某科學(xué)試驗衛(wèi)星對熱真空試驗設(shè)備及試驗區(qū)域潔凈度控制要求分析

摘 ?要：為確保衛(wèi)星的使用壽命，對于衛(wèi)星上的各種敏感元件以及各種儀器都有非常嚴(yán)格的要求。但是影響衛(wèi)星壽命的不僅僅是這些元器件自身的性能，還有各種外部的污染帶來的嚴(yán)重影響。為此，需要對衛(wèi)星的污染源、污染等級以及潔凈度進(jìn)行深入的研究，為延長衛(wèi)星壽命提供借鑒。本文對某科學(xué)試驗衛(wèi)星的污染源和污染等級進(jìn)行了分析，提出在其研制過程中，尤其是進(jìn)行熱真空試驗前后，需要對熱真空試驗設(shè)備及試驗區(qū)域的潔凈度提出更高的要求。

關(guān)鍵詞：科學(xué)試驗衛(wèi)星;熱真空;潔凈度

中圖分類號：P715.6 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）18-0035-03

Abstract：For all kinds of sensitive elements and instruments on satellite，the requirements are very strict. Only in this way can the service life of satellite be ensured. But it is not only the performances of these components that affect the life of satellites，but also various external contamination will bring about very serious effects. Therefore，it is necessary to study the pollution sources，pollution levels of satellites in order to provide reference for improving the life of satellites. In this paper，the pollution sources and pollution levels of a scientific test satellite are analyzed. It is pointed out that in the process of its development，especially before and after the thermal vacuum test，it is necessary to put forward higher requirements for the cleanliness of the thermal test equipment and the test area.

Keywords：scientific test satellite;thermal vacuum;cleanliness

0 ?引 ?言

隨著衛(wèi)星使用壽命的增長，衛(wèi)星對衛(wèi)星上敏感元件和各種儀器的要求更為嚴(yán)格。除這些元件和儀器本身的性能直接影響衛(wèi)星壽命外，衛(wèi)星受到的外部污染也是限制衛(wèi)星壽命的基本因素。

衛(wèi)星受到的污染來自衛(wèi)星全壽命周期的每一個步驟，包括發(fā)射前的制造、試驗、拆裝和貯存、發(fā)射、爬升以及軌道運轉(zhuǎn)等各環(huán)節(jié)，如圖1所示。發(fā)射前的制造、試驗、拆裝和貯存將在衛(wèi)星總裝和試驗廠房進(jìn)行，為了保證科學(xué)衛(wèi)星對污染敏感產(chǎn)品的安全性，本文重點對地面階段衛(wèi)星熱試驗的潔凈度提出了具體要求。

1 ?污染源和污染等級分析

潔凈度等級主要與分子污染物（MOC）和顆粒污染物（PAC）有關(guān)。衛(wèi)星產(chǎn)品表面和相關(guān)環(huán)境都可以定義潔凈度等級。相關(guān)環(huán)境可以是潔凈室、試驗裝置和空間環(huán)境。光學(xué)儀器對污染物都很敏感，尤其是科學(xué)試驗衛(wèi)星的光學(xué)儀器對污染要求更嚴(yán)格。我們通常將污染物分為兩類：顆粒污染物和分子污染物。

1.1 ?顆粒污染物

顆粒污染物是指不同大小的聚集物，包括灰塵、氣溶膠、煙霧顆粒等，顆粒污染物對衛(wèi)星的光學(xué)儀器有兩方面的影響：一是減少儀器聚光面積，影響儀器響應(yīng)效率;二是產(chǎn)生散射光，增加儀器雜光，降低成像質(zhì)量。

粒子是可見的（μm-sized）、有形狀的物質(zhì)沉積到表面暴露于環(huán)境的小顆粒。從通俗意義上講，它們只不過是“灰塵”。粒子是環(huán)境的自然組成部分，把一個粒子模擬成任意大小的球體，我們可以看到灰塵對產(chǎn)品表面的影響是雙重的，如圖2所示。

顆粒污染物可能來自自身，也可能來自外部周圍環(huán)境。來自自身的可能性包括：金屬結(jié)構(gòu)件腐蝕產(chǎn)生的顆粒;結(jié)構(gòu)件加工殘留的顆粒;附著在部件上、裝調(diào)與測試時掉落的灰塵;噴漆、鍍膜等振動時掉落的顆粒等。來自外部的顆粒物污染源可能有：加工、裝配及測試時空氣中顆粒物的沉積;來自人體及衣飾的掉落;來自包裝的顆粒掉落;靜電效應(yīng)吸附的顆粒;真空試驗時來自真空系統(tǒng)的顆粒;衛(wèi)星測試和在軌時來自衛(wèi)星與其他載荷的顆粒等。

