衛星真空熱試驗星內污染檢測分析
本文利用石英晶體微量天平(QCM)監測某衛星內部真空熱試驗過(guò)程中污染物的沉積量；并用氣相色質(zhì)譜聯(lián)用儀分析星內污染物的成分，為鄰苯二甲酸酯類(lèi)和硅氧烷類(lèi)物質(zhì)，主要來(lái)源于星用電纜和導熱硅脂等粘結劑。結合污染物的成分及衛星污染物來(lái)源，提出了在真空熱試驗中減少污染物的方法。
隨著(zhù)空間技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對航天器的可靠性、使用壽命等要求越來(lái)越高。航天器的污染對其光學(xué)性能、數據采集、熱控性能具有較大的影響。近年來(lái)由污染引發(fā)的航天器性能問(wèn)題日益突出，航天器污染分析成了航天領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)之一。
航天器資金投入大，風(fēng)險高，可靠性和安全性顯得尤為重要。由于污染引發(fā)的航天器性能問(wèn)題有很多，美國“軌道太陽(yáng)觀(guān)測站”由于電路盒出氣，9 天之后lyman- Alpha 功能失效;“林肯試驗衛星”，二級分離的制動(dòng)火箭羽流污染了有效載荷;“哈勃空間望遠鏡”，因為污染沉積和UV 暴露，WFPC- IUV 功能失效。據統計美國20 世紀70~90年代的30 年中就有25 顆衛星由于污染發(fā)生了故障。由此可見(jiàn)污染已經(jīng)成為制約航天器向高可靠性、長(cháng)壽命發(fā)展的瓶頸。
近幾年，關(guān)于航天器污染方面的研究主要集中在航天器表面沉積污染物監測技術(shù)與成分分析，利用石英微量天平監測污染物的沉積量，對航天器在熱試驗中污染物的成分進(jìn)行了分析。但這些研究都是針對航天器外部的污染監測與分析，對于衛星內部的污染情況研究的比較少。內部污染引發(fā)的問(wèn)題也是不容小覷的。如硅橡膠、導熱硅脂等材料揮發(fā)的有機硅分子沉積在電樞表面或微型接觸器的觸點(diǎn)，使接觸電阻增加導致發(fā)生故障。阿波羅14 號就是因為此類(lèi)故障導致部分實(shí)驗沒(méi)能正常進(jìn)行。本文利用QCM、氣相色質(zhì)譜聯(lián)用儀對某衛星在熱平衡試驗時(shí)內部污染量及成分進(jìn)行了分析，研究了星內污染量與時(shí)間、溫度的關(guān)系，分析星內污染物的成分，并提出了在真空熱試驗中減少污染物的手段。
1、污染物來(lái)源及影響
太空中，對航天器產(chǎn)生污染的污染源主要有：①衛星上部組件的材料放氣，如殼體、架、太陽(yáng)電池帆板所用的非金屬材料、溫控涂層、導熱硅脂、粘結劑、電絕緣材料等物質(zhì);②姿控發(fā)動(dòng)機的噴射，各類(lèi)發(fā)動(dòng)機燃燒產(chǎn)生的未燃燒完的燃料、中間產(chǎn)物及燃燒生成混合形成的羽流;③空間環(huán)境的影響。航天器污染物的主要成分是小分子有機物，有機物吸附將導致太陽(yáng)能電池玻璃蓋片和光學(xué)鏡頭等部件的透光率下降，進(jìn)而使太陽(yáng)能電池光電轉化效率下降以及光學(xué)系統分辨率降低。
2、試驗過(guò)程
試驗包括衛星烘烤處理的高溫靜置工況及4個(gè)熱循環(huán)工況(高低溫)，試驗開(kāi)始前在衛星內部四個(gè)位置安裝4 個(gè)石英晶體微量天平，實(shí)時(shí)監測污染量。試驗結束后分析衛星內部污染量，并在星內污染嚴重的部位進(jìn)行取樣，分析污染物成分。
3、結果與討論
3.1、星內石英微量天平污染量測試結果
熱試驗過(guò)程中星內石英晶體微量天平污染沉積量隨時(shí)間與溫度的變化如圖1 所示。
圖1 星內污染累積量隨時(shí)間、溫度變化曲線(xiàn)
由上述曲線(xiàn)分析可以得到以下結論:
(1) 經(jīng)計算，試驗結束后污染累積量最小為為2.73×10- 6 g/cm2，最大為1.838×10- 5 g/cm2。
