分子吸附器在光學(xué)相機(jī)污染控制中的應(yīng)用研究

院小雪，邱民樸，龐壽成，于 錢，臧衛(wèi)國（. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 00094； . 北京空間機(jī)電研究所，北京 00094）

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分子吸附器在光學(xué)相機(jī)污染控制中的應(yīng)用研究

院小雪1，邱民樸2，龐壽成2，于 錢1，臧衛(wèi)國1
（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094； 2. 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

摘要：分子吸附器作為一種新型的在軌污染控制手段，具有使用方便、重量輕、無功耗和成本低等特點(diǎn)，可以為航天器光學(xué)相機(jī)提供在軌污染控制。從在軌分子污染物和分子吸附器特點(diǎn)兩方面進(jìn)行分析，描述了光學(xué)相機(jī)在軌污染物來源及特點(diǎn)，分析了污染物成分及對(duì)光學(xué)相機(jī)的危害，闡述了分子吸附器（包括吸附劑和基底）的組成及吸附特點(diǎn)。結(jié)合相機(jī)結(jié)構(gòu)，提出了分子吸附器在光學(xué)相機(jī)污染控制中的應(yīng)用方案，并明確了今后的研究方向。

關(guān)鍵詞：分子吸附器；光學(xué)相機(jī)；污染控制；吸附劑；基底

引言

航天器在軌運(yùn)行時(shí)，其自身也會(huì)成為一種污染源。航天器用非金屬材料在真空環(huán)境下的放氣[1]、姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射[2，3]和空間環(huán)境的協(xié)和作用[4]等都是污染物的來源。星載光學(xué)相機(jī)作為污染高度敏感件[5]，當(dāng)這些分子污染物沉積在上面時(shí)，會(huì)對(duì)相機(jī)的性能產(chǎn)生影響[6]，影響任務(wù)的完成。

為了改善和提高航天器光學(xué)相機(jī)的性能，不僅需要加強(qiáng)地面污染控制[7，8]，同時(shí)也需要開展在軌污染控制工作。國外在20世紀(jì)80年代初期開始研究在軌清除污染物方法，并開展了相關(guān)的試驗(yàn)。這些方法包括表面擦洗、高壓溶劑噴洗、CO2冰晶吹洗方法和分子吸附器等。經(jīng)過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，分子吸附器[9]作為一種新型的污染控制手段，具有使用方便、體積小、重量輕和無功耗等特點(diǎn)，適合航天器污染敏感器件星載光學(xué)相機(jī)的污染控制。它是在航天器一定區(qū)域內(nèi)利用陶瓷基吸附材料對(duì)有機(jī)污染物的吸附作用來降低航天器該區(qū)域內(nèi)的污染水平，從而阻止污染物分子到達(dá)航天器敏感表面。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的熱帶雨林探測(cè)任務(wù)、廣角行星相機(jī)和精密導(dǎo)航傳感器等都安裝了分子吸附器，從而降低到達(dá)污染敏感器件的放氣分子數(shù)目[10]，滿足科學(xué)儀器不斷提高的污染控制要求。

1　有機(jī)分子污染物來源及特點(diǎn)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，真空熱試驗(yàn)過程中主要的兩類污染物為鄰苯二甲酸酯類（phthalates）和硅氧烷類（siloxanes）[13]，這些污染物屬于大分子非揮發(fā)性殘留物，吸附能力極強(qiáng)，且在空間原子氧、紫外輻照環(huán)境下發(fā)生變性，造成更嚴(yán)重的污染影響。

圖1～圖3為灰皮電纜在不同溫度下的真空出氣成分色譜圖，從圖中可以看出灰皮電纜的外皮絕緣層材料隨著溫度的升高，放氣產(chǎn)物也在變化，65 ℃的放氣產(chǎn)物主要為鄰苯二甲酸酯類，85 ℃和105 ℃的放氣成分除了鄰苯二甲酸酯類外，又新增了硅氧烷類，鄰苯二甲酸酯類主要是作為增塑劑添加于非金屬材料中。揮發(fā)溫度較低，屬于易揮發(fā)污染物，而硅氧烷類是灰皮電纜的組成部分，分子量大，揮發(fā)溫度較高，屬于不易揮發(fā)污染物。圖4為125 ℃下硅橡膠材料放氣沉積物色譜圖。

2　分子吸附器特點(diǎn)

表1　成分分析結(jié)果

圖1　65 ℃下灰皮電纜材料放氣沉積物色譜圖

圖2　85 ℃下灰皮電纜材料放氣沉積物色譜圖

圖3　105 ℃下灰皮電纜材料放氣沉積物色譜圖

圖4　125 ℃下硅橡膠材料放氣沉積物色譜圖

分子吸附器包括吸附劑材料和基底材料。吸附劑材料的選擇要考慮其對(duì)有機(jī)分子污染物的吸附性能，基底材料的選擇要考慮其和吸附劑的結(jié)合力及影響。

