空間光學(xué)載荷低溫部件地面氣體保護系統(tǒng)設(shè)計

趙凱璇，車臘梅，彭 超，陳小弟，侯 鵬

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

空間光學(xué)載荷低溫部件地面氣體保護系統(tǒng)設(shè)計

趙凱璇，車臘梅，彭 超，陳小弟，侯 鵬

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

針對空間光學(xué)載荷低溫部件的特點及其對水汽污染物控制的特殊需求，分析水汽污染物對該類型部件的污染過程及防護方法，制定通過惰性氣體正壓保護防止水汽污染的技術(shù)途徑和方案，設(shè)計地面無間斷氣體保護防污染系統(tǒng)，以實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度、保護氣體溫濕度等環(huán)境參數(shù)的全過程記錄、預(yù)警/報警、局部調(diào)節(jié)等功能。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，地面氣體保護系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)預(yù)定設(shè)計功能，對該類低溫部件的保護具備一定的工程實用價值。

低溫光學(xué)部件；污染物控制；氣體保護；系統(tǒng)設(shè)計；環(huán)境參數(shù)監(jiān)測

0 引言

污染物控制是航天產(chǎn)品研制過程中的一項系統(tǒng)工程，我國各類標準及研制規(guī)范對航天產(chǎn)品AIT過程的防污染工作提出了明確要求。除要求對航天器AIT廠房環(huán)境進行控制[1]外，還要求對部分精密儀器/部件進行特殊保護。諸多技術(shù)人員對上述過程進行了探索，如：周傳良[2]對航天器研制全過程污染控制工程進行了系統(tǒng)分析；院小雪等[3]對航天光學(xué)系統(tǒng)防污染技術(shù)進行了研究；熊濤[4]對載人航天器總裝過程中艙內(nèi)環(huán)境污染分析與控制方法進行了研究。上述工作的主要研究對象為有機物、塵埃等污染物控制，對于空間光學(xué)載荷低溫部件可能面臨的水汽污染過程及其地面防護的介紹相對較少。水汽污染防護需要關(guān)注典型空間紅外載荷低溫部件包括輻射制冷器（或熱電制冷器、制冷機等）、低溫光學(xué)部件等；同時，對吸水能力較強的漫反射板等也應(yīng)特別關(guān)注。國內(nèi)外均已出現(xiàn)此類載荷因受污染而失效的案例，如：美國的“雨云”衛(wèi)星曾出現(xiàn)因低溫探測器結(jié)冰造成分光計失效[2]；我國FY-1A衛(wèi)星入軌后，星上載荷紅外通道因信號嚴重衰減而失效，經(jīng)分析確認是由水汽污染所致[5]。因此，為有效避免水汽等污染物對空間光學(xué)載荷低溫部件性能的危害，應(yīng)充分考慮這些部件的特殊性及相應(yīng)的防污染措施，在星/器研制全生命周期中對其進行嚴格保護。

本文以某空間紅外遙感載荷的部分部件為對象，分析水汽污染物對其污染過程及防護方法，制定防止水汽污染的技術(shù)途徑和方案，設(shè)計地面無間斷氣體保護防污染系統(tǒng)，并開展功能測試工作。

1 水汽污染過程及防護措施分析

1.1 水汽污染過程

對于空間紅外遙感載荷，低溫通常是保證探測器正常工作、降低信號噪聲的重要條件之一。一般情況下，對于短波段紅外探測系統(tǒng)，其器件工作溫度往往低于200 K；對于中長波段紅外探測系統(tǒng)，其器件工作溫度通常在4～100 K，同時使用低溫光學(xué)系統(tǒng)。本文研究的空間紅外載荷使用了空間輻射制冷裝置，以保證探測器、光學(xué)器件及部分光路結(jié)構(gòu)的低溫狀態(tài)；地面測試狀態(tài)下使用制冷機輔助開展相關(guān)測試工作。該紅外載荷對水汽污染較敏感的部件主要包括探測器、光學(xué)器件、定標源、輻射制冷器、帶電活動部件等。根據(jù)相關(guān)標準要求，衛(wèi)星產(chǎn)品研制過程的環(huán)境溫度和相對濕度須控制在一定的范圍。相關(guān)試驗研究結(jié)果[6]表明，關(guān)鍵低溫光學(xué)部件對水汽污染極為敏感。在大氣環(huán)境下，未采取保護措施的主動制冷相關(guān)低溫部件在測試過程中易出現(xiàn)結(jié)露/結(jié)霜現(xiàn)象。

