新一代星敏感器遮光罩
——碳納米管遮光罩技術(shù)研究*

郝云彩，余成武，梁士通，梅志武，騫偉中

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.清華大學，北京100084)

新一代星敏感器遮光罩
——碳納米管遮光罩技術(shù)研究*

郝云彩1，余成武1，梁士通1，梅志武1，騫偉中2

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.清華大學，北京100084)

針對目前星敏感器遮光罩普遍存在的尺寸和質(zhì)量較大、雜光消除能力受限等問題，從提高吸光涂層吸光率入手，提出碳納米管遮光罩新概念，研制一套鈦合金基底生長碳納米管涂層的新技術(shù)，使得涂層吸光率達到99%以上，并成功制作出可等效替代現(xiàn)有飛行產(chǎn)品遮光罩的碳納米管遮光罩.通過真空原子氧、紫外輻照、高能粒子輻照、熱真空、力學環(huán)境等各項空間環(huán)境實驗，證明其空間環(huán)境適用性.與現(xiàn)有星敏感器遮光罩產(chǎn)品的雜光比對試驗結(jié)果表明，使用碳納米管遮光罩的星敏感器雜光灰度降低了56%，顯示出雜光消除性能的優(yōu)勢.本文創(chuàng)新成果突破了碳納米管技術(shù)在雜光消除領(lǐng)域?qū)嶋H應用的瓶頸技術(shù)，對促進星敏感器技術(shù)的提高具有重要的工程價值.

星敏感器;碳納米管;遮光罩;雜光消除

0 引 言

星敏感器是目前公認的航天器姿態(tài)測量儀器中精度最高的一種，在航天器飛行控制中起到至關(guān)重要的作用.尤其是對于姿態(tài)指向和穩(wěn)定度要求高精度的航天器，對于星敏感器精度的要求更加嚴格，對于影響星敏感器精度的雜光消除問題顯得格外重要.

由于星敏感器工作在地球或者星際飛行軌道上，不可避免地受到太陽、月球、地氣光、航天器外表面及部件散射等全部或者部分雜光源的干擾，導致像面雜光灰度增大，像面照度分布不均勻，從而影響信噪比的提高和星圖正確識別，嚴重時會使星敏感器不能輸出正確的姿態(tài)，甚至導致衛(wèi)星失效.

目前，星敏感器消除外部雜光的主要手段就是遮光罩，它是一種依靠幾何結(jié)構(gòu)遮擋和吸光涂層吸收兩個途徑來消除外部雜光進入光學鏡頭內(nèi)部的.理論和設(shè)計實踐證明，增加消光涂層的吸光率對于消除雜光性能提高起到了決定性作用.

本文著重闡述課題組對新型的CNT涂層遮光罩的研制結(jié)果.研究碳納米管涂層具有的吸光特性和碳納米管遮光罩的設(shè)計制作方法，解決了金屬遮光罩生長碳納米管吸光涂層的工藝和方法，通過與現(xiàn)有產(chǎn)品雜光性能比對測試，證明了新型遮光罩在消除雜光性能上的優(yōu)越性，并對這種新型的遮光罩在空間的適用性進行了驗證研究，得出了CNT遮光罩完全可以滿足空間應用的結(jié)論.

1 星敏感器消除雜光技術(shù)發(fā)展概要

1.1 星敏感器消除雜光設(shè)計概要

在星敏感器消除雜光技術(shù)上，國際上目前都是采用各種不同形狀和結(jié)構(gòu)形式的遮光罩來實現(xiàn)對太陽等天體雜光的抑制.如圖1所示，是德國 Jena Optronic公司研制的1″精度星敏感器ASTRO-15，遮光罩尺寸很大，目的是降低雜光對甚高精度星敏感器星點定位精度的影響;法國著名的SODERN公司研制的最高等級星敏感器SED36［1］，遮光罩及其結(jié)構(gòu)布局如圖2所示;美國Ball Aerospace＆Technology Corp研制的HAST高精度星敏感器的遮光罩結(jié)構(gòu)如圖3所示［2］.中國的四代星敏感器的外形照片如圖4～7所示.以上例子中均可見遮光罩所占的體積.

