衛星熱試驗艙內污染監測及烘烤出氣方法研究

于錢，楊東升，臧衛國，院小雪，易忠，2，姜海富，周晶晶

（1.北京衛星環境工程研究所，北京 100094；2.可靠性與環境工程技術重點實驗室，北京 100094）

衛星在軌過程中，由于其非金屬材料受真空、高溫環境的影響，產生大量有機氣體污染物，會對衛星艙外的太陽電池、熱控涂層、光學相機等敏感部件產生影響，降低部件的光學性能[1—2]。國內外在這些方面開展了較多研究。在某顆衛星真空模擬室進行熱試驗期間，艙內的微波開關器件出現了功能異常[3]，試驗后打開衛星艙板，在星體內部發現大量油狀污染物。

經過分析，衛星艙內使用了白漆、導熱硅脂、電纜、粘接劑等多類非金屬材料[4]。在高溫真空環境下，由于解吸附和材料出氣機理，釋放出大量分子污染物，形成了低氣壓環境。低氣壓環境下，起暈電壓遠低于大氣環境或高真空環境，電子部件很容易發生放電[5—6]。系統加電后，開關器件在大功率信號工作過程中出現低氣壓放電，導致器件失效。國外衛星熱試驗過程中針對衛星出氣控制非常重視，在采取監測措施的基礎上，采取材料出氣篩選[7]及真空烘烤等方法改善污染狀況[8]，降低對衛星器件的影響。如美國洛克希德.馬丁公司在20世紀90年代，為避免星上的超頻轉發器以及高電壓設備發生電暈放電或弧光放電，要求艙內的真空度達到20%安全余量后，器件才能工作[9]。美國NASA戈達德航天飛行中心（GSFC），在1996年開展了103次系統級烘烤試驗，115次高敏感部件烘烤出氣試驗，真空烘烤成為對衛星進行污染控制的有效方法[8，10]。

目前我國衛星熱試驗過程中，通常要求使用石英微量天平、成分分析等方法[11]對艙外的污染狀況進行監測，獲得了多次衛星艙外的污染狀況[12—13]，但是對艙內的污染監測、艙內污染防護方法關注較少?；谏鲜鲈颍闹惺褂檬⒕w微量天平（QCM）及真空計測試系統對衛星艙內的污染狀況進行監測，并采取了烘烤出氣污染控制方法，進行污染去除研究。該研究對了解衛星艙內的污染狀況，確定烘烤污染控制方法的效果具有實際的意義。

1 熱試驗艙內污染監測

1.1 測試儀器

1）石英晶體微量天平（QCM）。QCM是通過改變輸出頻率表征表面污染沉積量的測試儀器，可用于微小質量的實時監測，廣泛應用于我國衛星研制過程中的污染監測工作。試驗采用北京衛星環境工程研究所研制的QK-20型QCM對艙體內污染累積量進行監測，QCM的基頻為20 MHz，質量靈敏度為1.1×10-9g/（cm2·Hz）。

2）真空計。真空計是用來監測真空模擬器中環境壓力的測試儀器。試驗采用熱陰極電離真空規，真空度的測試范圍為1～10-5Pa[14]。

3）氣相色譜質譜儀。氣相色譜質譜儀用來分析熱試驗衛星材料出氣污染物的組分。試驗使用美國安捷倫公司的氣相色譜質譜儀（5975C，7890A），質量范圍為1～1050amu，質量分辨率為1 amu。

1.2 衛星熱試驗工況

為了防止衛星的開關器件在試驗過程中由于污染出氣引起低氣壓環境造成損壞，在進行衛星熱試驗前，采取了高溫靜置烘烤措施，使艙內材料出氣，以改善試驗時艙內真空環境，減小材料出氣對艙內設備的影響。高溫靜置時間為72 h，溫度為45℃。隨后為試驗的4個溫度循環階段。衛星熱試驗過程中，設置的工況剖面如圖1所示。

圖1 衛星熱試驗工況Fig.1 Thermal test phase of satellite

1.3 熱試驗出氣污染物結果

熱試驗過程中，在開關器件附近安裝了QCM傳感器，QCM傳感器使用鋁制支架安裝在衛星的內部，測試面與開關器件保持一致，用來實時監測衛星艙內開關器件附近的污染沉積量。整個衛星熱試驗期間污染沉積曲線如圖2所示。

圖2 熱試驗過程中石英晶體微量天平污染沉積曲線Fig.2 Deposition mass of QCM in the process of thermal test

