艙外航天服頭盔濾光面窗的設計與實現

馬加爐，姚麗坤，鐘艷莉，黃慶偉，望詠林，安榮濤，劉冀念，王怡靈

(1.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京100094；2.中國航空發動機集團有限公司北京航空材料研究院，北京100095；3.首都航天機械有限公司，北京100076)

1 引言

軌道空間出艙活動面臨高真空、極端高低溫交變、空間輻射、空間碎片及微流星等異常惡劣環境，艙外航天服是航天員生命保障的必備裝備。空間輻射分為電磁輻射和微粒輻射，而電磁輻射主要來自于太陽輻射，其中，可見光和紅外線輻射能占太陽輻射總能量的92%，航天員如長期直接暴露于太陽電磁輻射下，有可能產生嚴重后果。為保障航天員視覺工作能力和頭盔內必要的熱工制度，必須對航天服頭盔進行光學特性設計。無論是國際空間站在用的俄羅斯Orlan-MK或Orlan-MKS艙外航天服、美國載人登月用Apollo-A7LB航天服及美國航天飛機用EMU，還是NASA Johnson航天中心的xEMU、Air-Lock公司與David Clark公司合研的EVA頭盔組件及在研代號為H-Suit、I-Suit等新型艙外航天服，均通過在頭盔上安裝可手動操作、上下旋轉開啟/閉合、表面鍍有膜層的濾光面窗(Sun Visor)來有效過濾可見光，衰減紫外線，遮斷紅外線，以保證航天員身體健康和工作效率。

本文分別從艙外服頭盔濾光面窗的防護需求、設計與仿真計算、工藝技術實現、性能測試、空間環境適應性驗證等方面開展研究工作，研制一種可在空間應用的艙外航天服頭盔濾光面窗。

2 需求分析與設計指標

2.1 光學性能

航天員在空間陽照面執行艙外任務時，濾光面窗是著艙外服航天員用眼直接觀察、了解外界的唯一窗口。透鏡功能是濾光面窗的基本功能，其中涉及成像質量的有視野、光畸變、角偏差、屈光度、霧度等。此外，因軌道空間存在強烈的眩光、紫外線和紅外線，濾光面窗還需為航天員提供必要的視覺防護和熱防護，即濾光面窗獨有的防護功能。可見光透射率、紫外線透射率、太陽能總透射率是考核和評價艙外航天服頭盔濾光面窗防護性能最重要的三大光學指標，主要通過面窗膜層加以解決。

1)可見光透射率:從美、俄航天服來看，艙外服頭盔均為多層面窗結構，面窗層數差異及各單層面窗性能差異導致對濾光面窗可見光透射率的要求也不同，俄羅斯Orlan-M系列艙外航天服濾光面窗可見光透射率約為2%～3%，美國EMU約為7%。本文濾光面窗可見光透射率性能指標為1%～5%。

2)紫外線透射率:目前還沒有關于人體紫外輻射耐限數據，因此，主要解決措施就是盡可能地衰減紫外對人的輻射。本文提出的濾光面窗紫外線透射率指標為面窗對小于380 nm波長范圍的紫外線透射率不超過1.0%。

3)太陽能總透射率:本文要求濾光面窗放下時，整個太陽光譜范圍內頭盔整體對太陽能總透射率不超過10%。

2.2 環境適應性

艙外航天服頭盔用濾光面窗還必須考慮其工程應用背景，建立明確具體的應用環境指標要求和評價方法，才能滿足工程需求，目前尚未見到公開發表的文獻研究成果。本文提出的主要指標如下:

1)參照ASTM D3359標準，膜層與基體附著力不低于4 B。

2)除地面環境外，濾光面窗可耐受熱沉溫度不高于120 K，太陽常數為1.2，真空度不低于1×10Pa的空間高低溫交變環境，膜層無龜裂、剝落等缺陷，各項性能滿足要求。

3 設計與仿真計算

3.1 面窗基體設計

3.1.1 選材

近地軌道用艙外航天服頭盔面窗要求具有高強度、高抗沖擊性、高光學性、高尺寸穩定性、耐極端環境溫度性(低溫≤-110℃、高溫≥＋120℃)，因此，面窗基體材料是艙外服頭盔面窗設計過程中需要首先考慮和解決的問題。結合美、俄等成熟航天服經驗，聚碳酸酯材料是最優選項。本文對所選的PC材料(粒料)通過注塑標準試片的方法開展了各項性能測試，包括不同溫度環境條件下的材料力學性能、試件光學性能、耐紫外輻照性能(包括紫外輻照前后的各項力學性能對比、光學性能對比)等。試驗結果表明選材合理可行。圖1是利用SUV-333型太陽紫外輻照模擬器對所選PC材料開展紫外輻照的試驗現場圖。

圖1 PC材料紫外輻照試驗圖Fig.1 Ultraviolet irradiation tests of PC materi al

3.1.2 成型

面窗成型工藝方面，俄羅斯Orlan航天服頭盔面窗采用了3.0 mm板材熱成型；美國Apollo、EMU服裝因其鐘罩泡形狀，可能采用吹塑成型，使得面窗厚度不均勻，面窗為變厚度結構，這樣對其結構設計、光學性能指標要求、成型工藝控制、頭盔裝配及性能測試等均提出了較高要求。