1.2 ?分子污染物

分子污染物是指各類有機(jī)化合物：包括碳基化合物、硅化合物、水蒸氣、油脂類化合物等。分子污染物對光學(xué)儀器也有兩方面的影響：首先，分子污染物本身吸收光子;其次，分子污染物在UV光照耀下發(fā)生光化學(xué)作用，生成有機(jī)聚合層，強(qiáng)烈吸收真空紫外和軟X射線光子。這種光化學(xué)作用對太陽真空紫外、軟X射線觀測儀器的危害是致命的。

分子膜效應(yīng)分析：設(shè)想一束光線照射在表面上，表面被設(shè)計成部分反射和部分透射。如圖3所示，能量守恒要求被反射回空間的總能量R，被表面A吸收并通過表面T傳輸，等于入射能量I，圖中粗線表示入射的能量，細(xì)線表示損失后的能量，x表示分子膜的厚度，對于歸一化能量，得到：ρ+α+τ=1。這里ρ=R/I是反射率，α=A/I是吸收率，τ=T/I是透過率。

分子污染物可能來源于其自身，也可能來源于加工、集成、測試、工作時的環(huán)境。來源于自身的污染物包括儀器自身選擇材料的排氣，包括金屬部件腐蝕后排氣，非金屬材料排氣等。來自儀器外部的污染物包括：加工、集成、儲存、測試時大氣分子污染物的附著;真空環(huán)境測試時真空系統(tǒng)排氣污染物的附著;在軌時衛(wèi)星及其他載荷排氣及噴射物的再沉積等。

1.3 ?顆粒物等級和潔凈室分級

在潔凈空間里每立方米粒子數(shù)作為從0.1μm到0.5μm直徑的函數(shù)，其對應(yīng)的級別在FED-STD-209E標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了說明。FED-STD-209E完全適用于潔凈室和潔凈區(qū)域的空氣傳播微粒潔凈度分類。

空氣中的顆粒物等級與顆粒物沉降物之間的相互關(guān)系，可以通過概率計算進(jìn)行推導(dǎo)，由于操作環(huán)境的多樣性，歐洲空間元器件協(xié)調(diào)委員會（ESCC）沒有給出空氣中的粒子和PFO（Particle Fall Out Photometer Mk5）之間準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)關(guān)系式，但在對不同潔凈室進(jìn)行的數(shù)次測量的基礎(chǔ)上，ESCC給出了潔凈室空氣傳播粒子和PFO之間的相互關(guān)系，對預(yù)期的PFO有指示作用，也是我們按載荷對顆粒物污染容忍度選擇測試、試驗環(huán)境的依據(jù)。

1.4 ?分子污染物等級和指標(biāo)定義

（1）可說明種類（如硅樹脂）以及總等級。

（2）潔凈室儀器表面上的分子等級一般以單位面積上的質(zhì)量（即g/cm2）來表達(dá)。以g/cm2為單位的表達(dá)分別在單層和可見等級3×10-8g/cm2和1×10-6g/cm2之間變化。

（3）實際要求取決于應(yīng)用和溫度。

（4）典型情況是光學(xué)儀器，屈光度數(shù)量（光表面數(shù)量）很重要。對紫外光學(xué)設(shè)備，人們已知要求非常嚴(yán)格，因為入射輻射會引起污染物的聚合（主要是炭）。

（5）MOC的驗收等級根據(jù)分析確定，而且考慮到了以上關(guān)鍵參數(shù)和能接受的性能損失。

（6）規(guī)定的等級一般與測量有機(jī)污染等級的方法有關(guān)。

（7）規(guī)范可根據(jù)非揮發(fā)性殘留物（NVR）來確定。NVR以在（大）面積上的真實質(zhì)量單位量度。

（8）液態(tài)系統(tǒng)（冷卻和推進(jìn)系統(tǒng)）NVR的驗收等級一般≤1×10-7g/cm2。

通過調(diào)研，在ESCC對于地面設(shè)施、潔凈室的要求是該區(qū)域里的一個關(guān)鍵表面在連續(xù)一個星期的周期內(nèi)受到的污染不超過5×10-8g/cm2，推導(dǎo)到每天的污染沉積要求應(yīng)為不超過1×10-8g/cm2，國內(nèi)某所潔凈室的要求是每天不超過1×10-6g/cm2。結(jié)合某科學(xué)試驗衛(wèi)星載荷敏感面對分子污染物容限的要求，選擇ESCC指標(biāo)作為廠房及試驗設(shè)備分子污染物指標(biāo)，即每天的污染沉積要求不超過1×10-8g/cm2。

