本文利用石英晶體微量天平(QCM)監(jiān)測某衛(wèi)星內(nèi)部真空熱試驗(yàn)過程中污染物的沉積量；并用氣相色質(zhì)譜聯(lián)用儀分析星內(nèi)污染物的成分，為鄰苯二甲酸酯類和硅氧烷類物質(zhì)，主要來源于星用電纜和導(dǎo)熱硅脂等粘結(jié)劑。結(jié)合污染物的成分及衛(wèi)星污染物來源，提出了在真空熱試驗(yàn)中減少污染物的方法。

　　隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)航天器的可靠性、使用壽命等要求越來越高。航天器的污染對(duì)其光學(xué)性能、數(shù)據(jù)采集、熱控性能具有較大的影響。近年來由污染引發(fā)的航天器性能問題日益突出，航天器污染分析成了航天領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)之一。

　　航天器資金投入大，風(fēng)險(xiǎn)高，可靠性和安全性顯得尤為重要。由于污染引發(fā)的航天器性能問題有很多，美國“軌道太陽觀測站”由于電路盒出氣，9 天之后lyman- Alpha 功能失效;“林肯試驗(yàn)衛(wèi)星”，二級(jí)分離的制動(dòng)火箭羽流污染了有效載荷;“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”，因?yàn)槲廴境练e和UV 暴露，WFPC- IUV 功能失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)美國20 世紀(jì)70~90年代的30 年中就有25 顆衛(wèi)星由于污染發(fā)生了故障。由此可見污染已經(jīng)成為制約航天器向高可靠性、長壽命發(fā)展的瓶頸。

　　近幾年，關(guān)于航天器污染方面的研究主要集中在航天器表面沉積污染物監(jiān)測技術(shù)與成分分析，利用石英微量天平監(jiān)測污染物的沉積量，對(duì)航天器在熱試驗(yàn)中污染物的成分進(jìn)行了分析。但這些研究都是針對(duì)航天器外部的污染監(jiān)測與分析，對(duì)于衛(wèi)星內(nèi)部的污染情況研究的比較少。內(nèi)部污染引發(fā)的問題也是不容小覷的。如硅橡膠、導(dǎo)熱硅脂等材料揮發(fā)的有機(jī)硅分子沉積在電樞表面或微型接觸器的觸點(diǎn)，使接觸電阻增加導(dǎo)致發(fā)生故障。阿波羅14 號(hào)就是因?yàn)榇祟惞收蠈?dǎo)致部分實(shí)驗(yàn)沒能正常進(jìn)行。本文利用QCM、氣相色質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)某衛(wèi)星在熱平衡試驗(yàn)時(shí)內(nèi)部污染量及成分進(jìn)行了分析，研究了星內(nèi)污染量與時(shí)間、溫度的關(guān)系，分析星內(nèi)污染物的成分，并提出了在真空熱試驗(yàn)中減少污染物的手段。

1、污染物來源及影響

　　太空中，對(duì)航天器產(chǎn)生污染的污染源主要有：①衛(wèi)星上部組件的材料放氣，如殼體、架、太陽電池帆板所用的非金屬材料、溫控涂層、導(dǎo)熱硅脂、粘結(jié)劑、電絕緣材料等物質(zhì);②姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射，各類發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的未燃燒完的燃料、中間產(chǎn)物及燃燒生成混合形成的羽流;③空間環(huán)境的影響。航天器污染物的主要成分是小分子有機(jī)物，有機(jī)物吸附將導(dǎo)致太陽能電池玻璃蓋片和光學(xué)鏡頭等部件的透光率下降，進(jìn)而使太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率下降以及光學(xué)系統(tǒng)分辨率降低。

2、試驗(yàn)過程

　　試驗(yàn)包括衛(wèi)星烘烤處理的高溫靜置工況及4個(gè)熱循環(huán)工況(高低溫)，試驗(yàn)開始前在衛(wèi)星內(nèi)部四個(gè)位置安裝4 個(gè)石英晶體微量天平，實(shí)時(shí)監(jiān)測污染量。試驗(yàn)結(jié)束后分析衛(wèi)星內(nèi)部污染量，并在星內(nèi)污染嚴(yán)重的部位進(jìn)行取樣，分析污染物成分。

3、結(jié)果與討論

3.1、星內(nèi)石英微量天平污染量測試結(jié)果

　　熱試驗(yàn)過程中星內(nèi)石英晶體微量天平污染沉積量隨時(shí)間與溫度的變化如圖1 所示。

圖1 星內(nèi)污染累積量隨時(shí)間、溫度變化曲線

　　由上述曲線分析可以得到以下結(jié)論:

　　(1) 經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)束后污染累積量最小為為2.73×10^{- 6} g/cm²，最大為1.838×10^{- 5} g/cm²。

