空间环境污染对空间制冷器的影响

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

  空间环境染污对航天器的影响是目前高可靠长寿命航天器设计时非常重要的问题之一。对于观测卫星、天文卫星、监测和跟踪卫星等航天器,低温探测器、低温光学系统,空间制冷器是重要的部件。因此空间环境和污染对制冷器的影响危及航天器的可靠性。非常薄的污染气体沉积膜能严重影响低发射率表面的发射率,由于发射率的增加使空间机械制冷器的低温热负荷增加10%~20%,导致辐射制冷器的温度升高,造成被冷却器件失效。介绍了一些控制污染的具体方法及控制污染敏感度物理学,讨论了一些与污染有关的物理现象。控制空间机械制冷器污染的方法是使用多层绝热或物理障板使空间制冷器与外部污染源进行隔离。控制辐射制冷器污染要从地面开始,在安装、装配、试验及与航天器集成过程中都要在清洁环境中进行。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为控制污染的方法是正确的结构设计,并必须尽量减少辐射制冷器对污染的敏感性。

  引言

  航天科技的发展,航天器在轨寿命的大幅延长,对航天器的可靠性提出了更高的要求。航天器及其重要部件的表面污染会影响航天器及相关部件的可靠性和应用目标质量,国内外已开展了大量研究工作,以获得有效控制污染的措施。保障航天器能正常运行和顺利完成飞行任务。

  空间污染主要分为两种:一种为粒子污染,是由姿态控制发动机不完全燃烧物和地面生产活动残留物等颗粒状物质沉积在航天器表面引起的;另一种为分子污染,是由航天器表面或使用的有机非金属材料在真空条件下放出的气体分子在航天器表面沉积形成的。污染对航天器的影响主要体现在光学仪器、温控涂层、空间制冷器、太阳翼等部件,会影响其热光学性质,严重时会影响航天器的性能。

  空间环境因素,尤其是在阳光照射或其他高能辐射的作用下,会使敏感表面产生光化学反应。紫外辐射对污染的固结作用,增加了污染沉积的可能,改变了沉积层的特性,使污染层变暗,颜色加深,对敏感表面带来严重影响。

  空间制冷器主要任务是为航天器应用的各种低温探测器、超导器件、低温电子器件及低温光学器件提供稳定和可靠的低温条件,保证其获得良好的工作性能。空间制冷器在多个领域和多项空间任务中发挥了重要作用。在低温电子学和通信、地球观测和气象卫星、空间监视和弹道导弹防御系统、空间大型磁体的冷却、载人空间站和火星探测任务中都使用空间制冷器作为冷源。在空间天文学、空间物理学、月球和行星科学、空间生命学、微重力科学研究中相继发射的各种空间望远镜、空间探测器都使用了空间制冷器冷却的低温探测器或低温光学系统。因此空间制冷器的可靠性关系到航天器和空间任务的成败。机械制冷器是通过作功把热量从低温端向高温端输送,并向冷空间排放而获得冷量的;辐射制冷器是通过与冷空间辐射换热而获得冷量的。辐射制冷器外表面和机械制冷器冷头或管路温度都很低,在空间环境污染条件下作用像冷阱,其敏感表面很容易受到污染。因此防污染对各种制冷器的可靠性和性能都有非常重要的意义。文章中将论述空间环境污染对空间制冷器的影响及污染的控制。

1 、污染对辐射制冷器的影响及污染控制

  1.1、污染对辐射制冷器的影响

  辐射制冷器外表面的作用像冷阱,会凝结围绕在航天器和仪器在大气中吸附的污染物。因为辐射制冷器表面工作低于150 K,在这些敏感表面冷凝污染物是不可避免的,因此必须控制污染。污染不仅能导致辐射制冷器升高温度,而且会造成被冷却器件或光学系统失效。结构设计中防污染问题非常重要。

  用于辐射制冷器内的光学器件比发射体表面或相互面对面的表面更容易受到污染,因为传输器件比反射器件对污染更敏感。中度污染对金属红外反射率的影响可以忽略,但严重减少红外窗口或镜头的传输。因此,折射或传输器件从不暴露在比自身温度高的大气中。

  每个航天器和仪器都会携带自身的大气进入轨道,这个大气中占主导地位的是水蒸气,然而也可能是作为推进剂副产品而产生。水蒸气在给定的温度下比大多数气体有较低的蒸气压,结果通常首先凝结在敏感表面上,例如在发射体表面。镜面屏蔽和低温表面水蒸气以冰和霜的形式凝结,冰往往在红外波长吸收,而在可见光波长会散落。