2 ?某科學(xué)試驗衛(wèi)星對潔凈度需求分析

某科學(xué)試驗衛(wèi)星的FXT載荷將使用鎳鍍金Wolter-1型多層嵌套X射線聚焦鏡?；覊m和油污都會影響X射線聚焦鏡的有效面積和角分辨等關(guān)鍵參數(shù)，據(jù)此衛(wèi)星用戶提出FXT使用的聚焦鏡地面試驗階段對表面分子污染物最大容忍量為8×10-8g/cm2，顆粒物的最大容忍度是150ppm。在衛(wèi)星總體進(jìn)行FXT安裝、調(diào)試、熱真空試驗期間，需要優(yōu)于10000級潔凈間并配備持續(xù)吹氮設(shè)施，保證FXT潔凈度。

考慮后續(xù)某科學(xué)試驗衛(wèi)星聚焦鏡飛行件在衛(wèi)星總裝廠房更換的方案，聚焦鏡更換期間其不可避免地需要和空氣接觸（平時處于持續(xù)吹氮保護(hù)），由ESCC潔凈間測試結(jié)果可知10000級廠房每天的污染量是52ppm，扣除聚焦鏡在地面其他試驗環(huán)境受到的污染量，在10000級廠房更換聚焦鏡存在污染容限超標(biāo)風(fēng)險，這個過程是不可逆的。因此，聚焦鏡更換期間的污染累計應(yīng)盡量降低，聚焦鏡更換時需考慮在10000級廠房搭建小范圍1000級臨時潔凈區(qū)間（每天污染量10ppm）的可能，可以大大降低污染超標(biāo)的風(fēng)險。

對熱真空試驗設(shè)備及試驗區(qū)域技術(shù)要求如下：

（1）罐內(nèi)潔凈度要求。真空試驗前罐內(nèi)污染物的控制指標(biāo)：

1）分子污染≤1*10-8g/cm2（空載24小時累計）。

2）潔凈度等級優(yōu)于10000級。

（2）罐外潔凈區(qū)潔凈度要求。衛(wèi)星及其產(chǎn)品、儀器、工裝等需經(jīng)清潔、除塵、風(fēng)淋等處理后方可進(jìn)入罐外潔凈區(qū)。

罐體外分為衛(wèi)星熱試驗操作區(qū)、衛(wèi)星存放操作區(qū)兩部分，熱試驗操作區(qū)達(dá)到10000級潔凈，外部存放與操作區(qū)達(dá)到100000級潔凈，二者隔離。

1）外部存放與操作區(qū)環(huán)境技術(shù)要求。外部存放與操作區(qū)前期可用于衛(wèi)星平臺總裝、測試，后續(xù)載荷抵達(dá)后，光學(xué)有效載荷等對地面環(huán)境有特殊要求的產(chǎn)品在從專用包裝箱取出、準(zhǔn)備進(jìn)入衛(wèi)星熱試驗操作區(qū)前，外部存放與操作區(qū)廠房的環(huán)境保障條件必須滿足以下規(guī)定的技術(shù)條件：

①潔凈度：100000級。

②溫度：20℃±5℃。

③濕度：30%～60%（20℃時相對濕度）。

④非揮發(fā)性殘留物：<1×10-8g/（cm2·24h）。

2）熱試驗操作區(qū)內(nèi)主要用于載荷儀器的裝配、調(diào)試及整星測試：

①潔凈度：10000級。

②溫度：20℃±3℃。

③濕度：30%～60%（20℃時相對濕度）。

④非揮發(fā)性殘留物：<1×10-8g/（cm2·24h）。

⑤氣壓：潔凈廠房保持正壓。

3）測試驗收方法：

①石英晶體測試，石英晶體微量天平測量分子污染，主要用于真空罐內(nèi)的污染監(jiān)測。

②PFO，驗收粒子污染，在不同的位置放置測試片，試驗后，送入儀器測量分析。

4 ?結(jié) ?論

綜上分析，上述科學(xué)試驗衛(wèi)星在衛(wèi)星的總裝、集成、測試及熱真空試驗前后，為了確保盡量減少外部污染，增長衛(wèi)星的使用壽命，對于通信、導(dǎo)航衛(wèi)星，對熱真空試驗設(shè)備及試驗區(qū)域的潔凈度提出較高的控制要求是必要的。

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作者簡介：王彥博（1976-），男，漢族，河南商水人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：國家科研單位的基建項目管理、資產(chǎn)管理和衛(wèi)星研制條件保障。