(2) 由圖1 可以看出，熱試驗過(guò)程中污染累積量趨勢增加，各工況污染增加量逐漸減小。在第一個(gè)靜置工況中，污染沉積量持續增長(cháng)，在后續高低溫工況，污染沉積量在高溫工況時(shí)迅速增加，在低溫工況時(shí)變化平緩或略有減少。其原因為，在第一個(gè)高溫常溫靜置工況降溫過(guò)程中，衛星仍在繼續進(jìn)行溫度控制，污染源仍可放出污染物，在后續高低溫循環(huán)工況，降溫過(guò)程中，衛星不再繼續進(jìn)行溫度控制，溫度迅速降低，污染源放出的污染物會(huì )迅速減少。
(3) B2 開(kāi)關(guān)的變化趨勢與其他三個(gè)不同，發(fā)生了跳頻現象，說(shuō)明此處的污染量已經(jīng)超過(guò)了石英晶體微量天平的量程。
3.2、星內污染物放氣規律
高溫工況時(shí)石英微量天平污染累積量會(huì )逐步增加，低溫工況時(shí)污染累積量變化較小，有少量減少，污染物含量的變化主要在高溫工況，4個(gè)熱試驗高低溫工況中，高溫工況過(guò)程中污染物增加量隨時(shí)間的關(guān)系如圖2 所示。曲線(xiàn)從側面反映出了材料放氣的規律，即某一溫度條件下材料出氣隨時(shí)間的關(guān)系，通常是材料放氣率隨放氣時(shí)間成指數形式減少。
通過(guò)曲線(xiàn)外推可以得出：若保持50℃左右高溫工況，在經(jīng)過(guò)223 h、184 h、217 h 左右，三處污染物的沉積量將降低到每24 h 小于1×10-7 g/cm2，達到了空間環(huán)境模擬器空載時(shí)污染沉積量不大于1×10-7 g/cm2 的要求。
圖2 高溫工況過(guò)程中污染物增加量與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)
3.3、污染物成分測試結果
試驗結束后，發(fā)現天線(xiàn)陣面高頻插頭上有油滴狀污染物，在艙板上也發(fā)現大量油狀污染物。如圖3、圖4 所示。在幾處污染嚴重部位進(jìn)行取樣，采用石油醚洗脫污染物，利用氣相色質(zhì)譜聯(lián)用儀對樣品進(jìn)行成分分析。
圖3 衛星服務(wù)艙艙板上污染物 圖4 天線(xiàn)高頻電纜插頭污染物
圖5 開(kāi)關(guān)處污染物色譜圖 圖6 天線(xiàn)高頻電纜線(xiàn)插頭色譜圖
3.4、污染物成分測試結論
(1) 熱試驗過(guò)程中發(fā)現，衛星內部開(kāi)關(guān)處的石英微量天平上沉積了較多的污染物，對開(kāi)關(guān)處污染物進(jìn)行成分檢測，結果如圖5，其主要成分為材料放氣產(chǎn)生的硅氧烷類(lèi)物質(zhì)，結構式如圖7 中a，b。硅氧烷類(lèi)的物質(zhì)主要源于星用的膠類(lèi)、導熱硅脂等粘結劑。
(2)陣面天線(xiàn)一側的污染物多呈油滴狀，而另一側污染物沒(méi)有形成油滴狀。經(jīng)過(guò)成分檢測污染物主要為鄰苯二甲酸二2- 甲基丙酯，結構式如圖7c，該污染物是一種增塑劑，廣泛應用于各種線(xiàn)纜中。而兩個(gè)艙段的主要區別為污染物較多的對地面有大量的天線(xiàn)灰皮電纜線(xiàn)，這與成分檢測結果相符合。
(3) 污染最嚴重的部位是天線(xiàn)高頻電纜插頭，從圖6 中分析，這些混合污染物中主要成份是鄰苯二甲酸二2- 甲基丙酯如圖7c，鄰苯二甲酸二2- 甲基庚酯如圖7e，鄰苯二甲酸二乙酯如圖7d，含量最高的是鄰苯二甲酸二2- 甲基丙酯，其余峰代表硅氧烷類(lèi)物質(zhì)如圖7中a，b。
圖7 硅氧烷類(lèi)和鄰苯二甲酸酯類(lèi)物質(zhì)的結構式
4、結論
在整星熱試驗后，發(fā)現衛星內部的污染量最高達到1.838×10-5 g/cm2，為肉眼可見(jiàn)的污染量級;試驗過(guò)程中污染累積量隨時(shí)間逐步增加，污染物增加量隨時(shí)間逐漸減少，由此可以推出若在整星熱試驗前對非金屬材料進(jìn)行烘烤處理則熱試驗的污染量級將大大下降;試驗中的污染物成分經(jīng)檢測為鄰苯二甲酸酯類(lèi)、硅氧烷類(lèi)物質(zhì)，鄰苯二甲酸酯類(lèi)主要來(lái)源于星用的灰皮電纜，硅氧烷主要來(lái)源于導熱硅脂、白漆等非金屬材料放氣。