試驗結束后，對衛星艙體內的污染物質取樣，使用氣相色譜質譜分析儀對物質的組分進行了分析，物質色譜分析結果如圖3所示。

圖3 熱試驗污染物色譜圖Fig.3 Contamination chromatogram of thermal test

污染物主要成分為鄰苯和硅氧烷類物質。其中鄰苯類物質包括：鄰苯二甲酸二乙酯（31.648）、鄰苯二甲酸二2-甲基丙酯（35.917）、鄰苯二甲酸二2-甲基庚酯（47.296）。硅氧烷類物質包括：八甲基環四硅氧烷（D4，35.075）、十四甲基環七硅氧烷（D7，43.447）、十八甲基環九硅氧烷（D9，45.760）。

1.4 結果分析

上述QCM及污染物組分測試結果表明：整個試驗過程中的污染累積量達到了1.8×10-5g/cm2量級，試驗后在衛星艙內也發現了明顯的污染物質，表明衛星艙內的污染狀況嚴重；污染物主要成分為鄰苯和硅氧烷類物質；污染物可能對衛星器件產生影響，有必要對衛星艙內的污染進行控制。

2 熱試驗高溫靜置烘烤措施效果分析

2.1 衛星材料出氣機理

根據不同的物理和化學機制，材料出氣污染物的產生主要包括解吸附和材料真空出氣過程。解吸附過程是一種物理過程，材料在大氣環境下會吸附一些氣體。當材料置于真空中時，物理吸附于材料表面的氣體從表面揮發，解吸附過程比較容易發生，持續的時間較短，在真空環境下幾個小時內就可以基本完成。材料真空出氣是一種包括了物理和化學機理的過程，可以持續很長的時間。通常材料解吸附的是一些分子量較小的氣體，這些氣體不會對敏感表面形成較大污染，而材料真空出氣產物通常是一些大分子有機污染物，易于沉積在敏感表面，因此材料真空出氣是導致衛星表面長期受到分子污染影響的主要機制。材料真空出氣速率可以通過式（1）表示：

式中：Ea為激活能，J/mol；R為氣體常數，一般取8.314 J/（mol·K）。因此衛星材料的出氣速率受材料溫度、出氣時間的影響，其中與溫度呈指數關系，與試驗時間呈冪函數關系。

2.2 各工況艙內污染結果對比

由圖2所示石英晶體微量天平污染沉積量測試結果，得出熱試驗過程中各工況的污染累積量見表1。

表1 熱試驗各工況污染量結果Table 1 Contamination deposition mass in the process of thermal test

污染沉積量結果能從側面反應衛星材料出氣污染的狀況。由表1可知，在整個高溫靜置階段，天平測試污染沉積量為5.67×10-6g/cm2，而整個熱試驗過程中的污染為1.8×10-5g/cm2，高溫靜置階段的污染物沉積量占整個熱試驗過程污染沉積量的比例超過了30%。在整個熱試驗階段，各工況天平污染量結果逐漸減少。

熱試驗期間，在衛星艙外、艙內均放置了電離規真空計，實時監測衛星艙外及艙內環境真空度。高溫靜置階段及第一高溫工況中不同時刻星內外真空度的變化情況見表2。

表2 熱試驗不同時刻真空度Table 2 Vacuum pressure of thermal test

真空度結果反應了衛星艙內空間環境的污染狀況。由表2可知，高溫靜置階段開始時，衛星艙內的真空度為2.9×10-2Pa；高溫靜置階段結束后，衛星艙內的真空度為5.5×10-4Pa；隨后進行的第一循環工況階段，衛星艙內的真空度為2.3×10-3Pa。

2.3 結果分析

由上述衛星熱試驗各工況污染量及真空度結果對比，可以得到以下的結論。

1）熱試驗各個階段天平污染沉積量逐漸減少，反應了材料出氣污染逐漸減少，符合材料真空出氣的規律。

2）由污染量測試結果可知，通過高溫靜置階段的烘烤處理，材料出氣污染沉積量占整個熱試驗過程的30%，高溫靜置階段有效促進了材料出氣。

3）經過高溫靜置階段的烘烤處理，衛星艙內的真空度由10-2Pa量級降低到了10-3Pa量級。

3 結論

該次熱試驗過程中對某衛星艙內的污染狀況進行了監測，并在試驗過程中采取了減輕衛星艙內污染狀況的高溫靜置烘烤處理方法。對上述結果分析，可以得出以下結論。

1）衛星熱試驗過程中艙內污染狀況嚴重，有必要開展衛星艙內污染環境的監測與控制研究。

2）高溫靜置烘烤是一種簡單可行的措施，能有效去除衛星艙內材料出氣污染，能夠保證星內開關器件試驗過程中運行的可靠性。

3）艙內環境相對密閉，需要在烘烤措施期間，設置排氣通道，使材料出氣物快速導出艙外。

4）衛星艙體內污染產生的源頭主要是非金屬材料真空出氣，需要開展部件級甚至材料級污染控制方法的研究，包括污染控制的方式，污染控制措施的實施條件等。

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