  冰总是冷凝在面向太空的冷发射面上,一般发射表面工作温度在低于150 K,并被漆成黑色以便最大限度地对空间辐射发射(发射率0.92 或更高)。由于经过发射器的发射,在发射器表面冰的形成不明显,对于100 K的发射表面,冰的热传导率为0.06 W/cm·K。对于40 μm厚的冰,通过冰层的温度下降约3.6×10-5 K。辐射制冷器冷表面分子污染的后果依赖于污染的性质以及表面的敏感性。对于辐射制冷器冷表面,污染的影响特别严重,污染气体凝结的可能性明显增加,因此污染控制问题是辐射制冷器更需要重视的因素。

  1.2、辐射制冷器的污染控制

  (1)辐射制冷器要远离污染。辐射制冷器内部或周围污染环境不可能完全消除,控制的方法是要求辐射制冷器对污染的敏感性最小化、污染被控制。因此污染要远离光学表面,否则会在表面凝结并降低仪器性能;

  (2)在制造、装配、试验及集成中,敏感表面要保持清洁。在规定的清洁室环境下,在组装制冷器、装配工序及系统级试验和航天器与仪器集成任务完成后,都要清洁外表面和各敏感表面(即发射表面、光学太阳反射板瓦片和镜面屏蔽),应在尽可能接近发射时进行清洁工作,用以保证光学系统的性能;

  (3)正确设计辐射制冷器,发射后光学器件应该保持足够高的温度,在发射后最简单的控制污染环境的方法是对全部光学器件出气和去污。发射后光学器件应该保持在等于或高于周围仪器的环境温度,直到环绕航天器周围的大气有足够的时间减少。典型分配最初在轨时间是30天,有这样足够的出气时间,这将使航天器出气减少到不会在敏感表面有凝结。辐射制冷器应具有在出气后去除积累污染物的方法。出气或去除污染不能被视为控制污染的主要方法。应被认为是一个备份解决方案。

  控制污染的主要方法是正确设计辐射制冷器。外部热控制表面,像光学太阳反射镜片、白色油漆、银色聚四氟乙烯和镜面反射屏蔽都要保持足够高的温度以阻止外部大气中水蒸气凝结。正如以前讨论的一样,实际的最低限是150 K。这个最低限的选择意味着在最初在轨出气期间,不能吸收全部能量的物体、外部辐射器发射表面(包括镜面反射屏蔽表面)都要保持在等于或高于150 K;

  (4)辐射制冷器内部的被冷却的光学器件应该永远不要暴露在比其自身温度高的大气中。保护被冷却的光学器件的一种方法是设置一个冷阱,该冷阱冷凝温度低于光学器件的温度。另一种方法是加热光学器件(主动或被动方法)到环境温度或略高于环境温度;

  (5)正确设置辐射制冷器的出口通路。辐射制冷器的出口通路应设计成使产生的出气直接放到太空。光学窗口应该用于辐射制冷器级和辐射制冷器温暖级之间,面对周围的仪器。一旦最初在轨出气时期完成,并且辐射制冷器已冷却下来,排气通路将成为污染入口。光学器件周围增加冷阱用于降低进入的水蒸气温度和冷光学元件温度。辐射制冷器和环境仪器之间的外部窗口作为屏蔽防止从仪器来的污染物进入辐射制冷器;

  (6)正确选择辐射制冷器各级材料。应尽量避免材料的聚合反应。如果可能时,多层绝热材料和聚酰亚胺在辐射制冷器内应避免使用。辐射制冷器各级内可以使用环氧玻璃,因为其留不住水,如果有机材料允许聚合到发射表面,辐射制冷器的性能也会降低。

  当表面不是暴露在紫外线下,污染就不是永久的并能用加热方法去除。加热表面超过200 K往往会使表面上的分子停留很短的时间。在任务的最初几个月大量的围绕航天器和仪器大气内的污染物会出现。在初期在轨出气期间最重要的是考虑到遮蔽敏感表面以避免暴露给阳光。遮蔽方法可以用可展开或自动关闭的覆盖件完成,覆盖件实际上减少了出气需要的加热功率或允许到达较高的出气温度。

  多层绝热覆盖物和聚酰亚胺可以用作辐射制冷器的覆盖件,但多层绝热是水蒸气的主要来源。聚酰亚胺也保留水分,其饱和温度是152 K,因此不会用低于152 K的光学器件。对聚酰亚胺进行烘烤是无效的,因为这种材料有从周围大气中重新吸收水分的趋向。围绕辐射制冷器的大气通常保持在高湿度以避免静电放电,辐射制冷器各级最好的材料是环氧玻璃,因为其留不住水。

  如果允许有机材料聚合到发射表面上,辐射制冷器的性能也会降低,聚合的结果会增加外部非黑色热控制表面(比如光学太阳反射板瓦片和镜面屏蔽)太阳能吸收率,一旦聚合反应发生,污染是永久的和不能被加热去除。航天器或仪器内部大量有机物(碳氢化合物)的扩散会导致聚合反应的发生,静电回归过程是造成有机材料聚合反应的原因,静电回归过程允许污染现场非线性传播,这污染成为在发射器和屏蔽表面上最后的沉积和聚合。

