艙外航天服頭盔濾光面窗的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬加爐，姚麗坤，鐘艷莉，黃慶偉，望詠林，安榮濤，劉冀念，王怡靈

(1.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；2.中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司北京航空材料研究院，北京100095；3.首都航天機(jī)械有限公司，北京100076)

1 引言

軌道空間出艙活動(dòng)面臨高真空、極端高低溫交變、空間輻射、空間碎片及微流星等異常惡劣環(huán)境，艙外航天服是航天員生命保障的必備裝備?？臻g輻射分為電磁輻射和微粒輻射，而電磁輻射主要來自于太陽輻射，其中，可見光和紅外線輻射能占太陽輻射總能量的92%，航天員如長期直接暴露于太陽電磁輻射下，有可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果。為保障航天員視覺工作能力和頭盔內(nèi)必要的熱工制度，必須對航天服頭盔進(jìn)行光學(xué)特性設(shè)計(jì)。無論是國際空間站在用的俄羅斯Orlan-MK或Orlan-MKS艙外航天服、美國載人登月用Apollo-A7LB航天服及美國航天飛機(jī)用EMU，還是NASA Johnson航天中心的xEMU、Air-Lock公司與David Clark公司合研的EVA頭盔組件及在研代號為H-Suit、I-Suit等新型艙外航天服，均通過在頭盔上安裝可手動(dòng)操作、上下旋轉(zhuǎn)開啟/閉合、表面鍍有膜層的濾光面窗(Sun Visor)來有效過濾可見光，衰減紫外線，遮斷紅外線，以保證航天員身體健康和工作效率。

本文分別從艙外服頭盔濾光面窗的防護(hù)需求、設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算、工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)、性能測試、空間環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證等方面開展研究工作，研制一種可在空間應(yīng)用的艙外航天服頭盔濾光面窗。

2 需求分析與設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1 光學(xué)性能

航天員在空間陽照面執(zhí)行艙外任務(wù)時(shí)，濾光面窗是著艙外服航天員用眼直接觀察、了解外界的唯一窗口。透鏡功能是濾光面窗的基本功能，其中涉及成像質(zhì)量的有視野、光畸變、角偏差、屈光度、霧度等。此外，因軌道空間存在強(qiáng)烈的眩光、紫外線和紅外線，濾光面窗還需為航天員提供必要的視覺防護(hù)和熱防護(hù)，即濾光面窗獨(dú)有的防護(hù)功能。可見光透射率、紫外線透射率、太陽能總透射率是考核和評價(jià)艙外航天服頭盔濾光面窗防護(hù)性能最重要的三大光學(xué)指標(biāo)，主要通過面窗膜層加以解決。

1)可見光透射率:從美、俄航天服來看，艙外服頭盔均為多層面窗結(jié)構(gòu)，面窗層數(shù)差異及各單層面窗性能差異導(dǎo)致對濾光面窗可見光透射率的要求也不同，俄羅斯Orlan-M系列艙外航天服濾光面窗可見光透射率約為2%～3%，美國EMU約為7%。本文濾光面窗可見光透射率性能指標(biāo)為1%～5%。

2)紫外線透射率:目前還沒有關(guān)于人體紫外輻射耐限數(shù)據(jù)，因此，主要解決措施就是盡可能地衰減紫外對人的輻射。本文提出的濾光面窗紫外線透射率指標(biāo)為面窗對小于380 nm波長范圍的紫外線透射率不超過1.0%。

3)太陽能總透射率:本文要求濾光面窗放下時(shí)，整個(gè)太陽光譜范圍內(nèi)頭盔整體對太陽能總透射率不超過10%。

2.2 環(huán)境適應(yīng)性

艙外航天服頭盔用濾光面窗還必須考慮其工程應(yīng)用背景，建立明確具體的應(yīng)用環(huán)境指標(biāo)要求和評價(jià)方法，才能滿足工程需求，目前尚未見到公開發(fā)表的文獻(xiàn)研究成果。本文提出的主要指標(biāo)如下:

1)參照ASTM D3359標(biāo)準(zhǔn)，膜層與基體附著力不低于4 B。

2)除地面環(huán)境外，濾光面窗可耐受熱沉溫度不高于120 K，太陽常數(shù)為1.2，真空度不低于1×10Pa的空間高低溫交變環(huán)境，膜層無龜裂、剝落等缺陷，各項(xiàng)性能滿足要求。

3 設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算

3.1 面窗基體設(shè)計(jì)