　　(2) 由圖1 可以看出，熱試驗(yàn)過程中污染累積量趨勢增加，各工況污染增加量逐漸減小。在第一個(gè)靜置工況中，污染沉積量持續(xù)增長，在后續(xù)高低溫工況，污染沉積量在高溫工況時(shí)迅速增加，在低溫工況時(shí)變化平緩或略有減少。其原因?yàn)椋�在第一個(gè)高溫常溫靜置工況降溫過程中，衛(wèi)星仍在繼續(xù)進(jìn)行溫度控制，污染源仍可放出污染物，在后續(xù)高低溫循環(huán)工況，降溫過程中，衛(wèi)星不再繼續(xù)進(jìn)行溫度控制，溫度迅速降低，污染源放出的污染物會(huì)迅速減少。

　　(3) B2 開關(guān)的變化趨勢與其他三個(gè)不同，發(fā)生了跳頻現(xiàn)象，說明此處的污染量已經(jīng)超過了石英晶體微量天平的量程。

3.2、星內(nèi)污染物放氣規(guī)律

　　高溫工況時(shí)石英微量天平污染累積量會(huì)逐步增加，低溫工況時(shí)污染累積量變化較小，有少量減少，污染物含量的變化主要在高溫工況，4個(gè)熱試驗(yàn)高低溫工況中，高溫工況過程中污染物增加量隨時(shí)間的關(guān)系如圖2 所示。曲線從側(cè)面反映出了材料放氣的規(guī)律，即某一溫度條件下材料出氣隨時(shí)間的關(guān)系，通常是材料放氣率隨放氣時(shí)間成指數(shù)形式減少。

　　通過曲線外推可以得出：若保持50℃左右高溫工況，在經(jīng)過223 h、184 h、217 h 左右，三處污染物的沉積量將降低到每24 h 小于1×10^-7 g/cm²，達(dá)到了空間環(huán)境模擬器空載時(shí)污染沉積量不大于1×10^-7 g/cm² 的要求。

圖2 高溫工況過程中污染物增加量與時(shí)間的關(guān)系曲線

3.3、污染物成分測試結(jié)果

　　試驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)天線陣面高頻插頭上有油滴狀污染物，在艙板上也發(fā)現(xiàn)大量油狀污染物。如圖3、圖4 所示。在幾處污染嚴(yán)重部位進(jìn)行取樣，采用石油醚洗脫污染物，利用氣相色質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)樣品進(jìn)行成分分析。

圖3 衛(wèi)星服務(wù)艙艙板上污染物　圖4 天線高頻電纜插頭污染物

圖5 開關(guān)處污染物色譜圖　圖6 天線高頻電纜線插頭色譜圖

3.4、污染物成分測試結(jié)論

　　(1) 熱試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星內(nèi)部開關(guān)處的石英微量天平上沉積了較多的污染物，對(duì)開關(guān)處污染物進(jìn)行成分檢測，結(jié)果如圖5，其主要成分為材料放氣產(chǎn)生的硅氧烷類物質(zhì)，結(jié)構(gòu)式如圖7 中a，b。硅氧烷類的物質(zhì)主要源于星用的膠類、導(dǎo)熱硅脂等粘結(jié)劑。

　　(2)陣面天線一側(cè)的污染物多呈油滴狀，而另一側(cè)污染物沒有形成油滴狀。經(jīng)過成分檢測污染物主要為鄰苯二甲酸二2- 甲基丙酯，結(jié)構(gòu)式如圖7c，該污染物是一種增塑劑，廣泛應(yīng)用于各種線纜中。而兩個(gè)艙段的主要區(qū)別為污染物較多的對(duì)地面有大量的天線灰皮電纜線，這與成分檢測結(jié)果相符合。

　　(3) 污染最嚴(yán)重的部位是天線高頻電纜插頭，從圖6 中分析，這些混合污染物中主要成份是鄰苯二甲酸二2- 甲基丙酯如圖7c，鄰苯二甲酸二2- 甲基庚酯如圖7e，鄰苯二甲酸二乙酯如圖7d，含量最高的是鄰苯二甲酸二2- 甲基丙酯，其余峰代表硅氧烷類物質(zhì)如圖7中a，b。

圖7 硅氧烷類和鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)式

4、結(jié)論

　　在整星熱試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星內(nèi)部的污染量最高達(dá)到1.838×10^-5 g/cm²，為肉眼可見的污染量級(jí);試驗(yàn)過程中污染累積量隨時(shí)間逐步增加，污染物增加量隨時(shí)間逐漸減少，由此可以推出若在整星熱試驗(yàn)前對(duì)非金屬材料進(jìn)行烘烤處理則熱試驗(yàn)的污染量級(jí)將大大下降;試驗(yàn)中的污染物成分經(jīng)檢測為鄰苯二甲酸酯類、硅氧烷類物質(zhì)，鄰苯二甲酸酯類主要來源于星用的灰皮電纜，硅氧烷主要來源于導(dǎo)熱硅脂、白漆等非金屬材料放氣。