水汽對空間紅外遙感載荷低溫部件的污染過程如下：星上部分部件（如多層隔熱組件、漫反射板等）或材料對水分子存在一定吸附能力，因此該部分部件在地面將吸附攜帶少量水汽；衛(wèi)星發(fā)射及入軌后，水汽在低氣壓及真空環(huán)境下快速蒸發(fā)釋放，形成水汽污染源；在一定的低溫及真空條件下，低溫部件表面易吸附水汽并凝結(jié)；在無充足熱量加熱的條件下，深低溫狀態(tài)的固體冰在真空中，表面處于氣?固兩相平衡態(tài)，水分子升華速率接近0[7-9]。而在地面測試過程中，空氣中的水分易被吸附在低溫部件表面，結(jié)露/結(jié)霜后破壞光學(xué)設(shè)計狀態(tài)或影響光學(xué)件表面的紅外發(fā)射率性能而降低制冷能力，造成探測器光電性能下降甚至無法工作。

水汽污染對空間載荷的危害主要包括：1）水汽可能附著在光電器件敏感表面，從而導(dǎo)致光電系統(tǒng)性能下降甚至失效；2）空氣中的水汽、氧化氣體等共同作用，引起部分材料理化性質(zhì)發(fā)生變化，直接導(dǎo)致部分器件（如輻射制冷器）的性能下降；3）水汽等污染物可能影響固體潤滑膜的工作穩(wěn)定性及滑環(huán)類導(dǎo)電部件的電性能。

1.2 水汽污染防護方法

防污染方法主要包括減少污染源、阻斷污染途徑等?？臻g產(chǎn)品的水汽污染防護方法具體包括選用疏水性能較好的材料、地面充分保護、在軌主動加熱除氣等：1）選用疏水性能較好的材料。如考慮到多層隔熱組件間隔層材料的吸水性，低溫部組件的輻射隔熱可選用無間隔層的多層隔熱組件。2）地面研制過程充分保護以阻斷污染途徑。具體包括：①在載荷地面研制及測試過程中，對關(guān)鍵部件進行無間斷惰性氣體正壓保護；②通過控制 AIT環(huán)境參數(shù)、局部環(huán)境調(diào)節(jié)等措施，防止環(huán)境參數(shù)異常造成污染；③日常對部分易吸潮的部件（如多層隔熱組件）進行干燥密封，在發(fā)射前安裝。3）對部分關(guān)鍵部件進行在軌主動加熱除氣。對于低溫部件，通常采用在軌加熱方式提升部件溫度，并持續(xù)一定時間以去除水汽等污染物[6,10]，然后開機試運行。此外，由于漫反射板通常選用多孔介質(zhì)材料制造，在地面極易吸收水汽，同樣需要在軌主動加熱除氣。

上述方法中，對部分部件進行無間斷惰性氣體正壓保護可對水汽污染物實現(xiàn)有效隔絕，同時也能夠防護塵埃粒子、有機物分子、氧化氣體等污染物，可作為空間紅外載荷水汽污染敏感部件在地面研制過程中的主要保護措施。