3.1.1 選材

近地軌道用艙外航天服頭盔面窗要求具有高強(qiáng)度、高抗沖擊性、高光學(xué)性、高尺寸穩(wěn)定性、耐極端環(huán)境溫度性(低溫≤-110℃、高溫≥＋120℃)，因此，面窗基體材料是艙外服頭盔面窗設(shè)計(jì)過程中需要首先考慮和解決的問題。結(jié)合美、俄等成熟航天服經(jīng)驗(yàn)，聚碳酸酯材料是最優(yōu)選項(xiàng)。本文對所選的PC材料(粒料)通過注塑標(biāo)準(zhǔn)試片的方法開展了各項(xiàng)性能測試，包括不同溫度環(huán)境條件下的材料力學(xué)性能、試件光學(xué)性能、耐紫外輻照性能(包括紫外輻照前后的各項(xiàng)力學(xué)性能對比、光學(xué)性能對比)等。試驗(yàn)結(jié)果表明選材合理可行。圖1是利用SUV-333型太陽紫外輻照模擬器對所選PC材料開展紫外輻照的試驗(yàn)現(xiàn)場圖。

圖1 PC材料紫外輻照試驗(yàn)圖Fig.1 Ultraviolet irradiation tests of PC materi al

3.1.2 成型

面窗成型工藝方面，俄羅斯Orlan航天服頭盔面窗采用了3.0 mm板材熱成型；美國Apollo、EMU服裝因其鐘罩泡形狀，可能采用吹塑成型，使得面窗厚度不均勻，面窗為變厚度結(jié)構(gòu)，這樣對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光學(xué)性能指標(biāo)要求、成型工藝控制、頭盔裝配及性能測試等均提出了較高要求。

為降低制造及裝配難度、提高性能保障，本文濾光面窗為2.0 mm均勻壁厚的薄壁透明件，通過粒料精密注塑成型，避免了因壁厚不均勻或厚度尺寸跳變、裝配誤差等造成光學(xué)性能不達(dá)標(biāo)，并減少了指標(biāo)項(xiàng)數(shù)。研制出的濾光面窗基體透射率、霧度、角偏差等光學(xué)性能完全滿足要求。

3.2 膜層設(shè)計(jì)

3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選材

濾光面窗需有效過濾可見光，衰減紫外線，遮斷紅外線，在面窗表面鍍制高反射膜是解決問題的有效途徑。根據(jù)金膜對可見光、紅外的高反射特性及高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，結(jié)合美、俄等航天服經(jīng)驗(yàn)，在濾光面窗內(nèi)表面鍍制以金膜為主的復(fù)合膜層是解決問題的方式之一，但未見公開發(fā)表關(guān)于膜層的詳細(xì)情況。為保證性能，本文選用純度≥99.99%的高純Au作為鍍制金膜的原材料。

大多數(shù)金屬反射膜都比較軟、易損壞，金膜也不例外。此外，金膜主要對可見光、紅外線具有高反射特性，對紫外線反射率并不高。因此，對膜層進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì):

1)參考針對飛機(jī)座艙蓋有機(jī)玻璃表面鍍制ITO膜層后，ITO膜紅外反射率≥70%、紫外吸收率≥85%的光學(xué)特性，艙外服濾光面窗設(shè)計(jì)時(shí)，在單層金膜的表面增加了ITO膜層，以進(jìn)一步提高膜層的光學(xué)性能，ITO原材料選材要求純度≥99.9%。

2)為避免因地面試驗(yàn)測試、人-服訓(xùn)練、服裝轉(zhuǎn)運(yùn)、空間出艙活動(dòng)等過程中對濾光膜層的磕碰刮蹭，防止膜層受損而導(dǎo)致濾光面窗功能失效，將膜層鍍制在濾光面窗內(nèi)表面，如圖2所示。

圖2 人眼-鍍金膜試樣-被觀察物關(guān)系圖Fig.2 Relative position of human eyes，Au-plated sam p le and ob ject

3.2.2 仿真計(jì)算

利用Essential Macleod軟件開展了膜層分析計(jì)算。由于金膜對紅外的反射率高達(dá)95%以上，因此，仿真計(jì)算中重點(diǎn)關(guān)注Au厚度與可見光透射率的關(guān)系。仿真分析計(jì)算結(jié)果表明:

1)計(jì)算得到Au膜厚度與可見光透射率關(guān)系曲線，如圖3所示。在PC表面僅鍍金膜情況下，隨Au膜厚度增加，面窗透射率呈下降趨勢。當(dāng)金膜厚度達(dá)到或超過60 nm時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)面窗可見光透射率小于5%。

