空間光學載荷低溫部件地面氣體保護系統設計

趙凱璇，車臘梅，彭 超，陳小弟，侯 鵬

（上海衛星裝備研究所，上海 200240）

空間光學載荷低溫部件地面氣體保護系統設計

趙凱璇，車臘梅，彭 超，陳小弟，侯 鵬

（上海衛星裝備研究所，上海 200240）

針對空間光學載荷低溫部件的特點及其對水汽污染物控制的特殊需求，分析水汽污染物對該類型部件的污染過程及防護方法，制定通過惰性氣體正壓保護防止水汽污染的技術途徑和方案，設計地面無間斷氣體保護防污染系統，以實現對環境溫濕度、保護氣體溫濕度等環境參數的全過程記錄、預警/報警、局部調節等功能。系統測試結果表明，地面氣體保護系統能夠較好地實現預定設計功能，對該類低溫部件的保護具備一定的工程實用價值。

低溫光學部件；污染物控制；氣體保護；系統設計；環境參數監測

0 引言

污染物控制是航天產品研制過程中的一項系統工程，我國各類標準及研制規范對航天產品AIT過程的防污染工作提出了明確要求。除要求對航天器AIT廠房環境進行控制[1]外，還要求對部分精密儀器/部件進行特殊保護。諸多技術人員對上述過程進行了探索，如：周傳良[2]對航天器研制全過程污染控制工程進行了系統分析；院小雪等[3]對航天光學系統防污染技術進行了研究；熊濤[4]對載人航天器總裝過程中艙內環境污染分析與控制方法進行了研究。上述工作的主要研究對象為有機物、塵埃等污染物控制，對于空間光學載荷低溫部件可能面臨的水汽污染過程及其地面防護的介紹相對較少。水汽污染防護需要關注典型空間紅外載荷低溫部件包括輻射制冷器（或熱電制冷器、制冷機等）、低溫光學部件等；同時，對吸水能力較強的漫反射板等也應特別關注。國內外均已出現此類載荷因受污染而失效的案例，如：美國的“雨云”衛星曾出現因低溫探測器結冰造成分光計失效[2]；我國FY-1A衛星入軌后，星上載荷紅外通道因信號嚴重衰減而失效，經分析確認是由水汽污染所致[5]。因此，為有效避免水汽等污染物對空間光學載荷低溫部件性能的危害，應充分考慮這些部件的特殊性及相應的防污染措施，在星/器研制全生命周期中對其進行嚴格保護。

本文以某空間紅外遙感載荷的部分部件為對象，分析水汽污染物對其污染過程及防護方法，制定防止水汽污染的技術途徑和方案，設計地面無間斷氣體保護防污染系統，并開展功能測試工作。

1 水汽污染過程及防護措施分析

1.1 水汽污染過程

對于空間紅外遙感載荷，低溫通常是保證探測器正常工作、降低信號噪聲的重要條件之一。一般情況下，對于短波段紅外探測系統，其器件工作溫度往往低于200 K；對于中長波段紅外探測系統，其器件工作溫度通常在4～100 K，同時使用低溫光學系統。本文研究的空間紅外載荷使用了空間輻射制冷裝置，以保證探測器、光學器件及部分光路結構的低溫狀態；地面測試狀態下使用制冷機輔助開展相關測試工作。該紅外載荷對水汽污染較敏感的部件主要包括探測器、光學器件、定標源、輻射制冷器、帶電活動部件等。根據相關標準要求，衛星產品研制過程的環境溫度和相對濕度須控制在一定的范圍。相關試驗研究結果[6]表明，關鍵低溫光學部件對水汽污染極為敏感。在大氣環境下，未采取保護措施的主動制冷相關低溫部件在測試過程中易出現結露/結霜現象。

