膜厚度關系圖

用這些數據評估在低發射率低溫表面上允許的水冰薄膜厚度。例如：正常發射率0.05的拋光金表面，在該表面有1μm水冰薄膜厚度時，發射率將增加2倍或3倍，這將使輻射熱負荷急速增加。

非常薄的污染氣體沉積膜能嚴重影響低發射率表面的發射率，因此薄膜形成的速率就很重要，下面將探討與污染形成速率有關的問題。薄膜的形成速率依賴圍繞目標表面污染氣體的分壓和表面的溫度。

（2）預測典型薄膜沉積速率

大部分應用的制冷器和低溫表面將被較大體積并且比低溫表面溫度高的物體包圍。例如：低溫制冷器冷頭封閉在室溫真空室內，或60 K制冷器冷頭封閉在150 K熱屏蔽內。對這種情況，在容器內滯留氣體的溫度將幾乎等于真空室或屏蔽壁的溫度，沉積薄膜將保持在低溫表面溫度。萬一氣體分子碰撞到低溫表面，就不會返回到環繞低溫表面的氣體。氣體分子黏貼到低溫表面和加速薄膜成長的速率可以參考低溫泵的抽速。這個速率廣泛仿照基于氣體動力學的文獻進行計算。對于現在討論的情況，滯留氣體壓力比低溫表面的飽和蒸氣壓高10倍以上，因此低溫表面搜集到的質量流為：

式中：m為搜集到的質量速率，g/s；A為低溫表面面積，cm2；P為表面滯留氣體壓力，Pa；M為滯留氣體分子量（例如：水M=18）；T為外部氣體溫度（與外部壁溫度相同），K。

公式（1）也適用于從表面升華速率，這時表面的蒸氣壓比封閉該平面容積的滯留壓力大許多（>10）。但是，這種情況下，低溫表面溫度是T，壓力P是與低溫表面溫度相適應的薄膜飽和蒸氣壓。

為估計形成薄膜的速率或損失的速率，必須討論薄膜密度和面積。形成薄膜厚度速率為：

式中：δ為形成薄膜厚度速率，cm/s；ρ為薄膜密度（水冰典型值0.9 g/cm3）。例如：拋光的80 K金表面被133.3×10-5Pa分壓力和溫度300 K殘留水蒸氣包圍。此時膜的沉積速率為：δ=5.83×10-2（10-5/0.9）×這樣大約 5 min 將堆積1μm水膜，相應發射率增加Δε=0.1。這將使輻射熱負荷增加。

2.2 污染對空間機械制冷器的影響

低溫制冷器的熱負荷粗略劃分可有三種類型：（a）被冷卻另件，例如焦平面探測器電功率消耗；（b）支撐件和電纜傳導熱負荷；（c）輻射熱負荷，決定于表面發射率和圍繞低溫表面熱物體的輻射角系數。一般電功率負荷和熱傳導熱負荷相對穩定和可以預測，而輻射熱負荷嚴重依賴表面溫度和發射率，可能隨時間變化不容易預測。輻射熱負荷的關鍵因素為：

（1）低溫表面面積的有效發射率。因為熱負荷與發射率成正比，非常低的發射率（ε<0.05）會形成很小的熱負荷，然而發射率很小的變化（ε<0.05）對熱負荷將會有很大的影響；

（2）較熱的背景溫度輻射到低發射率低溫表面時，輻射熱負荷變化是背景溫度的四次方；

（3）全部低溫表面面積受到輻射時，熱負荷與全部低溫表面面積成正比。

由于上述原因，低溫系統大部分敏感零件被高溫圍繞時，要使用低發射率零件，以減小熱負荷，對低溫系統設計的最大困難是這些低發射表面能長期保持其發射率，因為會在執行任務期間受到凝結水薄膜和出氣產物污染的影響。很顯然污染增加了空間制冷器的熱負荷。

污染對空間機械制冷器的影響從下面兩個飛行試驗可以得到證實：（a）平流層和中間層探測器飛行試驗中，使用了兩臺牛津80 K制冷器，由于污染氣體被吸附到制冷器冷管路低發射率表面，使制冷器從80 K變化到85 K，制冷器熱負荷增加100 mW，制冷器熱負荷增加12%；（b）對流層污染測量儀器飛行試驗中，該儀器使用兩臺背靠背BAe50-80K制冷器冷卻兩個探測器。從BAe50-80制冷器飛行試驗結果表明：一號制冷器負荷增加熱130 mW（8%），二號制冷器熱負荷增加230 mW（15%）。

2.3 空間機械制冷器的污染控制

控制污染的形成，減少污染對空間制冷器的影響是需要解決的重要問題。在許多應用中，空間制冷器、低溫表面常使用多層絕熱或物理障板使空間制冷器、低溫表面與外部污染源進行密封隔離。

（1）物理障板限流隔離污染控制

限流隔離污染控制的方法就是使用物理障板進行污染控制，為達到要求的沉積率，了解如何很好地限制流動是很必要的。對于典型情況，通過限制外部壓力，使外部壓力比接近低溫表面（低壓力體積）壓力大很多，這樣質量速率就要按新的內容改變，雖然計算方程相同，方程如公式（3）：

