衛星真空烘烤試驗方案及驗證

朱劍濤，劉 晨，劉天雄

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

衛星星內使用了大量非金屬材料，如各種黏結劑、熱控涂層、絕緣材料等。該類材料在真空熱環境試驗初期階段會大量放氣，從而使星內壓力升高，可能出現局部低氣壓。在該環境下，若大功率射頻傳輸組件處于工作狀態，極易發生電暈放電或弧光放電現象，導致設備燒毀。同時，揮發出的有機分子可能凝結在組件內部觸點上，導致接觸電阻變大，可能引發微放電現象。

衛星熱真空試驗一般在試驗設備的真空、低溫背景（即容器真空度優于1.3×10-3Pa，熱沉溫度＜100 K）建立后開始，不充分考慮非金屬材料的放氣行為將使星內真空度滯后于容器真空度，存在導致敏感設備發生低氣壓放電等安全隱患。

因此，針對星上非金屬材料真空熱環境下的出氣現象及其所導致的危害，有必要在真空熱試驗前采取措施，降低非金屬材料在熱真空試驗中大量出氣及產生分子污染的程度，避免對設備造成危害。

1 非金屬材料出氣、凝結特性及其影響

1.1 出氣速率分析

在真空環境下，由于外部濃度降低，非金屬材料內外部濃度失去平衡，導致氣體逸出，其出氣速率為[1-2]

式中：A、E為非金屬材料特性參數；R為氣體常數；T為材料溫度；t為出氣時間；n(T)為時間t的放大因子，是材料溫度T的線性函數，一般在1～2之間。

根據式(1)可知，星上材料的出氣速率受溫度、時間影響，與溫度呈指數關系，與時間呈冪函數關系。隨著溫度升高，出氣速率升高，星內壓力升高；隨著時間增加，出氣速率降低，星內壓力降低。

國內外對非金屬材料的研究結果表明，在某一溫度下，材料出氣 6～8 h之后，其出氣速率趨于穩定（如圖1所示），國內某天線熱真空試驗中出氣現象的實測數據也進一步證明了該特點（如圖2所示）。

圖1 某非金屬材料出氣速率與時間的關系Fig.1 The curve of the out gassing rate of nonmetal materials

圖2 國內某大型天線熱真空試驗期間真空度曲線Fig.2 The container vacuum of an antennae thermal vacuum test

1.2 凝結特性

可凝揮發物凝結速率由非金屬材料的出氣速率、非金屬材料出氣表面到凝結表面的幾何因子及黏結系數決定，其中黏結系數與揮發物性質、凝結表面溫度等有關，凝結量[3]為

式中：A0(T1)為非金屬材料在溫度T1下的出氣總量；T2為凝結表面溫度；x1,x2,…分別表示凝結表面物性、表面結構等因素；t為凝結時間。

根據式(2)可知，當凝結表面等因素一定，凝結時間趨于無窮大時，凝結量僅與凝結溫度有關。研究結果表明，當凝結溫度＞298 K（即25 ℃）時，凝結量隨溫度的變化趨于穩定，受溫度影響較小[10]，如圖3所示。

圖3 某非金屬凝結量與溫度的關系曲線Fig.3 The relationship between condensation and temperature

1.3 影響分析

衛星上使用大量的非金屬材料（如電纜塑料絕緣層、導熱硅脂、硅橡膠、塑料扎帶、膠帶、復合材料樹脂基體、黏結劑等）以滿足衛星總裝、熱控等需求。在整星真空熱試驗初期，上述非金屬材料必然出現大量出氣和污染物凝結現象。非金屬材料的出氣會使星內壓力升高，形成局部低氣壓環境，導致對壓力敏感設備（如大功率微波射頻組件）發生低氣壓放電現象，進而引起設備功能、性能下降，嚴重者致設備燒毀。非金屬材料出氣產生的污染物將在較冷的表面重新凝結并形成污染，一般稱為可凝揮發物，其以單分子形式出現，因此又稱為分子污染，嚴重時導致設備功能、性能下降。