圖1 德國ASTRO-15甚高精度星敏感器結(jié)構(gòu)布局Fig.1 Very high accuracy star sensor structure of Germany ASTRO-15

圖2 法國SED36星敏感器Fig.2 Star sensor structure of Germany SED36

圖3 美國Ball公司的HASTFig.3 Star sensor structure of HAST

圖4 中國第一代星敏感器Fig.4 The first generation star sensor of China

圖5 中國第二代星敏感器Fig.5 The second generation star sensor of China

圖6 中國第三代星敏感器Fig.6 The third generation star sensor of China

圖7 中國高精度APS星敏感器Fig.7 China high accuracy APS star sensor

星敏感器是一種弱信號成像光電儀器，對于雜光消除設(shè)計要求非常高，其雜光消除能力體現(xiàn)在對于不同雜光源儀器正常工作所具有的不同雜光規(guī)避角.雜光規(guī)避角代表了星敏感器的雜光抑制能力，國際上普遍采用.星敏感器遮光罩消除雜光能力的技術(shù)指標一般采用消光比(或稱雜光抑制比)，定義為以某一角度充滿入口入射到遮光罩內(nèi)的平行雜光能量與經(jīng)過遮光罩后落在出口的能量之比，消光比越高，說明遮光罩抑制能力越強.此外雜光抑制能力還采用點源透過率(point source transmission，PST)評價，在實際工程應用中，通?？刹捎锰栯s光抑制角下的太陽入射后的探測器輸出殘留灰度作為星敏感器的評價指標.遮光罩的設(shè)計目標就是通過涂層選擇和幾何光學設(shè)計，在保證遮光罩滿足消光比或PST性能前提下，實現(xiàn)其雜光規(guī)避角并使得尺寸最小.

在遮光罩設(shè)計技術(shù)上，主要采用擋板型內(nèi)部噴黑漆的技術(shù)途徑，即使如此，針對不同的視場角和不同的消光比要求，遮光罩的設(shè)計也會有各種技巧和變化.遮光罩設(shè)計方案一般可分為擋板吸收型、反射型、反射吸收混合型，擋板吸收型目前應用最廣，這種類型又分為二級設(shè)計和一級設(shè)計.二級設(shè)計一般尺寸較大，但是優(yōu)點是消光比高，星敏感器精度要求越高這種類型應用越有利.一級設(shè)計主要是針對視場大、精度低于1″的星敏感器采用的，優(yōu)點是尺寸小，但是消光比一般不如二級遮光罩高.不管哪種類型的遮光罩設(shè)計，滿足性能的前提下使得遮光罩擁有盡可能小的尺寸是追求的優(yōu)化結(jié)果.

縮小遮光罩尺寸的設(shè)計取決于涂層的特性和幾何光學消除雜光設(shè)計技巧.關(guān)于幾何遮擋消除雜光設(shè)計技巧國際上已經(jīng)有很多報道［3-7］.關(guān)于涂層技術(shù)主要是涂層材料的選擇問題，如果反射型遮光罩則選擇反射率盡可能高的涂層，如果漫射吸收型則選擇盡可能高的光吸收率涂層.

目前國內(nèi)星敏感器遮光罩采用的高吸收涂層有3種:第一種是超黑陽極化表面，太陽吸收比約97%，已在中國“嫦娥一號”月球探測器星敏感器遮光罩中得到應用;第二種是國產(chǎn)無光漆SR107-S731涂層，太陽吸收比也為97%，已在TG-1衛(wèi)星星敏感器遮光罩中得到應用;第三種是法國MAP公司研制的PNC黑漆，太陽吸收比最高達98%，已在中國多顆衛(wèi)星星敏感器遮光罩中得到應用，德國ASTRO 10星敏感器其遮光罩采用的也是PNC黑漆.

1.2 碳納米管材料在光吸收技術(shù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

碳納米管作為太陽全譜段吸收材料的研究國際上早已經(jīng)開展，碳納米管材料用于太陽能發(fā)電和F117夜鷹隱形飛機的研究［8］.

