航天光學系統的污染控制技術

院小雪，周傳良，楊東升1,

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

0 引言

航天光學系統是重要的航天有效載荷，其突出特點是對污染高度敏感。航天光學系統運行所處的空間環境與地面環境存在巨大的差異，光學系統的功能性器件將因所處環境的改變而發生變化[1]，在地面生產和制造時的可靠性狀態也隨之改變。污染是造成這種變化的因素之一。要保證航天光學系統在研制及在軌運行期間由于分子污染和顆粒污染造成的光學器件光學透過率、反射率和散射光的改變滿足系統設計的分辨率和靈敏度要求，達到預定的設計任務目標，必須做好航天器光學系統的污染控制工作。

1 國外航天光學系統的污染控制

航天光學系統有著相似的有效載荷和空間環境，航天光學系統有效載荷曾因污染造成一系列的故障。采取有效的污染控制措施是保證航天光學系統正常運行的必要條件。例如，作為美國國家防御系統重要組成部分[2]的彈道中段空間試驗衛星（Midcourse Space Experiment，MSX）針對其有效載荷對污染高度敏感的特性，制定了周密的污染控制計劃。由 ESA和 NASA共同承擔的 Solar &Heliospheric Observatory（SOHO）和美國的Transition Region Coronal Explorer（TRACE）兩個太陽望遠鏡[3]以及其他航天光學系統的經驗都證明污染控制是航天光學系統研制中的重要工作之一。

1.1 MSX的污染控制措施

MSX于1996年4月24日發射，重2 700 kg，長5.1 m，運行在高度為900 km的近似太陽同步軌道的極軌道，軌道傾角為99.4°，主要有3個有效載荷：1）大型固態氫制冷的紅外望遠鏡（空間紅外望遠鏡SPIRIT III）；2）可見光波段望遠鏡（天基可見 SBV）；3）一套從近紅外到紫外波段的望遠鏡和分光計（紫外與可見光成像儀和光譜成像儀UVISI）。所有這些光學儀器都被集中安裝在衛星的一側，而大部分數據采集和處理電子單元被安裝在衛星的另一側。這種設計可以減少由于數據采集和處理電子單元的部分非金屬材料放氣而導致的對光學儀器及其觀測空間的污染。圖1和圖2分別是MSX整星和MSX光學系統的外形圖。

由于紫外比可見光和紅外在單位厚度分子污染膜內的吸收率更高，所以 UVISI光學元件表面對污染非常敏感。這就要求紫外望遠鏡的零部件比可見光望遠鏡的零部件進行更長時間的真空烘烤[4]。在發射期間和入軌初始階段，這些主要光學儀器上都有防護蓋保護。MSX的污染試驗組負責有關污染方面的設計和控制，在整個研制過程中跟蹤監測飛行件的潔凈度，模擬在軌污染環境，發射前發布飛行中污染環境預估，設計在軌污染測量試驗。

圖1 彈道中段空間試驗衛星Fig. 1 The MSX satellite

圖2 彈道中段空間試驗衛星光學系統Fig. 2 The optical system of MSX satellite

1.2 MSX的在軌實時污染監測

在軌污染會造成反射鏡的反射率降低和散射增加，影響其光學性能。因此MSX共安裝了5個石英晶體微量天平（QCM），其中4個為溫控石英微量天平（TQCM），1個為低溫石英微量天平（CQCM）。溫控石英微量天平位于衛星的不同外表面，工作溫度為-400～+500 ℃，測量硅樹脂和有機物分子的凝結物。低溫石英微量天平位于SPIRIT III紅外低溫望遠鏡主鏡附近。在工作的第一周，它的溫度隨主鏡從28 K降到20 K，可提供望遠鏡主鏡上污染物沉積的實時監測數據。監測數據顯示，所有的QCM記錄的污染物沉積率都在每天20 ng/cm2的水平。QCM熱重分析提供了凝結污染物的數量和物質成分。QCM和其他污染試驗儀器的數據為確定安全打開光學儀器防護蓋的時間提供了原位實時監測數據依據。這些QCM的監測數據也成為分析衛星軌道分子污染特性的關鍵數據。直到現在，這些數據還在源源不斷地被送到數據庫中，用來進行衛星及有效載荷的在軌運行狀況分析。

1.3 TAUVEX UV天文望遠鏡的污染控制措施

TAUVEX UV天文望遠鏡，由ISA（以色列航天局）發起，由El-Op和Tel-Aviv University Wise Observatory聯合設計和制造。每個望遠鏡包括9個對污染敏感的光學表面，分別為主鏡、二次鏡、第一校正透鏡（2個表面）、第二校正透鏡（2個表面）、濾光器（2個表面）和探測器窗口。