水汽對空間紅外遙感載荷低溫部件的污染過程如下：星上部分部件（如多層隔熱組件、漫反射板等）或材料對水分子存在一定吸附能力，因此該部分部件在地面將吸附攜帶少量水汽；衛星發射及入軌后，水汽在低氣壓及真空環境下快速蒸發釋放，形成水汽污染源；在一定的低溫及真空條件下，低溫部件表面易吸附水汽并凝結；在無充足熱量加熱的條件下，深低溫狀態的固體冰在真空中，表面處于氣?固兩相平衡態，水分子升華速率接近0[7-9]。而在地面測試過程中，空氣中的水分易被吸附在低溫部件表面，結露/結霜后破壞光學設計狀態或影響光學件表面的紅外發射率性能而降低制冷能力，造成探測器光電性能下降甚至無法工作。

水汽污染對空間載荷的危害主要包括：1）水汽可能附著在光電器件敏感表面，從而導致光電系統性能下降甚至失效；2）空氣中的水汽、氧化氣體等共同作用，引起部分材料理化性質發生變化，直接導致部分器件（如輻射制冷器）的性能下降；3）水汽等污染物可能影響固體潤滑膜的工作穩定性及滑環類導電部件的電性能。

1.2 水汽污染防護方法

防污染方法主要包括減少污染源、阻斷污染途徑等。空間產品的水汽污染防護方法具體包括選用疏水性能較好的材料、地面充分保護、在軌主動加熱除氣等：1）選用疏水性能較好的材料。如考慮到多層隔熱組件間隔層材料的吸水性，低溫部組件的輻射隔熱可選用無間隔層的多層隔熱組件。2）地面研制過程充分保護以阻斷污染途徑。具體包括：①在載荷地面研制及測試過程中，對關鍵部件進行無間斷惰性氣體正壓保護；②通過控制 AIT環境參數、局部環境調節等措施，防止環境參數異常造成污染；③日常對部分易吸潮的部件（如多層隔熱組件）進行干燥密封，在發射前安裝。3）對部分關鍵部件進行在軌主動加熱除氣。對于低溫部件，通常采用在軌加熱方式提升部件溫度，并持續一定時間以去除水汽等污染物[6,10]，然后開機試運行。此外，由于漫反射板通常選用多孔介質材料制造，在地面極易吸收水汽，同樣需要在軌主動加熱除氣。

上述方法中，對部分部件進行無間斷惰性氣體正壓保護可對水汽污染物實現有效隔絕，同時也能夠防護塵埃粒子、有機物分子、氧化氣體等污染物，可作為空間紅外載荷水汽污染敏感部件在地面研制過程中的主要保護措施。

2 地面氣體保護技術途徑及系統設計

2.1 技術途徑

為了實現對水汽污染敏感部件的保護，本文前述空間紅外載荷為關鍵部件設計了電加熱回路供在軌加熱除氣使用，同時設計了專用半密封腔體結構和氣路供地面研制過程防護使用。在地面研制過程中，可向該半密封腔體結構內部持續充入惰性氣體，形成局部正壓環境，腔體內部的氣體同時通過氣孔外溢，以防止外部環境污染物進入，進而保護該部分關鍵部件。根據1.2節對水汽污染防護方法的分析，從可獲得性、經濟性等多因素考慮，選取高純氮氣（純度99.999%）作為正壓保護氣體。在此基礎上，本節從關鍵部件局部環境保護控制與調節、環境參數數據采集、智能分析與預警3個方面對氣體保護技術途徑開展細化研究。

1）關鍵部件局部環境保護控制與調節

通過將高純氮氣無間斷持續充入半密封腔體，形成局部正壓潔凈環境。通常情況下，將對應的壓力值換算為氣體供給的流量值進行控制。高純氮氣的控制指標主要包括氣體溫度和流量。使用高壓氮氣瓶（或液氮）作為氣源，高壓氣體膨脹（或液氮汽化）后溫度較低，因此需將保護氣體的溫度調節至環境溫度附近。氣體流量可使用氣體流量計控制。

2）環境參數數據采集

環境參數的數據采集對象主要包括 AIT環境溫度Tair、環境濕度RHair、高純氮氣流量q、高純氮氣溫度Tn、氣源壓力Pn等參數。考慮到保護氣體為高純氮氣，因此關鍵部件局部環境的濕度不再作為采集對象。