某系列衛星按照一般熱真空試驗流程開展整星級熱真空試驗，連續多次出現大功率微波開關溫度異常升高并伴隨著輸出功率下降。對問題開關進行解剖后發現其內部觸點已燒蝕。經問題排查與分析認為：星內非金屬材料在熱真空環境下大量出氣，在微波開關附近出現了局部低氣壓環境，期間開關加電工作造成低氣壓放電；同時，由于開關附近使用了大量導熱硅脂等非金屬材料，在真空熱環境下，硅脂出氣所產生的分子污染未充分揮發到星外，而是凝結在大功率開關內部觸點上，使得觸點的接觸電阻變大，進而引發微放電現象，導致開關燒毀。

洛克希德·馬丁公司在其地球靜止軌道通信衛星的研制中[4-5]，為了避免星上因非金屬材料出氣導致超高頻轉發器以及高電壓設備發生低氣壓放電現象，對設備工作時的星內真空度要求必須優于1.3×10-2Pa。而在該公司實際試驗中，為保證星內設備具有足夠的安全余量（20%以上），一般在真空度優于1.0×10-2Pa時，才允許UHF轉發器等大功率射頻組件工作。

因此，應在整星熱真空試驗中采取真空烘烤措施，消除非金屬材料出氣、凝結特性對星上敏感設備的影響。

2 真空烘烤試驗的國內外實施現狀

2.1 國外實施現狀

真空烘烤試驗是衛星地面加速非金屬材料出氣、防污染的有效控制方法，并在航天器研制中被廣泛使用，是一項重要的試驗技術。在許多國外相關試驗標準中都強調了真空烘烤試驗的必要性和重要性。

GSFC-STD-7000[6]對試驗中非金屬材料放氣提出了明確要求：“在航天器熱真空試驗期間應該增加易揮發材料的放氣時間，該時間應該在高溫階段并且通過高溫循環的方式進行。”

PD-ED-1233[7]建議：“航天器熱真空試驗中可進行為期3天的高溫烘烤試驗。”

ECSS-E-10-03A[8]提出：“熱真空試驗開始時，為加速衛星放氣和防止后續熱暴露中壓力升高，建議首先進行高溫試驗。”

NASA戈達德航天飛行中心（GSFC）在1996年共進行了 392次熱試驗，其中系統級烘烤試驗103次，高度敏感設備烘烤放氣試驗115次。可見，真空烘烤已成為最主要的真空環境試驗[9]。圖4為Large Area Telescope（LAT）[10]在熱平衡/熱真空試驗前進行了高溫45 ℃、時間為72 h的真空烘烤試驗，以促使LAT內部的材料充分揮發、放氣，防止后續試驗中逸出氣體對LAT的工作造成影響。

圖4 LAT真空烘烤試驗及熱平衡/熱真空試驗剖面Fig.4 The section of vacuum bakeout test,thermal balance test and thermal vacuum test of LAT

綜上所述，真空烘烤試驗已在國外系統級試驗標準中有明確要求，不同的航天器可根據其自身特點對試驗進行剪裁，以加速非金屬材料放氣，避免后續試驗中對敏感設備造成危害。

2.2 國內實施現狀

目前國內衛星在真空烘烤試驗方面還未充分開展研究，試驗標準也未對航天器系統級真空烘烤試驗提出要求。如GJB 1027A—2005[11]等標準作為衛星熱真空試驗的執行依據，尚未對星內的非金屬材料在試驗中的放氣時間、危害、衛星內部真空度等做出說明。文獻[9,12]等僅要求試驗設備進行真空烘烤出氣、凈化處理等，其中凈化處理包括了清除、清洗劑清洗等，但未對衛星及航天器做出相關要求。

針對目前衛星熱試驗敏感設備對真空度及污染控制等要求不斷提高的現狀，有必要對衛星進行真空烘烤，改善星內真空度，降低污染累積。同時亟待真空烘烤試驗的研究及其相關標準的制定。

3 真空烘烤試驗方案

3.1 試驗剖面

根據非金屬材料出氣特性可知，在熱真空試驗前期，高溫烘烤有利于星上非金屬材料放氣，從而避免熱真空試驗階段由于非金屬材料出氣使星內壓力升高。

根據非金屬材料的凝結特性，為防止有機分子大量凝結在敏感設備上或其他非敏感處，試驗應增加高溫到常溫的過程。

因此，試驗采取高溫+高溫到常溫試驗方式，促使非金屬材料揮發、放氣。試驗剖面如圖5所示。

圖5 某衛星真空烘烤試驗及熱真空試驗剖面圖Fig.5 Profile of vacuum bakeout test and thermal vacuum test of a satellite

