卫星真空热试验星内污染检测分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京卫星环境工程研究所 作者:李娜

  本文利用石英晶体微量天平(QCM)监测某卫星内部真空热试验过程中污染物的沉积量;并用气相色质谱联用仪分析星内污染物的成分,为邻苯二甲酸酯类和硅氧烷类物质,主要来源于星用电缆和导热硅脂等粘结剂。结合污染物的成分及卫星污染物来源,提出了在真空热试验中减少污染物的方法。

  随着空间技术的不断发展,人们对航天器的可靠性、使用寿命等要求越来越高。航天器的污染对其光学性能、数据采集、热控性能具有较大的影响。近年来由污染引发的航天器性能问题日益突出,航天器污染分析成了航天领域关注的重点之一。

  航天器资金投入大,风险高,可靠性和安全性显得尤为重要。由于污染引发的航天器性能问题有很多,美国“轨道太阳观测站”由于电路盒出气,9 天之后lyman- Alpha 功能失效;“林肯试验卫星”,二级分离的制动火箭羽流污染了有效载荷;“哈勃空间望远镜”,因为污染沉积和UV 暴露,WFPC- IUV 功能失效。据统计美国20 世纪70~90年代的30 年中就有25 颗卫星由于污染发生了故障。由此可见污染已经成为制约航天器向高可靠性、长寿命发展的瓶颈。

  近几年,关于航天器污染方面的研究主要集中在航天器表面沉积污染物监测技术与成分分析,利用石英微量天平监测污染物的沉积量,对航天器在热试验中污染物的成分进行了分析。但这些研究都是针对航天器外部的污染监测与分析,对于卫星内部的污染情况研究的比较少。内部污染引发的问题也是不容小觑的。如硅橡胶、导热硅脂等材料挥发的有机硅分子沉积在电枢表面或微型接触器的触点,使接触电阻增加导致发生故障。阿波罗14 号就是因为此类故障导致部分实验没能正常进行。本文利用QCM、气相色质谱联用仪对某卫星在热平衡试验时内部污染量及成分进行了分析,研究了星内污染量与时间、温度的关系,分析星内污染物的成分,并提出了在真空热试验中减少污染物的手段。

1、污染物来源及影响

  太空中,对航天器产生污染的污染源主要有:①卫星上部组件的材料放气,如壳体、架、太阳电池帆板所用的非金属材料、温控涂层、导热硅脂、粘结剂、电绝缘材料等物质;②姿控发动机的喷射,各类发动机燃烧产生的未燃烧完的燃料、中间产物及燃烧生成混合形成的羽流;③空间环境的影响。航天器污染物的主要成分是小分子有机物,有机物吸附将导致太阳能电池玻璃盖片和光学镜头等部件的透光率下降,进而使太阳能电池光电转化效率下降以及光学系统分辨率降低。

2、试验过程

  试验包括卫星烘烤处理的高温静置工况及4个热循环工况(高低温),试验开始前在卫星内部四个位置安装4 个石英晶体微量天平,实时监测污染量。试验结束后分析卫星内部污染量,并在星内污染严重的部位进行取样,分析污染物成分。

3、结果与讨论

3.1、星内石英微量天平污染量测试结果

  热试验过程中星内石英晶体微量天平污染沉积量随时间与温度的变化如图1 所示。

星内污染累积量随时间、温度变化曲线

图1 星内污染累积量随时间、温度变化曲线

  由上述曲线分析可以得到以下结论:

  (1) 经计算,试验结束后污染累积量最小为为2.73×10- 6 g/cm2,最大为1.838×10- 5 g/cm2

  (2) 由图1 可以看出,热试验过程中污染累积量趋势增加,各工况污染增加量逐渐减小。在第一个静置工况中,污染沉积量持续增长,在后续高低温工况,污染沉积量在高温工况时迅速增加,在低温工况时变化平缓或略有减少。其原因为,在第一个高温常温静置工况降温过程中,卫星仍在继续进行温度控制,污染源仍可放出污染物,在后续高低温循环工况,降温过程中,卫星不再继续进行温度控制,温度迅速降低,污染源放出的污染物会迅速减少。

  (3) B2 开关的变化趋势与其他三个不同,发生了跳频现象,说明此处的污染量已经超过了石英晶体微量天平的量程。

3.2、星内污染物放气规律

  高温工况时石英微量天平污染累积量会逐步增加,低温工况时污染累积量变化较小,有少量减少,污染物含量的变化主要在高温工况,4个热试验高低温工况中,高温工况过程中污染物增加量随时间的关系如图2 所示。曲线从侧面反映出了材料放气的规律,即某一温度条件下材料出气随时间的关系,通常是材料放气率随放气时间成指数形式减少。

  通过曲线外推可以得出:若保持50℃左右高温工况,在经过223 h、184 h、217 h 左右,三处污染物的沉积量将降低到每24 h 小于1×10-7 g/cm2,达到了空间环境模拟器空载时污染沉积量不大于1×10-7 g/cm2 的要求。

高温工况过程中污染物增加量与时间的关系曲线

图2 高温工况过程中污染物增加量与时间的关系曲线

3.3、污染物成分测试结果

  试验结束后,发现天线阵面高频插头上有油滴状污染物,在舱板上也发现大量油状污染物。如图3、图4 所示。在几处污染严重部位进行取样,采用石油醚洗脱污染物,利用气相色质谱联用仪对样品进行成分分析。

卫星真空热试验星内污染检测分析

图3 卫星服务舱舱板上污染物 图4 天线高频电缆插头污染物

卫星真空热试验星内污染检测分析

图5 开关处污染物色谱图 图6 天线高频电缆线插头色谱图

3.4、污染物成分测试结论

  (1) 热试验过程中发现,卫星内部开关处的石英微量天平上沉积了较多的污染物,对开关处污染物进行成分检测,结果如图5,其主要成分为材料放气产生的硅氧烷类物质,结构式如图7 中a,b。硅氧烷类的物质主要源于星用的胶类、导热硅脂等粘结剂。

  (2)阵面天线一侧的污染物多呈油滴状,而另一侧污染物没有形成油滴状。经过成分检测污染物主要为邻苯二甲酸二2- 甲基丙酯,结构式如图7c,该污染物是一种增塑剂,广泛应用于各种线缆中。而两个舱段的主要区别为污染物较多的对地面有大量的天线灰皮电缆线,这与成分检测结果相符合。

  (3) 污染最严重的部位是天线高频电缆插头,从图6 中分析,这些混合污染物中主要成份是邻苯二甲酸二2- 甲基丙酯如图7c,邻苯二甲酸二2- 甲基庚酯如图7e,邻苯二甲酸二乙酯如图7d,含量最高的是邻苯二甲酸二2- 甲基丙酯,其余峰代表硅氧烷类物质如图7中a,b。

硅氧烷类和邻苯二甲酸酯类物质的结构式

图7 硅氧烷类和邻苯二甲酸酯类物质的结构式

4、结论

  在整星热试验后,发现卫星内部的污染量最高达到1.838×10-5 g/cm2,为肉眼可见的污染量级;试验过程中污染累积量随时间逐步增加,污染物增加量随时间逐渐减少,由此可以推出若在整星热试验前对非金属材料进行烘烤处理则热试验的污染量级将大大下降;试验中的污染物成分经检测为邻苯二甲酸酯类、硅氧烷类物质,邻苯二甲酸酯类主要来源于星用的灰皮电缆,硅氧烷主要来源于导热硅脂、白漆等非金属材料放气。

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