2 地面氣體保護技術(shù)途徑及系統(tǒng)設(shè)計

2.1 技術(shù)途徑

為了實現(xiàn)對水汽污染敏感部件的保護，本文前述空間紅外載荷為關(guān)鍵部件設(shè)計了電加熱回路供在軌加熱除氣使用，同時設(shè)計了專用半密封腔體結(jié)構(gòu)和氣路供地面研制過程防護使用。在地面研制過程中，可向該半密封腔體結(jié)構(gòu)內(nèi)部持續(xù)充入惰性氣體，形成局部正壓環(huán)境，腔體內(nèi)部的氣體同時通過氣孔外溢，以防止外部環(huán)境污染物進入，進而保護該部分關(guān)鍵部件。根據(jù)1.2節(jié)對水汽污染防護方法的分析，從可獲得性、經(jīng)濟性等多因素考慮，選取高純氮氣（純度99.999%）作為正壓保護氣體。在此基礎(chǔ)上，本節(jié)從關(guān)鍵部件局部環(huán)境保護控制與調(diào)節(jié)、環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集、智能分析與預(yù)警3個方面對氣體保護技術(shù)途徑開展細化研究。

1）關(guān)鍵部件局部環(huán)境保護控制與調(diào)節(jié)

通過將高純氮氣無間斷持續(xù)充入半密封腔體，形成局部正壓潔凈環(huán)境。通常情況下，將對應(yīng)的壓力值換算為氣體供給的流量值進行控制。高純氮氣的控制指標主要包括氣體溫度和流量。使用高壓氮氣瓶（或液氮）作為氣源，高壓氣體膨脹（或液氮汽化）后溫度較低，因此需將保護氣體的溫度調(diào)節(jié)至環(huán)境溫度附近。氣體流量可使用氣體流量計控制。

2）環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集

環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集對象主要包括 AIT環(huán)境溫度Tair、環(huán)境濕度RHair、高純氮氣流量q、高純氮氣溫度Tn、氣源壓力Pn等參數(shù)?？紤]到保護氣體為高純氮氣，因此關(guān)鍵部件局部環(huán)境的濕度不再作為采集對象。

3）智能分析與預(yù)警

智能分析與預(yù)警主要對供氣連續(xù)性、環(huán)境參數(shù)、高純氣體指標等進行監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)供氣不足、結(jié)露等預(yù)兆或斷氣等異常問題時，應(yīng)能及時預(yù)警和報警。

通過采集得到的環(huán)境參數(shù)，可計算分析得出氣源剩余供氣時間和環(huán)境露點溫度。氣源剩余時間可參考如下途徑進行計算：氣瓶中壓縮氣態(tài)氮轉(zhuǎn)化為20 ℃、101.3 kPa狀態(tài)下的體積（單位：m3）[11]為V1=KV2，其中V2為氮氣氣瓶的容積（單位：L），K為氮氣體積換算系數(shù)；氣源剩余時間為ty=V1/q。AIT環(huán)境露點溫度Td與環(huán)境溫度Tair和環(huán)境濕度RHair相關(guān)[12]，

其中：A1=17.625；B1=243.04。

參數(shù)異常報警控制量共8個，且在報警措施之外設(shè)計了預(yù)警功能，起到提前預(yù)示作用。具體方法如下：假定報警上下限分別為A和B；在[A,B]范圍內(nèi)再設(shè)置a和b作為預(yù)警限定范圍的上下限（即A＜a＜b＜B）。滿足實際值∈[a,b]范圍時，系統(tǒng)正常工作；滿足實際值∈[A,a)||(b,B]時，系統(tǒng)預(yù)警；滿足實際值∈[-∞,A)||(B, +∞]時，系統(tǒng)報警。