美國Goddard空間飛行中心撰文，提到了碳納米管可用于雜散光抑制［9］，實驗室樣片測試涂層本身太陽吸收比最高可達99.5%以上，并指出了在鈦基底上生長碳納米管是可能的，但至今未揭開實施工藝研究結(jié)果，且沒有關(guān)于在產(chǎn)品中實際應用的報道.

國內(nèi)中國計量院等單位在碳納米管用于超黑光吸收輻射源方面進行了探索研究，取得了進展.

在碳納米管材料用于空間消雜光方面未見任何報道.尤其是在制作星敏感器遮光罩方面國際上未見報道.

1.3 碳納米管遮光罩的創(chuàng)新思想提出

雖然PNC黑漆的光吸收率已經(jīng)很高，但是為了光吸收率再提高1%，使遮光罩性能有一個質(zhì)的飛躍，我們瞄準目前世界公認的超黑材料—碳納米管.碳納米管材料沒有廣泛用于星敏感器遮光罩，主要是由于碳納米管在鈦合金基底上大面積的生長工藝沒有解決，這正是本文所解決的問題.

如果涂層吸收率提高一個百分點，那么對于2次吸收的遮光罩而言，考慮擋板間空間傳播衰減，那么消光比將會提高一個量級以上，或者說消光能力提高一個量級以上.因此，提高涂層吸光率是遮光罩消光能力的先決因素，在此基礎(chǔ)上，幾何消光設(shè)計才能發(fā)揮作用.本文旨在解決99%吸收率的碳納米管涂層如何運用于遮光罩的問題，從實質(zhì)上提高遮光罩的消光能力.

2 碳納米管星敏感器遮光罩設(shè)計

在設(shè)計方法和設(shè)計工具上，碳納米管遮光罩的設(shè)計和現(xiàn)有技術(shù)遮光罩設(shè)計沒有本質(zhì)的不同，所不同的地方在于碳納米管遮光罩的吸光涂層是碳納米管，全光譜段的光吸收率達到99%以上，比現(xiàn)有技術(shù)提高了1%以上，這種差別帶來了遮光罩結(jié)構(gòu)的重大變化，使得需要3次和4次漫反射到達鏡頭的要求可以降低為2次或者3次即可滿足要求，因此可以大大縮小遮光罩尺寸.對于中國空間技術(shù)研究院第四代星敏感器產(chǎn)品，在同樣消除雜光抑制角和PST指標下，原技術(shù)設(shè)計和碳納米管遮光罩技術(shù)設(shè)計結(jié)構(gòu)分別如圖8和圖9所示.各自的PST仿真曲線如圖10所示，TracePro軟件仿真結(jié)果如圖 11所示.

圖8 原產(chǎn)品遮光罩Fig.8 Baffle of original product

圖9 碳納米管遮光罩優(yōu)化設(shè)計Fig.9 Optimal design for CNT baffle

圖10 碳納米管遮光罩的PST結(jié)果Fig.10 PST results of CNT baffle

圖11 太陽30°入射角的像面雜光分布圖Fig.11 Distribution graph of phase stray light with 30°incidence angle

由上可見，采用碳納米管涂層后，遮光罩設(shè)計的外形尺寸可以縮小很多，由原產(chǎn)品的272mm×Φ202mm縮小到243mm×Φ157mm，而圖10～11表明，改進后的碳納米管遮光罩優(yōu)于原產(chǎn)品的遮光罩消除雜光性能.

