“天舟一號”貨運飛船在軌污染探測數據分析

于錢，臧衛國，楊東升，院小雪，田東波，任飛揚

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

航天器在研制過程中，各個系統及部件使用大量非金屬材料，包括電纜絕緣層、導熱硅脂、硅橡膠、粘結劑、涂層等[1]。航天器在軌飛行時處于真空冷熱交變的環境中，這些非金屬材料會在空間真空環境下產生污染物[2]，其與航天器在地面總裝過程中吸附在表面的污染物及發動機羽流產生的污染物，是造成航天器表面污染的主要源頭。這些污染物沉積在航天器表面，影響著航天器表面的光、熱屬性[3]。航天器易受污染影響的部分主要有熱控涂層、光學鏡頭、光學窗口、太陽電池片等污染敏感部件。這些部件受污染后將會降低航天器的性能，縮短航天器的使用壽命，甚至導致其失效[4-7]。國內外以光學系統和敏感系統為主要載荷的航天器也多次發生由于污染而造成重大損失的事故，文獻[8]中報道，據 NASA統計，美國20 世紀70 年代有13 顆，80 年代有11 顆，90 年代有 1 顆航天器因污染造成故障。由于航天器具有投入資金巨大、技術密集和高風險性的特點，所以其可靠性和安全性顯得非常重要，航天器一旦出現故障要付出昂貴的代價，因此能夠獲取航天器在軌污染的數據，對于航天器的設計和污染控制有重要作用。

美國在多個航天器上都進行過在軌污染測量，如文獻[9]中報道 SKYLAB 和APOLLO 望遠鏡組件上安裝了6臺QCM探測器，文獻[10]中報道MSX衛星上安裝了5 臺QCM探測器，這些探測器提供了大量在軌污染監測數據。我國近期也開展了少量在軌污染監測試驗，文獻[11]中報道“新技術驗證一號”衛星上利用鎵銦磷太陽電池間接探測空間污染環境。文獻[12]中報道“天宮一號”（TG-1）目標飛行器上利用微質量計監測空間污染環境，總體來說，我國航天器在軌污染狀況數據非常缺乏。文中的QCM探測器是TZ-1貨運飛船“空間環境監測與控制試驗系統”中的試驗載荷之一，在2017年4月20日隨TZ-1貨運飛船發射成功，QCM 探測器試驗目的之一是監測貨運飛船長期在軌過程中的空間污染環境。

1 探測器簡介

1.1 探測器原理

TZ-1貨運飛船的污染監測采用 QCM 探測器，QCM探測器是以Sauerbrey公式為基礎[13]，利用厚度剪切壓電石英晶體頻率變化量與其附著物的質量成正比的原理，通過暴露于污染物中的傳感晶體振蕩頻率變化來實現污染沉積量的測量。Sauerbrey公式為：

式中：Δf為探測器頻率改變量，Hz；Δm為沉積質量改變量，g；A為沉積的面積，cm2；Cf為質量靈敏度，為一常數，g/(cm2·Hz)。

由Sauerbrey公式可以看出，探測器頻率改變量Δ f 與沉積質量改變量Δm是線性關系。Glassford等人的研究表明，質量靈敏度Cf值通常只與晶體的基本物理特性相關，隨溫度的變化很小，5 K低溫下QCM 的質量靈敏度為 298 K溫度下質量靈敏度的99.937%，溫度的變化對其質量靈敏度的變化可以忽略。隨著石英晶體基頻的升高，探測器的靈敏度提升，一定基頻的石英晶體的Cf值對應一個常數。表 1為AT切型石英晶體的質量靈敏度[14]。

TZ-1貨運飛船的QCM探測器使用的石英晶體諧振基頻為10 MHz，石英晶體采用AT切割，因此其質量靈敏度為 4.42×10－9g/(cm2·Hz)。

表1 AT切型石英晶體的質量靈敏度

1.2 探測器組成

TZ-1貨運飛船QCM探測器結構如圖1所示，采用兩個AT切割基頻10 MHz的石英晶片前、后安裝，即傳感晶片和參考晶片，分別與各自的激勵芯片構成振蕩電路，然后進行混頻差頻輸出。通過差頻將晶片10 MHz左右的基頻信號轉換成數kHz的輸出信號，降低了頻率采集的難度。傳感晶片暴露于污染環境中，污染物沉積后振動頻率降低，參考晶片不暴露于污染環境中，振動頻率不受污染物影響，由兩個晶片振蕩頻率之差，能夠測量出沉積在傳感晶片表面的污染量的大小。QCM 探測器兩晶片采用相似的溫度頻率特性，當溫度發生變化時，兩個晶片的振蕩頻率都發生相似的變化，通過差頻抵消，使得差頻輸出信號溫度效應降低。

圖1 QCM探測器結構

1.3 探測器性能

TZ-1貨運飛船QCM探測器的傳感晶片比參考晶片的振動頻率約低6 kHz，因此QCM探測器的輸出頻率會隨著沉積污染物質量增長而增加。石英晶片振蕩頻率會隨著溫度的變化而改變，QCM 探測器選用溫度系數低的AT切割石英晶片，并通過傳感晶片與參考晶片的溫頻匹配來減小溫度的影響。在工作溫度范圍內，將溫度導致的頻率改變控制在數十赫茲。QCM 探測器采用熱敏電阻測溫，在軌探測過程中，可以通過選擇工作溫度條件相當的時刻來獲取污染物的沉積信息，消除溫度對于探測結果的影響。