為降低制造及裝配難度、提高性能保障，本文濾光面窗為2.0 mm均勻壁厚的薄壁透明件，通過粒料精密注塑成型，避免了因壁厚不均勻或厚度尺寸跳變、裝配誤差等造成光學性能不達標，并減少了指標項數。研制出的濾光面窗基體透射率、霧度、角偏差等光學性能完全滿足要求。

3.2 膜層設計

3.2.1 結構設計與選材

濾光面窗需有效過濾可見光，衰減紫外線，遮斷紅外線，在面窗表面鍍制高反射膜是解決問題的有效途徑。根據金膜對可見光、紅外的高反射特性及高穩定性等特點，結合美、俄等航天服經驗，在濾光面窗內表面鍍制以金膜為主的復合膜層是解決問題的方式之一，但未見公開發表關于膜層的詳細情況。為保證性能，本文選用純度≥99.99%的高純Au作為鍍制金膜的原材料。

大多數金屬反射膜都比較軟、易損壞，金膜也不例外。此外，金膜主要對可見光、紅外線具有高反射特性，對紫外線反射率并不高。因此，對膜層進行進一步優化設計:

1)參考針對飛機座艙蓋有機玻璃表面鍍制ITO膜層后，ITO膜紅外反射率≥70%、紫外吸收率≥85%的光學特性，艙外服濾光面窗設計時，在單層金膜的表面增加了ITO膜層，以進一步提高膜層的光學性能，ITO原材料選材要求純度≥99.9%。

2)為避免因地面試驗測試、人-服訓練、服裝轉運、空間出艙活動等過程中對濾光膜層的磕碰刮蹭，防止膜層受損而導致濾光面窗功能失效，將膜層鍍制在濾光面窗內表面，如圖2所示。

圖2 人眼-鍍金膜試樣-被觀察物關系圖Fig.2 Relative position of human eyes，Au-plated sam p le and ob ject

3.2.2 仿真計算

利用Essential Macleod軟件開展了膜層分析計算。由于金膜對紅外的反射率高達95%以上，因此，仿真計算中重點關注Au厚度與可見光透射率的關系。仿真分析計算結果表明:

1)計算得到Au膜厚度與可見光透射率關系曲線，如圖3所示。在PC表面僅鍍金膜情況下，隨Au膜厚度增加，面窗透射率呈下降趨勢。當金膜厚度達到或超過60 nm時，即可實現面窗可見光透射率小于5%。

圖3 金膜厚度與可見光透射率關系曲線Fig.3 Relationship of visible light transm ittance and Au-film thickness

圖4 Au-ITO厚度與可見光透射率關系曲線Fig.4 Relationship of visib le light transm ittance and Au-ITO films thickness

圖5 Au-ITO厚度與可見光反射率關系曲線Fig.5 Relationship of visible light reflectance and Au-ITO films thickness

2)仿真計算得到Au-ITO厚度對可見光透射率和反射率關系曲線(圖4、圖5)。從圖可見:Au膜表面增鍍ITO膜時，隨ITO膜厚度的增加，濾光面窗對可見光透射率呈現先增加后下降規律，對可見光反射率呈現先下降后增加規律。當ITO膜厚為40 nm時，ITO膜對濾光面窗的增透、減反效果效果最明顯，從而有利于減少眩光、降低膜表面反光對人眼的刺激。

通過上述仿真分析，Au膜厚度設定為75 nm、ITO膜厚度設定為40 nm。

4 鍍膜工藝

4.1 工藝選擇

艙外航天服頭盔濾光面窗以PC為基底，具有變曲率、大弧度、生產使用周期長、使用環境嚴酷等特點，因此，Au膜鍍制選用了直線型圓柱靶材的磁控濺射工藝，鍍制設備為JTD-1400鍍膜機(圖6)，ITO膜鍍制選用了離子束輔助沉積工藝，鍍制設備為JCP500鍍膜機(圖7)。

圖6 鍍制Au膜用JTD-1400鍍膜機Fig.6 JTD-1400 coating equipment for Au-film

圖7 鍍制ITO膜用JCP500鍍膜機Fig.7 JCP500 coating equipment for ITO-film

4.2 工藝參數設計

4.2.1 Au膜鍍制工藝參數

在Au膜鍍制工藝研究中，探究了濺射電流I、氣體流量Q、靶基距L和試樣轉速V對Au膜層與基底附著力、鍍制后膜層均勻性的影響。工藝試驗過程中各種參數組合設置及試驗結果見表1。試驗結果表明:濺射電流和氣體流量對金膜附著力影響最大，而靶基距對金膜均勻性影響較大，轉速對附著力和均勻性影響不大。