3 碳納米管在鈦合金基底生長方法

3.1 碳納米管遮光罩研制的總體技術(shù)方案

碳納米管材料作為消除雜光涂層大幅提高遮光罩單次吸收的吸光能力，給遮光罩設(shè)計帶來了巨大的優(yōu)化條件.關(guān)于保證碳納米管牢固地生長在遮光罩內(nèi)表面上所采用的工藝，課題組開展了大量的研究工作，最終確定一種綜合性能最優(yōu)的實施方案，并制定CNT遮光罩的制作工藝.所采取的總體技術(shù)策略是:先解決鈦合金樣片生長CNT的可行性問題，得到生長工藝，再推廣到復雜零件的CNT生長，調(diào)整工藝，推廣到遮光罩的CNT生長，調(diào)整工藝，最后形成穩(wěn)定的CNT遮光罩制作工藝.目前已經(jīng)掌握了一套在鈦合金基底遮光罩內(nèi)生長出來適用于空間環(huán)境的碳納米管消除雜光超高吸收涂層的技術(shù)，并經(jīng)過了空間環(huán)境試驗驗證.在鈦合金遮光罩生長CNT的技術(shù)流程圖如圖12所示.CNT遮光罩的研制流程圖如圖13所示.

圖12 鈦合金遮光罩CNT生長的技術(shù)流程圖Fig.12 Flowchart of titanium lens hood CNT growth technique

圖13 鈦合金遮光罩CNT生長的研制流程圖Fig.13 Flowchart of titanium lens hood CNT growth development

3.2 遮光罩材料的選擇和基底表面與處理方法

考慮到CNT生長需要在不低于600℃的溫度環(huán)境下完成，現(xiàn)有技術(shù)中鋁合金遮光罩基底材料就不適合生長CNT涂層.因此，采用航天上經(jīng)常采用的鈦合金作為遮光罩材料，鈦合金比剛度比較大，可以做成薄壁的零件達到減重目的，比重雖然比鋁合金大，但是比鋼材要小很多，所以整體設(shè)計后質(zhì)量會比原產(chǎn)品輕.

鈦合金車銑出來的遮光罩零件內(nèi)表面粗糙度在0.05左右，存在劃痕狀面形，個別處有微刺，直接清洗后生長CNT得到的結(jié)果均勻性非常差，為了改善均勻性，保證定向CNT均勻生長，對于鈦合金表面做了過渡層處理.過渡層主要是催化劑顆粒容易嵌入的金屬氧化物，如AI2O3，可以采用等離子體蒸鍍法鍍上，也可以采用化學接枝方法生成，經(jīng)過實驗，證明化學接枝法效率更高，成本節(jié)約.所以采用化學接枝法，化學接枝后再均勻噴上一層含鐵催化劑顆粒，經(jīng)過高溫老化處理，達到生長CNT的條件，如圖14所示.

圖14 生長前的表面處理Fig.14 Surface preparation before growth

3.3 鈦合金遮光罩的CNT生長工藝方法

首先選擇尺寸和遮光罩尺寸對應的生長爐，如圖15所示，為了適應遮光罩尺寸，保證在內(nèi)部生長CNT涂層，采用多個進料管且伸入遮光罩內(nèi)部，直接將碳源輸送到遮內(nèi)罩內(nèi)部不同的位置，以保證碳源分解均勻與CNT涂層均勻生長.生長爐的參數(shù)調(diào)整按照操作規(guī)則和預案進行，以保證爐內(nèi)溫度均勻，氣流密度均勻.

圖15 試驗用陶瓷生長爐Fig.15 Ceramic growth stove for tests

生長控制流程中，保證流量、溫度與壓力的控制均勻性，以及高溫下的安全(氣體不要泄漏，氣體通入順序正確)，生長后關(guān)閉碳源氣體，通惰性氣體降溫.等待室溫后，取出遮光罩.

具體步驟如下:

1)在CNT生長工藝流程中，將設(shè)有過渡層與金屬催化劑層的遮光罩，放入化學氣相沉積爐中央，設(shè)置多個進料管，直接伸入遮光罩內(nèi)部，實現(xiàn)分區(qū)通氣及后續(xù)的分區(qū)生長CNT涂層，保證復雜結(jié)構(gòu)中生長CNT涂層的均勻.2)然后密封化學氣相沉積爐，打開氣瓶與質(zhì)量流量計，向化學氣相沉積爐中通入氮氣氣體.3)打開溫度控制系統(tǒng)，采取程序升溫方法，將生長爐的溫度由室溫升至650℃.4)測定其中部在650℃時的溫度分布.當溫度在650±5℃之間時，認為基本接近熱電偶的精度標準(±5℃).5)經(jīng)過預定時間生長CNT，完成后逐漸冷卻降溫至室溫.取出遮光罩生長CNT后的產(chǎn)品.