式中：m為通過孔進入低壓力體積的質量速率，g/s；A為孔面積，cm2；P為孔外氣體壓力，Pa；M為氣體分子量（例如：水M=18）；T為孔外氣體溫度，K。

比較方程（1）和（3）可知，質量速率和膜的沉積率的減少與孔面積對低溫表面面積之面積比值成正比。因此用低溫表面面積1%的孔限制到污染低溫表面體積的入口就能使污染減少上百倍。

（2）多層絕熱污染控制

空間制冷器在應用中使用鍍鋁聚酯薄膜中間加有隔離物所組成的厚覆蓋層進行絕熱，這就是多層絕熱，中間的隔離物減小了膜與膜間的直接熱傳導。多層絕熱對于空間制冷器既是絕熱層又是防污染層，多層絕熱實現了低發射率表面。不同的多層絕熱層工作就如同逐步增加溫度疊放了一系列的輻射屏，從低溫表面到環境溫度。其作用也就如同一系列低發射表面并在各個相當冷的各層上形成氣體遷移屏蔽。因為隔離物為帶孔網狀織物，鍍鋁聚酯薄膜上要打孔，因此可視多層絕熱為多個密封隔離，防污染效果更好。但多層覆蓋物高溫層也是明顯捕獲表面水分的來源，可能成為低發射率表面冷凝的水蒸氣源。

（3）單一低發射率表面污染控制與多層絕熱污染控制效果的比較

BAe80K制冷器在地面空間模擬器壽命試驗中，可比較出多層絕熱與單一低發射率表面污染控制的優劣。BAe80K制冷器于1992年在TRW公司的空間模擬器進行了約160天壽命試驗。模擬器中保持真空度10-3Pa，制冷器冷頭包覆了多層絕熱材料。冷頭壽命試驗期間溫度連續增加接近恒定速率5.48 K/年。這種性能的降低是由于暴露于外部低發射率表面污染造成的。試驗中BAe80K制冷器52 K溫度時每年增加5.48 K相當于輻射熱負荷增加140 mW/年

試驗中已知模擬器熱環境溫度為296 K，包覆多層絕熱的制冷器冷頭面積25 cm2。由于熱負荷的增加是發射率增加造成的，在上述已知條件下，可求得發射率增加值為0.13/年。

如果相對于這個多層絕熱有一個單一低發射率表面，參考圖1可知：其發射率增加在與多層絕熱相同時，對于單一表面冰膜厚度增加為0.7μm/年=2.2×10-12cm/s。對于單一低發射率表面相似的情況，可以根據方程（2）估算這種薄膜增加率條件下，求得背景水蒸氣壓為1.86×10-8Pa。

從上述結果可知：這時水的分壓遠低于模擬器真空室內的水蒸氣壓，多層絕熱與單-低發射率表面對比中可知，使用多層絕熱要比單-低發射率表面污染控制效果要好。

4 結束語

航天器材料在高真空環境中的放氣是航天器污染物的主要來源。輻射制冷器為控制污染，在地面組裝、裝配以及試驗和航天器與儀器集成任務中都要在清潔室環境完成，都要清潔外表面和各敏感表面（即發射表面、光學太陽反射板瓦片和鏡面屏蔽），應盡可能接近發射時進行清潔工作，用以保證光學系統的性能。

在發射后最簡單的控制污染環境的方法是對全部光學器件出氣和去污。在軌30天后再啟動輻射制冷器，為此必須帶有防污門，這樣即可出氣又可防污，但出氣或去除污染不能被視為控制污染的主要方法，應被認為是一個備份解決方案。控制污染的主要方法是正確設計輻射制冷器。

控制污染的方法是使輻射制冷器對污染的敏感性最小化，污染遠離敏感表面。外部輻射器發射表面（包括鏡面反射屏蔽表面）都要保持在等于或高于150 K。輻射制冷器內部的被冷卻的光學器件應該永遠不要暴露在比自身高的大氣中。保護被冷卻的光學器件的一種方法是設置一個冷阱，該冷阱冷凝溫度低于光學器件的溫度。輻射制冷器的出口通路應設計成使產生的出氣直接放到太空。輻射制冷器各級最好的材料是環氧玻璃，因為其留不住水。敏感表面要避開紫外線，當表面暴露到紫外線時，污染是永久的，并且不能用加熱去除。材料可產生聚合反應的數量取決于材料與排氣路徑和出氣源靠近的情況。在航天器或儀器內的排氣路徑必須仔細檢查，要保證不能直接看到關鍵光學器件或敏感的熱控制表面。因此輻射制冷器控制污染的主要措施是正確而巧妙的設計和與航天器合理的匹配。

空間機械制冷器為控制污染已深入研究了在空間的污染問題和污染對低發射表面的影響。然而有關水的有效分壓和多層絕熱對水膜集結敏感性的合適值等參數，只能依據在試驗或任務中已被驗證的制冷器參數。這些參數可用于預測空間機械制冷器的壽命。對于典型的總熱負荷1 W量級的空間機械制冷器，由于低發射率表面污染使制冷器熱負荷增加10%～20%是可能的。多層絕熱控制污染的效果要比單-低發射率表面效果要好

為解決熱負荷增加問題，必須定期加熱低溫表面用以蒸發污染物，這種熱循環對系統是有影響的。為保證長期無障礙工作，在去污循環期間必須保證制冷器足夠的余量，制冷器需要適當加大尺寸以適應增加的熱負荷。減少或消除空間制冷器在軌污染的影響將是空間應用中重要的研究課題。

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