表1 Au膜鍍制工藝參數與膜層性能對照表Table 1 Performance of Au-film and process parameters

通過試驗，最終確定濾光面窗Au鍍制工藝參數如下:濺射電流為5 A；氣體流量為90 sccm；靶基距為120 mm；轉速為20 s/r。

4.2.2 ITO膜鍍制工藝參數

針對ITO膜鍍制工藝，探究了濺射電流I、氣體流量Q、靶基距L和離子源功率P對ITO膜層與Au膜之間附著力、膜層均勻性的影響。工藝試驗過程中各種參數組合設置值及試驗結果見表2。結果表明:濺射電流和離子源功率對ITO膜附著力影響較大，靶基距和氣體流量對膜均勻性影響最大。

通過試驗，最終確定濾光面窗ITO鍍制工藝參數如下:濺射電流為0.3 A；氣體流量為20 sccm；靶基距為150 mm；輔助離子源功率為80W。

表2 ITO膜鍍制工藝參數與膜層性能對照表Table 2 Performance of ITO-film and process parameters

5 性能驗證

5.1 光學性能

研制出的濾光面窗見圖8，采用Cary5000雙光束紫外可見光分光度計測得其對太陽光譜的透射率曲線，如圖9所示。濾光面窗實現了0～380 nm紫外線基本截止，380～760 nm可見光有效濾過，760 nm以上紅外線高度遮斷，達到了小于380 nm波長范圍紫外線透射率不超過1.0%，可見光透射率為1%～5%的指標要求。

圖8 鍍膜試樣外觀圖Fig.8 Sun visor sam p les w ith film s

圖9 試樣太陽光譜透射率曲線圖Fig.9 Solar spectrum transm ittance curve of the samp le

太陽光譜輻射能量主要集中在300～2500 nm波段之間，如圖10所示。本文濾光面窗對大于2500 nm的遠紅外透射率幾乎為零(圖9)，因此，計算其在300～2500 nm之間的太陽能透射率可代表其在整個太陽能全波段的能量透射率。參照GB/T 5137.4標準的計算方法，結合試樣在300～2500 nm波段之間的分光光譜，在300～400 nm波段以5 nm為一區間，在400～800 nm波段以10 nm為一區間，在800～2500 nm波段以50 nm為一區間，每一區間加權計算透射比值，繪制試樣太陽能與波長區間的乘積隨波長變化曲線，見圖11。式(1)為濾光面窗對太陽能總透射率。

圖10 太陽能量分布譜圖Fig.10 Solar energy spectrum

圖11 試樣太陽能與波長區間的乘積隨波長變化圖Fig.11 Relationship between E′λ×Δλandλtransm itted of the sam p le

式中，Δλ為波長區間或波長間隔；E′為在波長區間Δλ內，用梯形法計算后被修正的太陽能；T為試樣對λ波長的太陽光透射率；T(1.0)為太陽能直接透射比，式中1.0為空氣質量(比值)，具體定義可參見GB/T 5137.4。

依照公式(1)計算出本文濾光面窗對太陽能總透射率為2.03%，結果滿足指標要求。

5.2 環境適應性

環境適應性考核評價是產品設計研發及應用過程中不可或缺的重要環節。針對濾光面窗面臨的地面測試、人-服訓練、轉運及空間應用等各種環境條件，開展了環境試驗設計和考核驗證，包括地面濕熱試驗、熱循環試驗、工效測評、熱真空(太陽輻照)試驗、結合艙外服頭盔的真空熱平衡試驗等。其中，頭盔真空熱平衡試驗在VSH-1000熱真空試驗艙(含太陽模擬器)中進行，見圖12。試驗分3種工況:極端冷黑背景熱平衡、極端熱背景熱平衡、冷熱交變背景熱平衡，試驗條件不低于2.2節要求。各項試驗結果表明:濾光面窗可耐受低溫-115℃(95 K空間冷背景下面窗表面最低溫度)、高溫＋80℃(太陽輻照熱背景下面窗表面最高溫度)的極端工況及空間交變環境工況，試驗后面窗膜層無龜裂、剝落等缺陷，面窗光學性能滿足要求，濾光面窗可滿足應用需求。

6 結論

1)Au膜(75 nm)/PC基體(2.0 mm)結構的Au膜表面增鍍ITO膜時，隨著ITO膜厚增加，結構對可見光透射率呈現先增加后下降規律，對可見光反射率呈現先下降后增加規律。

2)采用磁控濺射工藝(直線圓柱靶材)在大弧度、變曲率的PC面窗內表面鍍制Au膜時，濺射電流、氣體流量對金膜的附著力影響最大；采用離子束輔助沉積工藝在Au膜表面增鍍ITO膜時，靶基距和氣體流量對ITO膜的均勻性影響最大。

圖12 頭盔真空熱平衡試驗Fig.12 Thermal balance test of helmet in vacuum chamber

3)ITO膜(厚40 nm)/Au膜(厚75 nm)/PC基體(厚2.0 mm)結構的濾光面窗，能有效衰減紫外線(小于380 nm紫外線透射率接近0%)，濾過可見光(380～760 nm可見光透射率為1%～5%)，遮斷太陽能(太陽能總透射率不超過10%)，對軌道空間應用環境具有良好適應性和耐受性，可為航天員出艙活動提供視覺防護、熱防護和視覺工效保障。