3.2 試驗溫度

真空烘烤試驗的溫度一般不高于衛星所經歷的最高溫度。因此，真空烘烤試驗中高溫溫度取熱真空試驗高溫溫度，即45 ℃。由1.2節分析，為使非金屬材料在星上設備的凝結量變小，試驗期間設備溫度應在25 ℃（298 K）及以上。因此，試驗中設備低溫取25 ℃（即常溫）。

3.3 保持時間

由1.1節非金屬材料及某天線組件的試驗結果可知，非金屬材料在某一高溫溫度下 6～8 h內出氣量趨于飽和。因此，將高溫烘烤試驗定為24 h。高溫停留24 h后，高溫到常溫時間為48 h，使星內氣體充分揮發到星外，降低星內壓力。

3.4 試驗壓力

根據目前國內衛星系統級試驗對試驗設備的壓力要求、國外類似設備的真空度要求，試驗中星內壓力應≤6.65×10-3Pa。

4 試驗驗證

某型號衛星按照上述試驗方案在熱真空試驗前先補充進行了真空烘烤試驗，下面將對星內真空度、污染量進行分析，說明真空烘烤試驗的作用。

4.1 星內真空度

試驗中，在星內射頻傳輸組件附近安裝熱陰極電離真空規，實時監控該區域真空度，確保星內壓力滿足要求。圖6為真空烘烤階段、熱真空試驗第一循環高溫階段的星內真空度，由圖可看到：

1）真空、低溫背景建立時星內真空度為1×10-2～3×10-2Pa量級，與要求相差1個數量級，大大超出了GJB 1027A—2005規定的射頻組件加電前真空度優于10-2Pa的要求。若此時星內射頻傳輸組件加電工作，則有可能發生低氣壓放電現象。

2）通過真空烘烤試驗，有效改善了星內真空度，達到了5.5×10-4Pa；后續試驗中星內壓力最大為2.0×10-3Pa，完全滿足設備使用要求（≤6.65×10-3Pa）。

上述結果表明，烘烤試驗有效降低了星內壓力，使星內真空度達到設備工作要求，確保了設備的使用安全。

圖6 星內、外真空度與溫度的關系曲線Fig.6 The curve of vacuum inside and outside the satellite

4.2 星內污染量

試驗中，在星內大功率微波開關附近安裝了石英微量天平，實時監控星內污染物累積量。圖7、圖8為整個熱試驗期間星內、外污染量參數，由圖可看到：

1）在升溫和高溫停留過程中，可凝揮發物的凝結量在增加，且隨著試驗的進行，其增加量越來越少。說明經過真空烘烤試驗，星上非金屬材料得到了揮發、放氣，對后續試驗的影響降低。

2）在高溫到常溫靜置以及第一、二循環高溫轉低溫過程中，星內凝結量在單位時間的增加量相比其他循環轉低溫工況的要大。說明在試驗開始階段非金屬材料放氣量較大。

上述結果表明，試驗前期，非金屬材料的出氣量大，污染量也增加。因此，通過高溫到常溫的真空烘烤試驗，可使星內污染物大部分被真空系統抽走，凝結部分較少。

圖7 烘烤試驗中污染增加量與溫度曲線Fig.7 The augment of contamination vs.temperature in bakeout test

圖8 試驗中污染量與溫度曲線Fig.8 The contamination vs.temperature in test

4.3 射頻組件工作狀態

在完成真空烘烤試驗后，星上射頻組件加電工作，射頻組件工作狀態良好，未出現以往溫度異常升高、輸出功率下降的現象，整個熱真空試驗過程中射頻組件工作狀態、性能參數均滿足要求。

5 結束語

本文通過對星上非金屬材料的揮發、凝結特性及其影響的分析，針對國內某系列衛星因非金屬材料出氣、凝結特性導致的星上敏感設備燒毀現象，結合國外衛星系統級試驗標準及熱試驗方案的分析，提出了衛星真空烘烤試驗方案及其參數要求。驗證試驗表明，經過真空烘烤試驗，有效改善了星內真空度，使星內真空度滿足設備的使用環境要求，降低了星內污染量，確保了衛星安全。證明該方案合理可行，可供該類衛星真空烘烤試驗參考，同時可為真空烘烤試驗相關標準的制定提供依據。

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