該望遠鏡由3個工作在140～280 nm光譜范圍的相同望遠鏡組成。此光譜范圍對分子污染和顆粒污染高度敏感，需要制定嚴密的污染控制方法以滿足污染控制要求。

對 TAUVEX應用的污染控制方法是由 Soreq NRC和El-Op共同制定的，涵蓋了設計、制造、總裝和測試的項目全過程，工作內容包括：污染指標分配；材料選擇標準；根據放氣對分子污染進行理論分析，預估空間環境造成的光學性能衰減；測量透射損失和污染物密度之間關系的試驗；專門的設計；總裝和試驗環境；熱真空、振動試驗潔凈度控制，以及監測設備的選擇和使用。

1.4 SOHO紫外儀器的潔凈度和標定穩定性

在過去的項目中，用于對太陽進行空間觀測的光學儀器受到了航天器和儀器結構所用材料的污染影響而導致敏感度衰減。與可見光波段相比，雖然太陽電磁輻射中紫外波段所占能量的比例很小，然而，如果連續暴露在太陽光下，依然能夠使得有機污染物聚合在光學表面上。SOHO選擇合適的材料以及獨特的航天器和儀器的結構設計，使得它在很大程度上能夠避免這種危害。SOHO上各種遙感儀器通過一定的潔凈度控制要求達到了穩定的靈敏度要求。這些設計方面的獨到之處對未來進行太陽探測和研究有普遍意義。

2 航天用非金屬材料污染光學效應

2.1 機理分析

如圖3所示，一束光線入射到一個分子污染膜表面后，部分光線被反射，部分光線被吸收，部分光線被透射。根據能量守恒定律[5]，可知其中：ρ代表反射率；α代表吸收率；τ代表透射率。這3個參數與光線的入射角度、偏振和波長有關，可以通過試驗來確定。

圖3 光線入射、反射、吸收和透射關系圖Fig. 3 The relation figure of incidence, reflection, absorption and transmittance of the rays

導致光學透射率損失的原因是污染物的散射作用。不同種類的分子污染膜吸收能譜不同，在不同的波段差別很大。顆粒污染物主要是造成入射光的散射，從而增加了漫反射（雙向反射分配函數，bi-directional reflectance distribution function），形成了探測器上的雜散光束，降低了信噪比。透射率損失只有當顆粒污染物個數密度很大的時候才會顯著表現出來。

2.2 試驗研究

對多種常見星用非金屬材料樣品進行污染光學效應試驗研究，部分試驗分析結果如下。

1）對“導線緊扣帶”進行分子污染沉積研究，表1為試驗數據，透射率譜如圖4所示（1～5號樣品分別代表SiO2基底上沉積的污染量為0.051 mg、0.093 mg、0.136 mg、0.182 mg 和 0.224 mg）。

表1 導線緊扣帶分子污染出氣數據Table 1 The molecular contamination outgassing data of the wire buckle

圖4 導線緊扣帶透射率譜Fig. 4 The transmittance of the wire buckle

圖5是導線緊扣帶透射率最大衰減值與沉積質量之間的關系。從該圖可以得出如下結論：對于導線緊扣帶沉積不同厚度的分子薄膜后，光學鏡片在可見光、紫外和近紅外譜段的透射率衰減不同；但隨著波長的增加，同一厚度污染物薄膜的透射率逐漸增加；在波段200～2 500 nm間，由于污染各個光譜段透射率都有相同的衰減趨勢。另一個值得注意的現象就是發生在石英光學鏡片紫外波段210 nm左右處的光學透射率衰減值最大，且隨著污染膜厚度（質量）的增加，透射率最大衰減值增大，且基本成線性關系。這些測試結果和美國ARNOLD機械材料技術中心報道的有機物分子紫外和可見光譜段分子污染沉積結果基本一致。

圖 5 導線緊扣帶透射率最大衰減值與沉積質量的關系Fig. 5 The relation between the max transmittance attenuation and the contamination mass of the wire buckle

2）對某種星用“塑料”進行分子污染沉積研究，試驗數據見表2，透射率譜如圖6所示（1～5號樣品分別代表 SiO2基底上沉積的污染量為 0.015 7 mg、0.018 7 mg、0.019 0 mg、0.019 7 mg和0.021 8 mg）。

表 2 某塑料分子污染出氣數據Table 2 The molecular contamination outgassing data of the plastic

圖6 某塑料透射率譜Fig. 6 The transmittance of the plastic

該種“塑料”在石英鏡片上沉積不同厚度的可凝揮發物后，由圖7可見，光學鏡片在可見光、紫外和近紅外譜段的透射率衰減不同；同一波長時，污染物薄膜的透射率衰減速率并不隨沉積厚度（質量）的增加而逐漸增加，沉積 0.015 7 mg比沉積0.019 0 mg“塑料”可凝揮發物后的透射率衰減量要低30%左右；而在200～2 500 nm波段間各透射率衰減卻有相同的趨勢，即隨著波長的增加，透射率衰減不斷減小，最大衰減值在200 nm附近。但該“塑料”的透射率最大衰減值和導線緊扣帶的不同，并不隨沉積質量成線性關系。這些測試結果和國外報道的有機物分子紫外和可見光譜段分子污染沉積結果基本一致。

