航天器材料出氣動力學測試方法應用綜述

喬　佳，王先榮，王　鹢，楊生勝，顏則東，蔣　鍇

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州　730000）

航天器材料出氣動力學測試方法應用綜述

喬佳，王先榮，王鹢，楊生勝，顏則東，蔣鍇

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

為了精確地預測污染物對衛星系統性能的影響，許多國家制定了相應的航天器材料出氣動力學測試方法，其中美國材料與試驗協會（ASTM）制定的ASTM E1559航天器材料出氣污染特性測試標準更為先進。此測試方法與以往實驗方法相比，可以對材料出氣特性進行原位測量，并且可以獲得與時間和溫度相關的沉積動力學模型。文中介紹了幾種常用的航天器材料出氣動力學測試方法，著重介紹了ASTM E 1559測試方法的主要內容，基于這種方法的國內外的應用，最后對該方法進行分析得出：該方法可以進行原位測試，可以獲得不同溫度敏感表面的沉積特性，溫度變化范圍廣，低溫可達90 K，并且基于該方法，利用四極質譜儀可以對污染成份進行實時的分析，對我國基于ASTM E 1559實驗方法應用具有參考價值，有助于提高我國對航天器材料出氣污染預估水平。

ASTM E 1559；材料出氣；凝結；污染物成份

0　引言

空間環境下材料體內或者表面某些成份發生分解、擴散釋放、蒸發、升華等過程而脫離表面，并以單分子形式隨機沉積于航天器表面而造成敏感表面功能下降或性能失效稱之為空間分子污染［1］。近年來，空間分子污染對衛星的影響越來越受到重視。由于衛星的長壽命、有效載荷的高性能，對污染控制的要求越來越高［2］。材料在真空環境下出氣產生的分子污染是污染的主要來源之一，衛星敏感表面的光學性能退化是出氣分子污染造成的主要效應，必須對其影響進行分析及控制。分子污染沉積造成的性能退化有多方面的后果，主要影響熱控表面、光學表面、太陽電池的工作性能。分子污染沉積于熱控表面，會影響其表面的發射率和吸收率，進而影響衛星溫控系統的工作，嚴重時會造成衛星某些部件失效。對于光學表面，分子污染會使反射鏡反射率或者透鏡的透過率降低，信號強度減少，信噪比下降。對于太陽電池翼，分子污染沉積會增加太陽電池板溫度，使得太陽能電池輸出功率下降。隨著衛星長壽命、高可靠的要求，所使用的環境更加特殊，如低溫光學載荷在軌工作溫度為150 K甚至更低的溫度，這樣的低溫表面更易凝結污染物。因此，對污染控制提出的更為嚴格的要求，必須要建立相應的實驗方法和實驗設備。而且隨著應用衛星技術的發展，研究人員發現空間污染效應的產生和影響程度與污染物的成份密不可分，沉積到敏感表面的不同污染物對敏感表面性能的影響不同。因此，針對工程實際需要，極有必要在材料篩選的基礎上，對其出氣和可凝物成份及影響做進一步研究，這將對衛星的污染控制和在軌污染效應的評估有非常重要的工程價值［3］。

但是，之前的ASTM（American Society of Testing Materials）測試方法如ASTM E 595［4］，此標準規定采用單一試樣，單一沉積溫度，單一的試驗持續時間，而且無法對污染物進行成份分析，這并不能滿足航天系統污染分析的實際需要。因為在進行模擬或者分析時，需要與時間和溫度相關的沉積動力模型作為輸入數據。認識到這種不足之后，空間力學材料實驗室非金屬材料組（Air Force Material Laboratory Non-Metallic Material Group）委托Lockheed導彈與空間公司開發了一個新的測試方法，并且提供給ASTM，成為了1559標準［5］。文章研究了ASTM E 1559測試方法的主要內容，基于這種方法的國內外的應用，最后對該方法進行分析得出：該方法可以進行原位測試，可以獲得不同溫度敏感表面的沉積特性，溫度變化范圍廣，低溫可達90 K，并且基于該方法，利用四極質譜儀［6］可以對污染成份進行實時地分析，對我國基于ASTM E 1559實驗方法應用具有參考價值，有助于提高我國對航天器材料出氣污染物預估水平。