圖3 金膜厚度與可見光透射率關(guān)系曲線Fig.3 Relationship of visible light transm ittance and Au-film thickness

圖4 Au-ITO厚度與可見光透射率關(guān)系曲線Fig.4 Relationship of visib le light transm ittance and Au-ITO films thickness

圖5 Au-ITO厚度與可見光反射率關(guān)系曲線Fig.5 Relationship of visible light reflectance and Au-ITO films thickness

2)仿真計(jì)算得到Au-ITO厚度對可見光透射率和反射率關(guān)系曲線(圖4、圖5)。從圖可見:Au膜表面增鍍ITO膜時(shí)，隨ITO膜厚度的增加，濾光面窗對可見光透射率呈現(xiàn)先增加后下降規(guī)律，對可見光反射率呈現(xiàn)先下降后增加規(guī)律。當(dāng)ITO膜厚為40 nm時(shí)，ITO膜對濾光面窗的增透、減反效果效果最明顯，從而有利于減少眩光、降低膜表面反光對人眼的刺激。

通過上述仿真分析，Au膜厚度設(shè)定為75 nm、ITO膜厚度設(shè)定為40 nm。

4 鍍膜工藝

4.1 工藝選擇

艙外航天服頭盔濾光面窗以PC為基底，具有變曲率、大弧度、生產(chǎn)使用周期長、使用環(huán)境嚴(yán)酷等特點(diǎn)，因此，Au膜鍍制選用了直線型圓柱靶材的磁控濺射工藝，鍍制設(shè)備為JTD-1400鍍膜機(jī)(圖6)，ITO膜鍍制選用了離子束輔助沉積工藝，鍍制設(shè)備為JCP500鍍膜機(jī)(圖7)。

圖6 鍍制Au膜用JTD-1400鍍膜機(jī)Fig.6 JTD-1400 coating equipment for Au-film

圖7 鍍制ITO膜用JCP500鍍膜機(jī)Fig.7 JCP500 coating equipment for ITO-film

4.2 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

4.2.1 Au膜鍍制工藝參數(shù)

在Au膜鍍制工藝研究中，探究了濺射電流I、氣體流量Q、靶基距L和試樣轉(zhuǎn)速V對Au膜層與基底附著力、鍍制后膜層均勻性的影響。工藝試驗(yàn)過程中各種參數(shù)組合設(shè)置及試驗(yàn)結(jié)果見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明:濺射電流和氣體流量對金膜附著力影響最大，而靶基距對金膜均勻性影響較大，轉(zhuǎn)速對附著力和均勻性影響不大。

表1 Au膜鍍制工藝參數(shù)與膜層性能對照表Table 1 Performance of Au-film and process parameters

通過試驗(yàn)，最終確定濾光面窗Au鍍制工藝參數(shù)如下:濺射電流為5 A；氣體流量為90 sccm；靶基距為120 mm；轉(zhuǎn)速為20 s/r。

4.2.2 ITO膜鍍制工藝參數(shù)

針對ITO膜鍍制工藝，探究了濺射電流I、氣體流量Q、靶基距L和離子源功率P對ITO膜層與Au膜之間附著力、膜層均勻性的影響。工藝試驗(yàn)過程中各種參數(shù)組合設(shè)置值及試驗(yàn)結(jié)果見表2。結(jié)果表明:濺射電流和離子源功率對ITO膜附著力影響較大，靶基距和氣體流量對膜均勻性影響最大。

通過試驗(yàn)，最終確定濾光面窗ITO鍍制工藝參數(shù)如下:濺射電流為0.3 A；氣體流量為20 sccm；靶基距為150 mm；輔助離子源功率為80W。

表2 ITO膜鍍制工藝參數(shù)與膜層性能對照表Table 2 Performance of ITO-film and process parameters

5 性能驗(yàn)證

5.1 光學(xué)性能

研制出的濾光面窗見圖8，采用Cary5000雙光束紫外可見光分光度計(jì)測得其對太陽光譜的透射率曲線，如圖9所示。濾光面窗實(shí)現(xiàn)了0～380 nm紫外線基本截止，380～760 nm可見光有效濾過，760 nm以上紅外線高度遮斷，達(dá)到了小于380 nm波長范圍紫外線透射率不超過1.0%，可見光透射率為1%～5%的指標(biāo)要求。