TZ-1貨運飛船 QCM 探測器的主要性能指標見表2。

表2 QCM探測器主要性能指標

2 在軌探測數據分析

TZ-1貨運飛船QCM探測器安裝在艙外后錐段第III象限。TZ-1貨運飛船在軌運行期間，從2017年5月31日開始至2017年9月3日期間，QCM探測器進行了監測試驗，因為需要配合飛船開展其他試驗任務，因此QCM探測器在測試過程中多次進行了開機、關機的操作，導致了監測數據的不連續。

從2017年7月13日至2017年8月18日期間，QCM 探測器獲取了相對連續的探測數據，文中對這一時間區間的測試結果進行分析。在軌污染監測數據如圖2所示， QCM探測器在軌的36 d時間內，其表面污染沉積量為1.64×10－6g/cm2。

圖2 在軌污染監測數據

圖3為美國使用航天器污染物中常見的Silicones對太陽吸收率影響的測試結果[15]。

對于Silicones污染物，通常1×10-6g/cm2污染量級對應于10 nm污染膜厚度，可見TZ-1貨運飛船的污染累積量已經達到影響污染敏感器件光學性能的量級。

從圖2中可以看出，在不同試驗時間，QCM探測器的污染量增長速率有著明顯的差異。將污染監測試驗分為三個階段，各階段的污染增長速率見表3。

圖3 太陽吸收率隨污染物厚度變化曲線（Silicones）

從2017年7月13日至2017年7月21日，為階段1，這個階段中QCM探測器頻率增長了40 Hz，即污染累積量為1.77×10-7g/cm2，每天的污染增長量為2.2×10-8g/cm2。從2017年 7月 22日至2017年 7月28日，為階段2，這個階段中QCM探測器頻率增長了277 Hz，即污染累積量為1.22×10-6g/cm2，每天的污染增長量為2.03×10-7g/cm2。從2017年7月29日至2017年8月18日，為階段3，這個階段中QCM探測器頻率增長了 53 Hz，即污染累積量為 2.34×10-7g/cm2，每天的污染增長量為1.2×10-8g/cm2。造成各階段污染增長速率差異明顯的原因主要是由于飛船在軌過程中進行了姿態調整，導致QCM探測器周邊污染出氣源遭受的環境改變。

分別針對這三個試驗階段進行分析，測試結果如圖4所示。

階段1污染測試結果如圖4a所示，測試過程中，QCM 探測器的污染增長速率基本保持一致。從其溫度測試結果可以看出，QCM 探測器每天的最高工作溫度維持在5 ℃左右，最低溫度為-10 ℃左右。

階段2污染測試結果如圖4b所示，測試過程中，QCM 探測器的污染增長速率增加較大，并隨著時間逐漸減緩。從其溫度測試結果可以看出，QCM 探測器每天初始時的最高工作溫度為 13.0 ℃左右，最低溫度為-8.9 ℃左右；結束時最高溫度為5.7 ℃左右，最低溫度為-4.2 ℃左右。

圖4 污染測試結果

階段3污染測試結果如圖4c所示，測試過程中，QCM 探測器的污染增長速率降低。從其溫度測試結果可以看出，QCM 探測器每天初始時的最高工作溫度為 1.6 ℃左右，最低溫度為-7.2 ℃左右；結束時最高溫度為-15.0 ℃左右，最低溫度為-19.2 ℃左右。

由上述測試結果可知：

1）TZ-1貨運飛船 QCM探測器在軌36 d 時間內，污染沉積量為1.64×10-6g/cm2，污染累積量達到影響污染敏感器件光學性能的量級。

2）通過各階段的測試結果可以看出，階段2 QCM探測器的工作溫度區間明顯高于階段1，階段1的工作溫度區間要高于階段 3。QCM 探測器的工作溫度升高，表明周邊區域的放氣源的溫度也相應增加，而放氣源溫度的增加也導致了放氣源出氣污染物增加，QCM探測器探測的污染沉積量也相應增加。

3）真空環境下溫度參數是影響出氣污染量的關鍵因素，可以通過控制出氣污染源溫度的方式，進行航天器在軌污染控制。

將TZ-1貨運飛船QCM探測器測試結果與文獻[9]中 SkyLab QCM 探測器測試結果及文獻[12]中TG-1微質量計探測結果進行比較，結果見表4。

表4 TZ-1與Skylab、TG-1污染測試結果比較

Skylab QCM探測器在軌106 d時間內，污染沉積量為 6.5×10-6g/cm2，平均每天的污染累積量為6.1×10-8g/cm2。TG-1微質量計在軌45 d時間內，污染沉積量為3.65×10-6g/cm2，平均每天的污染累積量為8.1×10-8g/cm2。TZ-1貨運飛船QCM探測器在軌36 d時間內，污染沉積量為1.64×10-6g/cm2，平均每天的污染累積量為 4.6×10-8g/cm2。綜合比較，污染沉積量量級基本相當。

3 結論

文中利用QCM探測器對“TZ-1”貨運飛船長期在軌污染狀況進行了監測，分析了污染監測數據。結果表明，航天器在軌過程中，長期污染累積量已經達到影響污染敏感器件光學性能的量級，航天器污染控制措施仍需要進一步加強；污染源溫度是影響航天器污染累積量的一個重要因素，也是航天器在軌污染控制的一個重要措施。探測數據為污染源控制、污染敏感器件的布置等航天器設計提供了參考，還需進一步加強在軌污染環境及效應探測，建立污染環境數據庫，為航天器可靠性設計提供數據支持。

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