1　ASTM E 1559實驗簡介

測量材料出氣和沉積動力學參數的ASTM E 1559標準［5］，圖1為實驗裝置圖。圖中給出了石英晶體微天平QCM收集方法，材料樣品被安放在處于真空室內溫控出氣單元中。材料放氣流離開出氣單元，碰到幾個處于特定溫度的QCMs上，其中一個QCM是被液氮冷卻的低溫天平，可以收集所有碰撞于其表面的分子污染物。材料出氣的原位總質量損失（TML）和出氣速率數據的獲取直接來源于低溫天平上的污染物沉積量和出氣單元出氣孔到QCM的視角因子。可凝揮發物（VCM）數據的獲取來源于沉積在溫度較高QCM表面上污染物占材料出氣污染物的百分比。

圖1　實驗裝置圖

在等溫出氣實驗后，對沉積的分子污染物進行QCM的熱重分析（QTGA）測試。以穩定的速率分別將QCMs從基底溫度加熱到398 K，使得沉積在QCMs的污染物揮發，同時測出仍保留在QCMs上的污染物質量與時間和溫度的函數關系［4］。

ASTM E1559是基于上述的QCM收集方法設計出來的，有兩種測試方法，分別為測試方法A和測試方法B。方法A對測試中的各項參數進行了嚴格規定：

（1）3臺QCM的工作溫度（分別在90 K、160 K、298 K）；

（2）出氣單元的溫度；

（3）設備尺寸和幾何形狀。

從而確定QCMs到出氣單元的標準視角因子。方法B則允許用戶自行選擇試樣加熱溫度、天平溫度等參數，使得針對特定任務進行材料出氣試驗成為了可能。兩種方法除了這些參數不同，其他（如實驗步驟）都是相同的。

2　基于ASTM E 1559實驗方法的國外應用

2.1模型驗證

Hayashi等［7］利用ASTM E 1559實驗數據評價了在熱真空條件下，分子污染物出氣、傳輸和沉積的基本數學模型。在評價出氣模型時，TML與時間的關系如圖2所示，t=0-144 h測試數據的殘差比t=72-144 h測試數據的殘差大，這是由樣品早期出氣引起的。

圖2　Kevlar 29-10 TML出氣速率曲線圖

在評價傳輸模型時，Hayashi等在以下條件下，對白漆進行實驗。

（1）QCM2和QCM3視角因子不同；

（2）QCM2和QCM3的溫度為233 K。

假設只有直接傳輸的行為，那么每個QCM沉積速率的比率表示如下：

圖3為白漆的沉積比率，式（1）所獲得的理論值基本符合10 h以后的數據，但并不符合10 h之前的數據。這表明存在其他傳輸過程：擴散反射、譜反射與周圍氣體分子的散射或出氣分子的自散射。

圖3　KE-3497白漆沉積比率曲線圖

在評價粘附模型時，圖4顯示了VCMs與時間的關系，與其他VCMs曲線相比。沉積在298 K QCM上的VCM模型與實驗數據不符。這個差異是由于沉積在QCM上樣品重新蒸發引起的，但是這些理論模型并未考慮蒸發效應。因此提出了一種包括蒸發效應的沉積模型，并且與實驗數據相比較，結果如圖5所示，顯示了蒸發仿真與實驗結果。

圖4　NextelAF-62可凝揮發物沉積量曲線圖

圖5　重新蒸發模擬結果曲線圖

2.2提供輸入參數

Hall等［8］開發一種新的污染物預測代碼，ASCME（Aerospace Satellite Contamination Model Evaluator），在開發過程中，利用非線性最小平方技術（NLLS）從ASTME 1559污染數據庫中提取了模型參數，以減少擬合曲線與實驗數據的平方差和，然后利用這些數據對光化學沉積構想進行驗證，結果如圖6所示。

圖6　ASCME用NLLS擬合方法計算的結果與用ASTME 1559實驗方法測量來自AS4/3501-6碳纖維/環氧熱固樹脂之間的對比曲線圖

2.3研究物質的物理性質

Woronowicz等［9］描述了如何用ASTM E 1559 MOLEKIT設備，在不對設備進行修改的情況下，測量水蒸氣升華情況，如圖7所示，將這些數據與現存的平衡蒸氣壓模型進行比較。此外，從理論上，對水蒸氣解吸行為進行深入研究。從單原子到雙原子材料平衡蒸氣壓PV表達式變化過程可知，對于多原子分子，在計算平衡蒸氣壓時，有必要考慮在轉換熱中允許能量狀態的溫度依賴性。PV，H2O的Murphy-Koop公式，考慮了這些因素，能以較高的精度擬合各種實驗所測的從室溫至少到120 K溫度范圍的結晶冰解吸數據。