沸石（Zeolites）分子篩是一種很好的吸附劑材料，化學(xué)組成通式為M2/nO, Al2O3, xSiO2, yH2O,其中M為化合價(jià)為n的陽離子，x≥2，其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在于：

1）表面積大。粒度范圍為l～10 μm，平均顆粒大小為l～50 μm。作為在軌污染控制載荷，具有質(zhì)量輕，體積小、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。

2）選擇吸附。沸石分子篩的孔穴總體積很大，吸附量較大，且孔徑非常均勻一致，只有分子直徑小于孔徑的分子能夠進(jìn)入孔穴，分子篩屬于微孔吸附劑，其孔徑和分子直徑處于同一量級(jí)，不存在相對(duì)于分子的宏觀孔，沒有吸附滯后。

3）低壓下具有較大的吸附容量。沸石分子篩是極性吸附劑，Si陽離子表現(xiàn)出很強(qiáng)的極性，即使在常溫低壓的情況下，仍對(duì)極性分子有很強(qiáng)的吸附能力和選擇性。分子吸附器主要用于在軌運(yùn)行期間清除污染物，因此我們所需要的是能夠在真空環(huán)境下對(duì)極性有機(jī)物有較好吸附的材料，而沸石分子篩的上述特性正好能夠滿足我們對(duì)材料的要求。

4）低濃度下具有很大的吸附容量。沸石分子篩孔隙狹縫中，相對(duì)面的孔壁會(huì)產(chǎn)生力場(chǎng)疊加的現(xiàn)象，明顯提高其吸附勢(shì)，因此在吸附質(zhì)濃度很低的情況下，仍有相當(dāng)大的吸附容量。

X型、Y型分子篩與八面沸石具有相同的硅(鋁)氧骨架結(jié)構(gòu)，習(xí)慣上，把SiO2/A12O3(mol)的比2.2-3.0叫X-分子篩，SiO2/A12O3的摩爾比大于3.0的叫Y型分子篩。

對(duì)于海淀區(qū)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)人才緊缺崗位的研究有助于重構(gòu)海淀職業(yè)教育體系，有利于服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展；通過摸清產(chǎn)業(yè)專業(yè)技術(shù)人才緊缺情況有助于解決制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人力資源難題；職業(yè)教育單位能夠據(jù)此進(jìn)行職業(yè)專業(yè)調(diào)整和精準(zhǔn)化設(shè)置課程，有的放矢地設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)緊缺人才指導(dǎo)方案。

沸石包括X型、Y型和A型沸石[14]，是β籠（削角八面體）的結(jié)構(gòu)單元，相鄰的兩個(gè)β籠之間通過六元環(huán)用六個(gè)氧橋相互連接，形成了八面沸石的晶體結(jié)構(gòu)。圖5圖示了X型沸石晶體結(jié)構(gòu)的形成過程。

根據(jù)沸石中所含陽離子類型的不同，X型分子篩有兩種不同的名稱，NaX型沸石一般稱為13X型分子篩，CaX型沸石稱為10X型分子篩。根據(jù)前期做的大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)航天器常用非金屬材料放氣產(chǎn)物鄰苯二甲酸酯類和硅氧烷類吸附效果來看，13X沸石分子篩的吸附附效果要明顯優(yōu)于Naβ、NaY，13X孔徑大于Naβ、NaY，其分子動(dòng)力學(xué)尺寸較大，吸附材料對(duì)大于自身孔徑的分子吸附能力較弱。

多孔材料一般都是小粒子形式存在的（1-100 μm），在吸附過程中直接使用這樣小的粒子作為吸附劑會(huì)導(dǎo)致一些嚴(yán)重的問題，比如說難以回收、吸附劑嚴(yán)重流失并造成二次污染等[15]。因此必須對(duì)多孔材料進(jìn)行有效的成形或者固載化。

堇青石是一種很好的基底材料[16]。其網(wǎng)眼密度為400 cells/inch2，是一種新型結(jié)構(gòu)陶瓷，其組成為Mg2Al4Si5O18，價(jià)格相對(duì)低廉，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，流體阻力小，膨脹系數(shù)小。

對(duì)于分子篩而言，可通過原位的水熱合成法使分子篩晶粒直接生長(zhǎng)在堇青石蜂窩陶瓷基質(zhì)表面[17]，從而實(shí)現(xiàn)其固載化。在水熱合成過程中，堇青石蜂窩陶瓷完全浸沒在多孔材料合成的凝膠中，當(dāng)合成條件適宜時(shí)，多孔材料晶體可以有選擇性的生長(zhǎng)在基質(zhì)表面而不是生長(zhǎng)在液相中。這樣，可以在基質(zhì)表面得到多孔材料涂層。