3）智能分析與預警

智能分析與預警主要對供氣連續性、環境參數、高純氣體指標等進行監測，當出現供氣不足、結露等預兆或斷氣等異常問題時，應能及時預警和報警。

通過采集得到的環境參數，可計算分析得出氣源剩余供氣時間和環境露點溫度。氣源剩余時間可參考如下途徑進行計算：氣瓶中壓縮氣態氮轉化為20 ℃、101.3 kPa狀態下的體積（單位：m3）[11]為V1=KV2，其中V2為氮氣氣瓶的容積（單位：L），K為氮氣體積換算系數；氣源剩余時間為ty=V1/q。AIT環境露點溫度Td與環境溫度Tair和環境濕度RHair相關[12]，

其中：A1=17.625；B1=243.04。

參數異常報警控制量共8個，且在報警措施之外設計了預警功能，起到提前預示作用。具體方法如下：假定報警上下限分別為A和B；在[A,B]范圍內再設置a和b作為預警限定范圍的上下限（即A＜a＜b＜B）。滿足實際值∈[a,b]范圍時，系統正常工作；滿足實際值∈[A,a)||(b,B]時，系統預警；滿足實際值∈[-∞,A)||(B, +∞]時，系統報警。

2.2 地面氣體保護系統設計

1）氣體保護系統組成及方案

氣體保護系統包括氣體管路、加熱控制、輸出等部分。

氣體管路主要包括氣源端、常用分路、備用分路、管翅式換熱器、環境溫度計、環境濕度計等，如圖 1所示。氣源端包含氣源壓力傳感器、減壓器 1等；常用分路包含氣體加熱器、氣體溫度傳感器、數字流量計、單向閥等；備用分路包含電磁閥、減壓器2、浮球流量計、單向閥等。氣體經減壓器1減壓后首先經管翅式換熱器換熱，然后分為常用、備用2條分路。常用分路工作狀態下可采集氣體流量、氣源壓力、氣體溫度、環境溫度、環境濕度等環境及氣體參數，同時實時計算顯示剩余供氣時間和參考露點溫度；備用分路為滿足應急狀態（如系統掉電等）使用而設計，其工作狀態為純機械模式，采用減壓器2進行二次減壓，由預置狀態的浮球流量計調節氣體流量。除輸入和輸出端外，氣體保護系統管路為全密封狀態；減壓器1輸入端壓力范圍設計為1.5～15 MPa，輸出端壓力約1.2 MPa；流量計輸出端的表壓力（絕對壓力高于大氣壓）即為系統配送氣體的壓頭。

加熱控制包括換熱器預熱和主動溫控加熱 2部分。氣源經減壓膨脹后溫度降低（通常有結露現象），首先在管翅式換熱器進行熱交換（使其接近環境溫度）；氣體加熱模塊在后端調節氣體溫度至預定值。流量控制和調節功能通過控制器和質量流量計實現。

圖1 氣體管路方案示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the gas pipe system

系統輸出包括采集數據、發出警報2類。采集數據存儲在系統控制器內的數據存儲模塊上。發出警報的方式為遠程聲光報警，預警與報警分別設置為不同的聲光狀態，以提醒值班人員及時處理。

2）運行流程設計

氣體保護系統運行流程設計如圖2所示：電源正常供電后，系統開機可進行參數采集，經邏輯判斷后存儲/報警輸出。管道內溫度較低時，對氣體進行閉環控制加熱。供電異常時，設備自動切換至備用分路（機械模式）。

常用和備用分路的切換過程為：系統通電正常運行時，備用分路的電磁閥為關閉狀態，流體通過常用分路正常運行；系統意外掉電時，電磁閥自動轉為常開狀態，管路隨之自動切換至備用分路，通過浮球流量計對氣體流量進行控制調節。

圖2 系統運行流程示意圖Fig. 2 Schematic diagram of working process for system

3）系統控制及輸出參數設計

系統控制及輸出參數包括AIT環境溫度Tair、環境濕度RHair、氣源壓力Pn、高純氮氣流量q1、高純氮氣流量q2、高純氮氣溫度Tn、露點溫度Td、氣源剩余時間ty。表1列出了這些參數的控制閾值。