圖7　QCM溫度為125 K分子動力學設備中H2O解吸反應圖

2.4更新數據庫

Wood［10］等總結并更新了NASA/SEE航天器污染和材料出氣效應數據庫（SCMOEK）。討論了材料出氣，低溫膜光學性質，循環實驗和空間環境效應等。這個數據庫包括了將近675種材料出氣數據文件，這些數據主要是基于ASTM E 1559方法測出。

NASA計劃例如國際空間局（ISS），James Webb空間望遠鏡（JWST）等都會使用這些數據進行新開發材料的篩選。毫無疑問，基于E1559方法所測的實驗數據對于這些計劃順利進行是非常關鍵的。

基于ASTM E 1559實驗方法的應用主要包括分子污染物相關模型的驗證，提供相關算法或者模型的輸入參數，獲得某些物質的物理特性，從而為相關數據庫的更新提供了數據。

3　基于ASTM E 1559實驗方法的國內應用

2012年，院小雪［2］針對白漆材料，基于ASTM E 1559實驗方法，進行了348 K、398 K溫度條件下的材料出氣特性試驗如圖8所示，根據試驗結合材料出氣率經驗公式，確定了白漆材料出氣率的擬合公式，為簡化計算，對出氣率取平均，確定白漆材料293 K溫度條件下的出氣率為4.98×10-10g/（cm2·s）。然后將白漆材料加熱到348 K溫度下進行出氣試驗，利用3臺石英晶體微量天平，獲得了82 K、150 K和249 K溫度表面白漆出氣污染物沉積數據，如圖9所示。

圖8　白漆材料348 K、398 K溫度條件下天平頻率變化曲線

圖9　材料出氣在82 K、150 K和249 K溫度表面沉積天平頻率變化曲線

結合粘附系數理論公式，得出了白漆材料粘附系數的擬合公式，可以確定電池翼表面溫度為113 K時的粘附系數為0.74，電池翼表面溫度為323 K時的黏附系數為0.12。

國內常用的測量材料出氣實驗方法為ASTM E595，單一的敏感表面的溫度，單一的樣品溫度，異位測量，從而導致的實驗繁雜、誤差大。而基于ASTM E 1559實驗方法，可以測出不同溫度敏感表面可凝揮發的質量，最低溫度可達90 K，原位測量總出氣質量，并且方法所使用的QCM精度高，可以對沉積在表面的出氣污染物質量進行實時的檢測，最終可以獲得與時間和溫度相關的出氣和沉積動力模型。

對出氣物成份分析時，以前一般是先將材料進行常規熱真空出氣測試，然后將收集到的可凝物質用丙酮溶解制成樣品，利用氣相色譜質譜聯用分析儀對該樣品進行分析，這是一種靜態的分析方法［11］。而基于ASTM E 1559實驗方法，利用四極質譜儀對出氣污染物和可凝揮發物的成份進行實時監測分析，并且可以給出每種污染物的壓強，從而可以獲得出氣污染物成份與溫度和時間的關系。

4　ASTM E 1559實驗方法的分析

Coleman等［12］研究了Tefzel絕緣材料出氣產物UV光化學沉積特性，通過相關實驗獲得了其光化學沉積速率，并且與ASTM E 1559實驗獲得的Tefzel出氣產物的沉積速率進行比較，結果如圖10所示。

圖10　Hi-Air Velcro標準化沉積出氣速率曲線圖

圖中所顯示的ASTM E 1559數據是針對三種不同收集面溫度：160 K、220 K和298 K。在283 K下測量的光化學沉積速率與在220 K和298 K下測出的可凝污染物出氣速率相比，光學沉積速率與在220 K下測出的可凝污染物出氣速率更相似。進一步研究發現，當光化學沉積測量使用353 K污染源，而ASTM實驗使用一個393 K污染源，相似程度更明顯。結果表明ASTM E 1559所測的有效可凝物出氣速率并不能對受光照的航天器表面的污染情況進行保守地模擬。若對此課題進行深入的研究，找出不同的原因，并對ASTM E 1559方法或者設備進行改進，使其能測出在原子氧腐蝕或者紫外輻照環境下，材料出氣污染物的沉積特性，這樣獲得的數據更能體現空間環境中航天器材料出氣污染物相關特性。