3　星載光學(xué)相機(jī)在軌污染控制

圖5　X型沸石晶體結(jié)構(gòu)的形成過程

對(duì)于星載光學(xué)相機(jī)來說，污染物主要分為分子污染和顆粒污染兩類，相關(guān)污染直接導(dǎo)致星載光學(xué)相機(jī)鏡頭中的光散射、遮攔及光能量吸收，進(jìn)而引起表面發(fā)射特性、光干涉及偏振等光學(xué)特性的變化，最終影響離軸抑制角、系統(tǒng)靈敏度、及光通量等相機(jī)性能[18]。除此之外，表面污染還會(huì)導(dǎo)致表面太陽光譜段吸收率增加或發(fā)射率降低影響相機(jī)熱控效果、光的散射影響相機(jī)遮陽罩對(duì)雜散光的抑制效果、定標(biāo)機(jī)構(gòu)表面特性隨時(shí)間變化影響定標(biāo)精度。表2列舉了相機(jī)敏感面對(duì)相機(jī)可能造成的影響。

對(duì)于污染物控制的原則是：由于分子或者微粒污染物引起的光散射小于反射鏡本身的劃痕的影響，由于污染物造成的散射、遮攔及吸收等影響可以忽略，并且在壽命末期時(shí)由于污染導(dǎo)致的相機(jī)性能下降不超過2 %為閾值，以此為依據(jù)來分解并對(duì)對(duì)各種污染物進(jìn)行控制。

圖6為一個(gè)表面潔凈的反射鏡由于表面粗糙度引起的光散射曲線。

圖7為一鍍銀膜反射鏡在不同的受碳?xì)浠衔镂廴厩闆r下的反射率曲線，并據(jù)此提出對(duì)微粒潔凈度要求，見表3所示。

以國外某光學(xué)相機(jī)為例，圖8圖示了分子吸附器在光學(xué)相機(jī)在軌污染控制中的應(yīng)用情況。通過支架將分子吸附器固定在敏感面（雙面掃描反射鏡、光譜輻射計(jì)定標(biāo)器和輻冷器等）的四周，利用分子吸附器對(duì)有機(jī)分子污染物的吸附性能減少到達(dá)敏感面表面的污染物，從而降低星載光學(xué)相機(jī)在軌運(yùn)行時(shí)的污染水平，起到污染控制的目的，從而降低其性能下降的風(fēng)險(xiǎn)。

表2　污染對(duì)光學(xué)相機(jī)影響

圖6　鏡面粗糙度與表面散射的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖7　碳?xì)浠衔廴疚飳?duì)鍍銀膜反射鏡的反射率影響曲線

表3　MODIS相機(jī)潔凈度要求匯總

4　結(jié)束語

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，高分辨率光學(xué)相機(jī)對(duì)污染控制提出了越來越高的要求。要保證相機(jī)在軌運(yùn)行期間由于分子污染膜造成光學(xué)透過率的改變必須滿足其設(shè)計(jì)的分辨率和靈敏度要求，達(dá)到預(yù)定的科學(xué)研究目的，必須做好相機(jī)的污染控制工作。因此，發(fā)展一種新型有效的航天器污染控制方法是污染研究人員的目標(biāo)。分子吸附器技術(shù)不失為一種很好的創(chuàng)新方案，可放置在星載光學(xué)相機(jī)的周圍，達(dá)到污染減緩和控制的目的。目前分子吸附器的研制尚處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，距離工程實(shí)施還有一定的時(shí)間。以后加強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合，建立一套完善的光學(xué)相機(jī)在軌污染控制方法，為高分辨率光學(xué)相機(jī)的正常運(yùn)行保駕護(hù)航。

圖8　鏡面粗糙度與表面散射的對(duì)應(yīng)關(guān)系

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院小雪，女，1980年生，高級(jí)工程師。研究方向是航天器污染監(jiān)測(cè)與控制。

Research on the Application of Molecular Absorbers in Optics Camera Contamination Control

YUAN Xiao-xue1, QIU Min-pu2, PANG Shou-cheng2, YU Qian1, ZANG Wei-guo1
(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094；2. Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094)

Abstract：As a new type of contamination control technology, molecular absorber has the characteristics of convenient measuring, light weight, low power consumption, which is a useful way of controlling contamination of spacecraft optics camera. From the perspectives of on-orbit molecular contaminants and the characteristic of molecular absorber, this paper describes the sources and the characteristics of on-orbit molecular contaminants, analyzes the damages of contaminants and the effect on optics camera, and expounds the components and absorbing characteristic of molecular absorber, including adsorbent and base. Combined with the structure of optics camera, this paper proposes an application scheme of molecular absorber in the optics camera contamination control, and determines the future research trend.

Key words：molecular absorber; optics camera; contamination control; sorbent; substrate

作者簡(jiǎn)介:

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（41304147，21277014）

中圖分類號(hào)：O552.3+3; V520

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-7204（2016）01-0042-05