生長出來的CNT遮光罩如圖16所示.對于CNT遮光罩取樣進行電子掃描顯微鏡觀察，結(jié)果如圖17所示，CNT清晰可見.

圖16 生長的CNT遮光罩Fig.16 Grown CNT baffle

圖17 CNT涂層的電鏡掃描圖Fig.17 Scanning electron micrographs of CNT coating

4 碳納米管遮光罩與現(xiàn)有技術(shù)消除雜光能力比對測試

為了驗證改進的碳納米管遮光罩消除雜光性能優(yōu)越性，采用一個正樣飛行產(chǎn)品和所配備的遮光罩作為性能比對對象，在同樣測量條件下，只是更換遮光罩，測量不同太陽入射角下的星敏感器產(chǎn)品像面的雜光灰度，試驗裝置實際現(xiàn)場如圖18所示.

圖18 雜光測量現(xiàn)場Fig.18 Measurement field of stray light

試驗過程中，將星敏感器、星敏用轉(zhuǎn)臺、消光錐等放置在暗室內(nèi)容，太陽帆板置于暗室之外.暗室內(nèi)部的地面、星敏結(jié)構(gòu)外表面均采用黑色絨布進行包裹.

經(jīng)過對兩次測量的太陽模擬器光功率漂移補償和等尺寸等效換算，原設(shè)計黑漆涂層的遮光罩和新設(shè)計的碳納米管遮光罩安裝在同一個星敏感器產(chǎn)品上所測量的雜光灰度曲線如圖19所示，可以看出，采用碳納米管遮光罩的雜光灰度水平比原設(shè)計黑漆遮光罩的雜光灰度降低56%，也就意味著星敏感器信噪比提高1倍以上，這可大大增強形圖識別能力和提高精度，可見碳納米管遮光罩消除雜光性能優(yōu)勢非常明顯.

圖19 兩種設(shè)計的遮光罩消除雜光水平比較Fig.19 Comparation of stray light rejection performances between two kinds of baffles

5 碳納米管遮光罩的空間環(huán)境驗證

為了驗證碳納米管遮光罩空間環(huán)境耐受能力，對于CNT樣片和CNT遮光罩均進行了力學和熱真空高低溫變化試驗，對于樣片還做了原子氧和空間輻照試驗和附著力性能評價，試驗條件直接采用現(xiàn)有空間星敏感器遮光罩產(chǎn)品的試驗規(guī)范和任務書要求.試驗結(jié)果表明，碳納米管遮光罩經(jīng)歷了以上環(huán)境試驗，性能和與基底的附著特性變化在允許的范圍內(nèi)，完全可以在空間運用.

5.1 空間原子氧和輻照試驗參數(shù)與結(jié)果

本試驗參數(shù)完全按照符合要求的飛船型號產(chǎn)品“交會對接測量敏感器”的同等驗證試驗參數(shù)，并且在一個試驗中完成，限于篇幅，具體試驗參數(shù)不在此羅列.

試驗結(jié)果是:原子氧腐蝕后CNT涂層外觀無變化，吸光率測試與試驗前差別在測量精度以內(nèi)，說碳納米管遮光罩完全可以經(jīng)受住空間原子氧侵蝕，也能夠經(jīng)受紫外和高能粒子輻照作用而保持原有吸光性能.

5.2 力學環(huán)境試驗參數(shù)與結(jié)果

按照現(xiàn)行星敏感器產(chǎn)品環(huán)境試驗任務書做了全套力學試驗.試驗后，觀測遮光罩碳納米管涂層，其外觀正常，無涂層脫落，相對于試驗前外觀無明顯差異.試驗前后進行了雜光試驗測試，遮光罩雜光抑制效果沒有明顯差別，影響可以忽略不計.可以認為碳納米管遮光罩通過了鑒定級力學試驗.圖20所示是力學試驗中的產(chǎn)品.