5　總結

通過總結航天器材料出氣動力學測試方法國內外應用，尤其是基于ASTM E 1559實驗方法的國內外應用，如進行模型驗證、獲得相關參數、研究物質物理特性、擴展了相關數據庫等，及對該方法進行了分析，從而可以得到如下結論：

（1）ASTM E 1559可以應用于模型驗證、獲得相關參數、研究物質物理性質、更新數據庫；

（2）ASTM E 1559可以進行原位測量，敏感表面溫度可變，最低溫度達到90 K，而且可以利用四極質譜儀對材料出氣以及可凝污染物蒸發的成份進行實時地監測分析，從而可以獲得沉積量與時間、溫度、成份的關系；

（3）未來可以考慮原子氧以及紫外輻照等環境因素，這樣獲得的實驗數據與真實情況更符合。

［1］王曙光，王先榮，王鹢，等.航天器表面多層分子污染光學效應分析方法［J］.真空與低溫，2013，19（1）：14-18.

［2］院小雪.衛星太陽電池翼分子污染預估計算研究［D］.湖南：國防科學技術大學，2012.

［3］王鹢，王先榮，顏則東，等.星用非金屬材料出氣物成份及污染光學測試分析［J］.航天器環境工程，2005，22（5）：295-299.

［4］Loss T M.Standard Test Method for Mass Loss and Collected volatile Condensable Materials from Outgassing［C］//Pub?lishedApril，1990.［5］Wood B E，Bertrand W T，Bryson R J，et al.Standard Test Method for Contamination Outgassing Characteristics of Spacecraft Materials［J］.Journal of Thermophysics and Heat Transfer，1988，2（4）：289-295.

［6］肖達.四極質譜儀控制器的設計與實現［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

［7］Hayashi T，Urayama F，Takeda N，et al.Experimental ap?proach for modeling on external molecular contaminants be?haviors［C］//54thInternationalAstronauticalCongress，2003.

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［9］WoronowiczM，MeadowsG.ApplicationofASTME-1559ap? paratus to study H2O desorption［C］//SPIE Optical Engineer?ing+Applications.InternationalSocietyforOpticsandPhoton?ics，2012：849209-849219.

［10］Wood B，Garrett J，Meadows G，et al.Updated Version of the NASA SEE Program Spacecraft Contamination and Materials Outgassing Effects Knowledgebase［C］//45thAIAA Aerospace SciencesMeetingandExhibit，2007.

［11］王鹢，姚日劍，顏則東，等.敏感器件表面可凝結污染物的分析研究［J］.真空與低溫，2007，13（4）：209-212.

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THE APPLICATION OVERVIEWS OF AEROSPACE MATERIAL OUTGASSING KINETICS MEASURING METHODS

QIAO Jia，WANG Xian-rong，WANG Yi，YANG Sheng-sheng，YAN Ze-dong，JIANG Kai
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）

To predict the on-orbit molecular contamination effects on satellite system，many countries set down corresponding aerospace material outgassing kinetics measuring methods.Among which，ASTM E 1559 Standard test method developed by American Society of Testing Materials（ASTM）for contamination outgassing characteristics of spacecraft materials appears more advanced.Comparing with other test methods，it can measure the contamination outgassing characteristics of spacecraft materials in suit，and acquire the outgassing and condensing kinetic models which are temperature and time dependent.This paper introduces several aerospace materials outgassing kinetics measuring methods，mainly studies the content of ASTM E 1559 and the application of home and abroad，finally gives the following results：this method can measure in suit，acquire the condensing characteristics of molecular contamination on sensitive surface with different temperature which has wide range and can low up to 90K.In addition，based on this method，we can use the quadruple mass-spectrometer to analyze the ingredients of the molecular contamination，which benefits the study of the application of the ASTM E 1559 in our country and our ability on the predication of the contamination outgassing characteristics of spacecraft materials.

ASTM E 1559；outgassing；condensing；the ingredients of the molecular contamination

TB34

A

1006-7086（2015）05-0255-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.05.002

2015-07-15

重點實驗室基金（9140C550205140C55003）

喬佳（1990-），女，江蘇省連云港市人，碩士研究生，主要從事空間環境效應與防護方面的研究。E-mail：1259565923@qq.com。