圖8 鍍膜試樣外觀圖Fig.8 Sun visor sam p les w ith film s

圖9 試樣太陽光譜透射率曲線圖Fig.9 Solar spectrum transm ittance curve of the samp le

太陽光譜輻射能量主要集中在300～2500 nm波段之間，如圖10所示。本文濾光面窗對大于2500 nm的遠(yuǎn)紅外透射率幾乎為零(圖9)，因此，計(jì)算其在300～2500 nm之間的太陽能透射率可代表其在整個(gè)太陽能全波段的能量透射率。參照GB/T 5137.4標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法，結(jié)合試樣在300～2500 nm波段之間的分光光譜，在300～400 nm波段以5 nm為一區(qū)間，在400～800 nm波段以10 nm為一區(qū)間，在800～2500 nm波段以50 nm為一區(qū)間，每一區(qū)間加權(quán)計(jì)算透射比值，繪制試樣太陽能與波長區(qū)間的乘積隨波長變化曲線，見圖11。式(1)為濾光面窗對太陽能總透射率。

圖10 太陽能量分布譜圖Fig.10 Solar energy spectrum

圖11 試樣太陽能與波長區(qū)間的乘積隨波長變化圖Fig.11 Relationship between E′λ×Δλandλtransm itted of the sam p le

式中，Δλ為波長區(qū)間或波長間隔；E′為在波長區(qū)間Δλ內(nèi)，用梯形法計(jì)算后被修正的太陽能；T為試樣對λ波長的太陽光透射率；T(1.0)為太陽能直接透射比，式中1.0為空氣質(zhì)量(比值)，具體定義可參見GB/T 5137.4。

依照公式(1)計(jì)算出本文濾光面窗對太陽能總透射率為2.03%，結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

5.2 環(huán)境適應(yīng)性

環(huán)境適應(yīng)性考核評價(jià)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)及應(yīng)用過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。針對濾光面窗面臨的地面測試、人-服訓(xùn)練、轉(zhuǎn)運(yùn)及空間應(yīng)用等各種環(huán)境條件，開展了環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)和考核驗(yàn)證，包括地面濕熱試驗(yàn)、熱循環(huán)試驗(yàn)、工效測評、熱真空(太陽輻照)試驗(yàn)、結(jié)合艙外服頭盔的真空熱平衡試驗(yàn)等。其中，頭盔真空熱平衡試驗(yàn)在VSH-1000熱真空試驗(yàn)艙(含太陽模擬器)中進(jìn)行，見圖12。試驗(yàn)分3種工況:極端冷黑背景熱平衡、極端熱背景熱平衡、冷熱交變背景熱平衡，試驗(yàn)條件不低于2.2節(jié)要求。各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明:濾光面窗可耐受低溫-115℃(95 K空間冷背景下面窗表面最低溫度)、高溫＋80℃(太陽輻照熱背景下面窗表面最高溫度)的極端工況及空間交變環(huán)境工況，試驗(yàn)后面窗膜層無龜裂、剝落等缺陷，面窗光學(xué)性能滿足要求，濾光面窗可滿足應(yīng)用需求。

6 結(jié)論

1)Au膜(75 nm)/PC基體(2.0 mm)結(jié)構(gòu)的Au膜表面增鍍ITO膜時(shí)，隨著ITO膜厚增加，結(jié)構(gòu)對可見光透射率呈現(xiàn)先增加后下降規(guī)律，對可見光反射率呈現(xiàn)先下降后增加規(guī)律。

2)采用磁控濺射工藝(直線圓柱靶材)在大弧度、變曲率的PC面窗內(nèi)表面鍍制Au膜時(shí)，濺射電流、氣體流量對金膜的附著力影響最大；采用離子束輔助沉積工藝在Au膜表面增鍍ITO膜時(shí)，靶基距和氣體流量對ITO膜的均勻性影響最大。

圖12 頭盔真空熱平衡試驗(yàn)Fig.12 Thermal balance test of helmet in vacuum chamber

3)ITO膜(厚40 nm)/Au膜(厚75 nm)/PC基體(厚2.0 mm)結(jié)構(gòu)的濾光面窗，能有效衰減紫外線(小于380 nm紫外線透射率接近0%)，濾過可見光(380～760 nm可見光透射率為1%～5%)，遮斷太陽能(太陽能總透射率不超過10%)，對軌道空間應(yīng)用環(huán)境具有良好適應(yīng)性和耐受性，可為航天員出艙活動(dòng)提供視覺防護(hù)、熱防護(hù)和視覺工效保障。