圖20 力學試驗中的產(chǎn)品Fig.20 Product in mechanical test

5.3 熱真空試驗參數(shù)與結(jié)果

碳納米管遮光罩熱真空試驗參數(shù)按照現(xiàn)行星敏感器正樣產(chǎn)品熱真空試驗任務書進行，試驗壓力為2.3×10－5～1.0×10－5Pa，試驗溫度為 －41℃ ～56℃，循環(huán)次數(shù)6.5次，停留時間高溫、低溫均為4 h.試驗后，觀測遮光罩碳納米管涂層，其外觀正常，無涂層脫落，相對于試驗前外觀無明顯差異.試驗前后進行了雜光試驗，遮光罩雜光抑制效果沒有明顯差別.因此可以認為碳納米管遮光罩通過了熱真空試驗.

6 結(jié)論與展望

本文是國際上首次提出碳納米管遮光罩概念并成功研制出創(chuàng)新產(chǎn)品，突破了在復雜形狀大尺寸鈦合金基底遮光罩內(nèi)部生長碳納米管的工藝技術(shù)，解決了新型遮光罩設(shè)計、薄壁加工、碳納米管涂層生長、空間環(huán)境驗證、雜光設(shè)計測試等諸項關(guān)鍵技術(shù)，使得這種新型遮光罩較現(xiàn)有遮光罩技術(shù)在體積重量上明顯減小、在消除雜光性能上明顯提高.這種新型遮光罩按照現(xiàn)行空間敏感器產(chǎn)品空間環(huán)境試驗要求經(jīng)歷了考證，證明具備了空間應用技術(shù)狀態(tài)，將可成為現(xiàn)有技術(shù)的換代產(chǎn)品.不僅如此，由于碳納米管的全譜段吸收特性，所發(fā)明的碳納米管在鈦合金上的生長工藝技術(shù)可在目標隱身、標準輻射源、儀器設(shè)備內(nèi)部消除雜光等多個領(lǐng)域廣泛應用.

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New Generation of Star Tracker Baffle—CNT Baffle

HAO Yuncai1，YU Chengwu2，LIANG Shitong1，MEI Zhiwu1，QIAN Weizhong2
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China;2.Tsinghua University，Beijing 100084，China)

A new conception of CNT(carbon nanometer tube)baffle is presented by increasing the absorptivity of the absorption coat to decrease the baffle outline size and mass，and to enhance the stray light rejection ability.A series of technologies to outgrow CNT coat with absorptivity of 99%more on the Ti alloy base are developed and applied on the new CNT baffle being capable of displacing the current product technology.The space environment applicability of the CNT baffle is demonstrated by a series of ground space environment simulation tests such as atomic oxidation，ultraviolet radiation，high-energy particles radiation，vibrancy mechanics，thermal vacuum，and so on.Comparing the star tracker image values caused by the stray light with the current normal star tracker baffle，the value with the CNT baffle is reduced by 56%，which indicates the advantages of the CNT baffle in stray light rejection.The innovation success shown in this paper breaks through the bottleneck technologies about the practical application of carbon nanometer tube technology in the stray light rejection technical domain，and has important engineering value for the star tracker technology progress.

star tracker;carbon nanometer tube;baffle;stray light rejection

V448

:A

:1674-1579(2016)02-0001-07

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.02.001

郝云彩(1966—)，男，研究員，博士生導師，研究方向為空間目標探測與光學敏感器，空間光學，光學自主導航技術(shù);余成武(1978—)，男，高級工程師，研究方向為空間光學敏感器結(jié)構(gòu)熱學及工藝設(shè)計;梁士通(1970—)，男，博士，研究方向為空間光學敏感器光學設(shè)計與測試;梅志武(1965—)，男，研究員，研究方向為空間光學敏感器技術(shù);騫偉中(1970—)，男，教授，博士生導師，研究方向為碳納米新材料應用技術(shù).

*航天科技集團公司工藝重大專項資助項目(ZDGY2013-28).

2016-01-19