圖 7 塑料透射率最大衰減值與沉積質量之間的關系Fig. 7 The relation between the max transmittance attenuation and the contamination mass of the plastic

圖 8是某種塑料出氣產物在 10 000～400 cm-1波段的光譜圖，從圖中可看出，吸收峰的位置在793 cm-1、1 018 cm-1、1 090 cm-1、1 253 cm-1、2 842 cm-1和2 910 cm-1處。而793 cm-1處是—CH3官能團的吸收峰處；1 018 cm-1是RSO3H官能團的吸收峰處[6]；1 090 cm-1是Si—O—Si官能團的吸收峰處； 1 253 cm-1是—C(CH3)3官能團的吸收峰處；2 842 cm-1是—CH3官能團的吸收峰處；2 910 cm-1是—CH2—官能團的吸收峰處。通過上述分析，推斷該塑料材料含有硫和硅元素，并且出氣產物主要是非金屬材料的降解產物。各吸收峰的相對強度有明顯的差異，取決于污染物沉積質量的大小。以上各吸收峰強度隨污染物沉積質量的增加而逐漸增大，這些污染物成分對透射率有較大影響。

圖 8 鍺基底上沉積0.015 2 mg的“塑料”分子污染物后的紅外透射率譜Fig. 8 The infrared transmittance of the germanium

3 航天光學系統的污染控制措施

我國在航天光學系統研制中已經采取了大量的污染防護措施并取得了一定的成效。由于航天光學系統與其他污染不敏感的系統（如結構與機構、推進、電源、測控系統等）一起構成完整的航天器，這些污染不敏感的系統由大量的非金屬材料構成[3]，它們釋放的有機分子會對航天光學系統產生有害影響。航天光學系統的污染控制必須做到避免系統間的交叉污染，在航天器頂層設計時必須考慮到各個系統釋放的污染總量，并納入總體污染控制計劃。從航天器設計到在軌運行的全過程，都需要制定行之有效的污染控制措施。

在航天器設計階段，需要制定完備的污染控制大綱。首先需要充分考慮航天器的構型與布局，考慮航天器的光學系統是否在羽流污染區域；其次要考慮航天器所用非金屬材料的篩選工作，是否需要進行真空烘烤處理。在此基礎上，制定一套完整的污染控制方案并加以實施，避免研制過程中的被動補救措施造成成本增加、可靠度降低。

航天產品制造階段是航天器部組件加工最早的階段，通常通過切割、鉆孔和焊接等方法，使用金屬、塑料及合成材料等構成航天器產品的零部件。該項工作需要在潔凈環境下進行，在實施工作之前，須設置潔凈間環境及人員配備標準。

航天產品裝配工作是把產品制造階段生產的部組件組裝成儀器和分系統等，包括從簡單的機械裝配到復雜完整設備的裝配。航天器在總裝階段必須建立一套完備的潔凈間潔凈度標準和人員操作標準。對光學系統而言，這個環節尤為重要，一般需要潔凈間潔凈度達到10萬級，操作人員控制在8～10人左右。操作人員符合進出潔凈間要求，才能進行下一步的裝配。

航天器試驗是為了驗證航天器的力學、熱學等性能。譬如力學和聲學等試驗一般都是在非潔凈間環境中進行，在這種情況下，必須對光學系統進行預保護，使用保護蓋、保護袋等保護裝置，并實時監測環境的潔凈度。

在航天器運輸過程中，既要通過使用保護蓋、保護袋等措施為光學系統做好防污染措施，還要做好安全防護措施。

在航天器儲存過程中，應保持存放地點的潔凈度，保證存放過程中航天器不受污染。

一個壽命為5年的航天器，入軌第一周內的放氣量約占總放氣量的一半，因此打開光學系統防護蓋要選擇恰當的時間。必要時應設計污染物捕獲器吸附分子污染，采用二氧化碳冰晶或離子轟擊法清洗光學表面。對傳回的污染物監測信息進行分析，確認污染控制措施的有效性。

4 結束語

綜上所述，本文研究了航天光學系統對污染的光學效應和航天用非金屬材料放氣污染引起的光學透射率的變化，在此基礎上簡要總結了航天器研制全過程對航天光學系統的污染控制措施。在以后的工作中，在材料篩選方面，需要建立完善的數據庫；在航天器設計階段，需要建立完善和系統的全過程污染控制措施。

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