  材料可产生聚合反应的数量取决于材料与排气路径和出气源靠近的情况。在航天器或仪器内的排气路径必须仔细检查,要保证不能直接看到关键光学器件或敏感的热控制表面。在太阳紫外线存在附近的表面会导致聚合产物沉积在表面上,材料的聚合反应是与污染物的蒸气压或表面温度无关。当表面没有暴露到紫外线时,污染不是永久的,并且能用加热去除。

  (7)正确的屏蔽配置很重要。粒子和分子污染物充当入射太阳光的散射中心。当散射中心停留在镜屏蔽表面,从冷级(低于150 K的冷级)可以看到时,会产生热负荷,这会导致冷级不正常的热平衡。幸运的是用于控制冷凝和污染物聚合的措施有助于控制太阳光散射。当镜面屏蔽直接承受太阳光照时,屏蔽配置需被设计为对冷级形成高散射角,用这种方法设计屏蔽可以使被散射太阳光在冷级上造成的热负荷最小化。

2、污染对空间机械制冷器的影响及污染控制

  2.1、薄膜厚度和薄膜沉积速率对发射率和辐射热负荷的影响

  在讨论污染对空间机械制冷器的影响及污染控制之前,首先要研究一些与污染有关的物理现象,这包括污染薄膜厚度和污染沉积速率问题。

  (1)污染薄膜厚度对发射率的影响

  非常薄的污染气体沉积膜能严重影响比如抛光金或抛光铝这些低发射率表面的发射率。图1描述了抛光不锈钢对不同物质沉积薄膜发射率的敏感度。由图可知:水冰薄膜具有特别突出的作用,抛光材料77 K时,在初级阶段水冰厚度每增加1 μm发射率增加Δε=0.2。水冰膜的发射率继续增加,当薄膜厚度增加到大于20 μm时,发射率达到1。

抛光不锈钢在77 K时的发射率与不同冷冻气体薄膜厚度关系图

图1 抛光不锈钢在77 K时的发射率与不同冷冻气体薄膜厚度关系图

4、结束语

  航天器材料在高真空环境中的放气是航天器污染物的主要来源。辐射制冷器为控制污染,在地面组装、装配以及试验和航天器与仪器集成任务中都要在清洁室环境完成,都要清洁外表面和各敏感表面(即发射表面、光学太阳反射板瓦片和镜面屏蔽),应尽可能接近发射时进行清洁工作,用以保证光学系统的性能。

  在发射后最简单的控制污染环境的方法是对全部光学器件出气和去污。在轨30天后再启动辐射制冷器,为此必须带有防污门,这样即可出气又可防污,但出气或去除污染不能被视为控制污染的主要方法,应被认为是一个备份解决方案。控制污染的主要方法是正确设计辐射制冷器。

  控制污染的方法是使辐射制冷器对污染的敏感性最小化,污染远离敏感表面。外部辐射器发射表面(包括镜面反射屏蔽表面)都要保持在等于或高于150 K。辐射制冷器内部的被冷却的光学器件应该永远不要暴露在比自身高的大气中。保护被冷却的光学器件的一种方法是设置一个冷阱,该冷阱冷凝温度低于光学器件的温度。辐射制冷器的出口通路应设计成使产生的出气直接放到太空。

  辐射制冷器各级最好的材料是环氧玻璃,因为其留不住水。敏感表面要避开紫外线,当表面暴露到紫外线时,污染是永久的,并且不能用加热去除。材料可产生聚合反应的数量取决于材料与排气路径和出气源靠近的情况。在航天器或仪器内的排气路径必须仔细检查,要保证不能直接看到关键光学器件或敏感的热控制表面。因此辐射制冷器控制污染的主要措施是正确而巧妙的设计和与航天器合理的匹配。

  空间机械制冷器为控制污染已深入研究了在空间的污染问题和污染对低发射表面的影响。然而有关水的有效分压和多层绝热对水膜集结敏感性的合适值等参数,只能依据在试验或任务中已被验证的制冷器参数。这些参数可用于预测空间机械制冷器的寿命。对于典型的总热负荷1 W量级的空间机械制冷器,由于低发射率表面污染使制冷器热负荷增加10%~20%是可能的。多层绝热控制污染的效果要比单-低发射率表面效果要好为解决热负荷增加问题,必须定期加热低温表面用以蒸发污染物,这种热循环对系统是有影响的。为保证长期无障碍工作,在去污循环期间必须保证制冷器足够的余量,制冷器需要适当加大尺寸以适应增加的热负荷。减少或消除空间制冷器在轨污染的影响将是空间应用中重要的研究课题。

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