2.2 地面氣體保護系統(tǒng)設(shè)計

1）氣體保護系統(tǒng)組成及方案

氣體保護系統(tǒng)包括氣體管路、加熱控制、輸出等部分。

氣體管路主要包括氣源端、常用分路、備用分路、管翅式換熱器、環(huán)境溫度計、環(huán)境濕度計等，如圖 1所示。氣源端包含氣源壓力傳感器、減壓器 1等；常用分路包含氣體加熱器、氣體溫度傳感器、數(shù)字流量計、單向閥等；備用分路包含電磁閥、減壓器2、浮球流量計、單向閥等。氣體經(jīng)減壓器1減壓后首先經(jīng)管翅式換熱器換熱，然后分為常用、備用2條分路。常用分路工作狀態(tài)下可采集氣體流量、氣源壓力、氣體溫度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等環(huán)境及氣體參數(shù)，同時實時計算顯示剩余供氣時間和參考露點溫度；備用分路為滿足應(yīng)急狀態(tài)（如系統(tǒng)掉電等）使用而設(shè)計，其工作狀態(tài)為純機械模式，采用減壓器2進行二次減壓，由預(yù)置狀態(tài)的浮球流量計調(diào)節(jié)氣體流量。除輸入和輸出端外，氣體保護系統(tǒng)管路為全密封狀態(tài)；減壓器1輸入端壓力范圍設(shè)計為1.5～15 MPa，輸出端壓力約1.2 MPa；流量計輸出端的表壓力（絕對壓力高于大氣壓）即為系統(tǒng)配送氣體的壓頭。

加熱控制包括換熱器預(yù)熱和主動溫控加熱 2部分。氣源經(jīng)減壓膨脹后溫度降低（通常有結(jié)露現(xiàn)象），首先在管翅式換熱器進行熱交換（使其接近環(huán)境溫度）；氣體加熱模塊在后端調(diào)節(jié)氣體溫度至預(yù)定值。流量控制和調(diào)節(jié)功能通過控制器和質(zhì)量流量計實現(xiàn)。

圖1 氣體管路方案示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the gas pipe system

系統(tǒng)輸出包括采集數(shù)據(jù)、發(fā)出警報2類。采集數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲模塊上。發(fā)出警報的方式為遠程聲光報警，預(yù)警與報警分別設(shè)置為不同的聲光狀態(tài)，以提醒值班人員及時處理。

2）運行流程設(shè)計

氣體保護系統(tǒng)運行流程設(shè)計如圖2所示：電源正常供電后，系統(tǒng)開機可進行參數(shù)采集，經(jīng)邏輯判斷后存儲/報警輸出。管道內(nèi)溫度較低時，對氣體進行閉環(huán)控制加熱。供電異常時，設(shè)備自動切換至備用分路（機械模式）。

常用和備用分路的切換過程為：系統(tǒng)通電正常運行時，備用分路的電磁閥為關(guān)閉狀態(tài)，流體通過常用分路正常運行；系統(tǒng)意外掉電時，電磁閥自動轉(zhuǎn)為常開狀態(tài)，管路隨之自動切換至備用分路，通過浮球流量計對氣體流量進行控制調(diào)節(jié)。

圖2 系統(tǒng)運行流程示意圖Fig. 2 Schematic diagram of working process for system

3）系統(tǒng)控制及輸出參數(shù)設(shè)計

系統(tǒng)控制及輸出參數(shù)包括AIT環(huán)境溫度Tair、環(huán)境濕度RHair、氣源壓力Pn、高純氮氣流量q1、高純氮氣流量q2、高純氮氣溫度Tn、露點溫度Td、氣源剩余時間ty。表1列出了這些參數(shù)的控制閾值。

表1 系統(tǒng)控制參數(shù)閾值設(shè)定表Table 1 Control threshold of system parameters

3 地面氣體保護系統(tǒng)集成及功能測試

3.1 地面氣體保護系統(tǒng)集成

氣體保護系統(tǒng)集成設(shè)計的外包絡(luò)尺寸400 mm×500 mm×700 mm（不含腳輪），質(zhì)量38 kg，實物如圖3所示。頂部75°斜面布置顯示操作屏、流量顯示儀、電源開關(guān)、報警器等。內(nèi)部側(cè)板和底板分別布置流量計、壓縮空氣加熱器、減壓器、電磁閥等設(shè)備。底板分為2部分，上部作為內(nèi)部組件的安裝面，下部作為管翅式換熱器和腳輪的安裝點。

圖3 氣體系統(tǒng)集成實物Fig. 3 Picture of the system

3.2 地面氣體保護系統(tǒng)功能測試

針對氣體保護系統(tǒng)的設(shè)計目的，開展了氣體保護系統(tǒng)功能測試。測試項目主要包括數(shù)據(jù)采集存儲、參數(shù)分析預(yù)警、保護氣體主動加熱溫控等。表2給出了各主要功能測試的項目、指標、方法及結(jié)果。