表1 系統控制參數閾值設定表Table 1 Control threshold of system parameters

3 地面氣體保護系統集成及功能測試

3.1 地面氣體保護系統集成

氣體保護系統集成設計的外包絡尺寸400 mm×500 mm×700 mm（不含腳輪），質量38 kg，實物如圖3所示。頂部75°斜面布置顯示操作屏、流量顯示儀、電源開關、報警器等。內部側板和底板分別布置流量計、壓縮空氣加熱器、減壓器、電磁閥等設備。底板分為2部分，上部作為內部組件的安裝面，下部作為管翅式換熱器和腳輪的安裝點。

圖3 氣體系統集成實物Fig. 3 Picture of the system

3.2 地面氣體保護系統功能測試

針對氣體保護系統的設計目的，開展了氣體保護系統功能測試。測試項目主要包括數據采集存儲、參數分析預警、保護氣體主動加熱溫控等。表2給出了各主要功能測試的項目、指標、方法及結果。

圖4、圖5分別給出了氣體保護系統測試運行過程的環境、流量等數據。測試時間為2016年1月16日12:20—2月1日11:33（其中20—22日更換氣源）。氣體保護系統記錄數據與人工記錄測試數據的對比結果表明：氣體保護系統能夠實現氣體保護參數、環境參數的采集與存儲功能；系統對參數預警及報警狀態記錄完整、正確；主動加熱溫控能夠有效提升保護氣體的溫度。

圖4 工作環境參數曲線Fig. 4 Curves of the environmental parameters

表2 氣體保護系統功能測試方法及測試結果Table 2 Methods and results for functional tests of the gas protection system

圖5 供氣參數曲線Fig. 5 Curves of the nitrogen-supply parameters

4 結束語

本文分析了水汽污染物對空間光學載荷低溫部件的污染過程及防護措施，結合空間光學載荷低溫部件對水汽污染物控制的特殊需求，設計地面無間斷氣體保護系統并對其進行測試，結果表明：地面氣體保護系統能夠實現無間斷氣體保護功能，同時能夠實現對保護氣體參數、環境參數的采集與存儲，保護氣體主動加熱溫控，參數預警及報警等功能，對空間光學載荷低溫部件污染防護具備一定的工程實用價值。未來可融合互聯網技術實現環境參數的數據集中采集與遠程動態管理，進一步提升航天特殊產品的防污染保障水平。

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Design of nitrogen-shield protection system for cryogenic optical components in spacecraft AIT process

ZHAO Kaixuan, CHE Lamei, PENG Chao, CHEN Xiaodi, HOU Peng
(Shanghai Institute of Spacecraft Equipment, Shanghai 200240, China)

According to the special requirements of contaminant control for cryogenic optical components in the spacecraft AIT process, the mechanism and control of the water-vapor contaminant are analyzed and a feasible protection method is proposed for typical IR cameras. An uninterrupted nitrogen-shield protection system is designed for the local-environment adjustment, the environmental parameters recording, and the abnormal alarm. Testing results show that the designed nitrogen-shield system can provide an easy way for the protection of key components in the development process of cryogenic optical systems.

cryogenic optical components; contaminant control; gas protection; system design;environmental parameter monitoring

TH744; TP65+1

B

1673-1379(2017)05-0560-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.019

2017-05-06；

2017-09-23

國家國防科工局“十三五”基礎科研項目“衛星柔性裝配生產線數字化管控技術”（編號：JCKY2016203B106）< class="emphasis_italic">引用格式：趙凱璇, 車臘梅, 彭超, 等. 空間光學載荷低溫部件地面氣體保護系統設計[J]. 航天器環境工程, 2017, 34(5):560-565

趙凱璇, 車臘梅, 彭超, 等. 空間光學載荷低溫部件地面氣體保護系統設計[J]. 航天器環境工程, 2017, 34(5):560-565

ZHAO K X, CHE L M, PENG C, et al. Design of nitrogen-shield protection system for cryogenic optical components in spacecraft AIT process[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 560-565

（編輯：閆德葵）

趙凱璇（1987—），男，碩士學位，從事航天器AIT工藝等研究工作。E-mail: zhao_kaixuan@126.com。