圖4、圖5分別給出了氣體保護系統(tǒng)測試運行過程的環(huán)境、流量等數(shù)據(jù)。測試時間為2016年1月16日12:20—2月1日11:33（其中20—22日更換氣源）。氣體保護系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)與人工記錄測試數(shù)據(jù)的對比結(jié)果表明：氣體保護系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)氣體保護參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的采集與存儲功能；系統(tǒng)對參數(shù)預(yù)警及報警狀態(tài)記錄完整、正確；主動加熱溫控能夠有效提升保護氣體的溫度。

圖4 工作環(huán)境參數(shù)曲線Fig. 4 Curves of the environmental parameters

表2 氣體保護系統(tǒng)功能測試方法及測試結(jié)果Table 2 Methods and results for functional tests of the gas protection system

圖5 供氣參數(shù)曲線Fig. 5 Curves of the nitrogen-supply parameters

4 結(jié)束語

本文分析了水汽污染物對空間光學(xué)載荷低溫部件的污染過程及防護措施，結(jié)合空間光學(xué)載荷低溫部件對水汽污染物控制的特殊需求，設(shè)計地面無間斷氣體保護系統(tǒng)并對其進行測試，結(jié)果表明：地面氣體保護系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無間斷氣體保護功能，同時能夠?qū)崿F(xiàn)對保護氣體參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的采集與存儲，保護氣體主動加熱溫控，參數(shù)預(yù)警及報警等功能，對空間光學(xué)載荷低溫部件污染防護具備一定的工程實用價值。未來可融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)集中采集與遠程動態(tài)管理，進一步提升航天特殊產(chǎn)品的防污染保障水平。

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[1] 中國航天科技集團公司. 衛(wèi)星產(chǎn)品潔凈度和污染控制要求: GJB 2203A—2005[S]. 北京: 國防科工委軍標出版發(fā)行部, 2006

[2] 周傳良. 航天器研制全過程污染控制工程[J]. 航天器環(huán)境工程, 2005, 22(6): 335-341 ZHOU C L. Contamination control through entire process of spacecraft development[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2005, 22(6): 335-341

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Design of nitrogen-shield protection system for cryogenic optical components in spacecraft AIT process

ZHAO Kaixuan, CHE Lamei, PENG Chao, CHEN Xiaodi, HOU Peng
(Shanghai Institute of Spacecraft Equipment, Shanghai 200240, China)

According to the special requirements of contaminant control for cryogenic optical components in the spacecraft AIT process, the mechanism and control of the water-vapor contaminant are analyzed and a feasible protection method is proposed for typical IR cameras. An uninterrupted nitrogen-shield protection system is designed for the local-environment adjustment, the environmental parameters recording, and the abnormal alarm. Testing results show that the designed nitrogen-shield system can provide an easy way for the protection of key components in the development process of cryogenic optical systems.

cryogenic optical components; contaminant control; gas protection; system design;environmental parameter monitoring

TH744; TP65+1

B

1673-1379(2017)05-0560-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.019

2017-05-06；

2017-09-23

國家國防科工局“十三五”基礎(chǔ)科研項目“衛(wèi)星柔性裝配生產(chǎn)線數(shù)字化管控技術(shù)”（編號：JCKY2016203B106）< class="emphasis_italic">引用格式：趙凱璇, 車臘梅, 彭超, 等. 空間光學(xué)載荷低溫部件地面氣體保護系統(tǒng)設(shè)計[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017, 34(5):560-565

趙凱璇, 車臘梅, 彭超, 等. 空間光學(xué)載荷低溫部件地面氣體保護系統(tǒng)設(shè)計[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017, 34(5):560-565

ZHAO K X, CHE L M, PENG C, et al. Design of nitrogen-shield protection system for cryogenic optical components in spacecraft AIT process[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 560-565

（編輯：閆德葵）

趙凱璇（1987—），男，碩士學(xué)位，從事航天器AIT工藝等研究工作。E-mail: zhao_kaixuan@126.com。