空間環(huán)境污染對(duì)空間制冷器的影響
空間環(huán)境染污對(duì)航天器的影響是目前高可靠長(zhǎng)壽命航天器設(shè)計(jì)時(shí)非常重要的問(wèn)題之一。對(duì)于觀測(cè)衛(wèi)星、天文衛(wèi)星、監(jiān)測(cè)和跟蹤衛(wèi)星等航天器，低溫探測(cè)器、低溫光學(xué)系統(tǒng)，空間制冷器是重要的部件。因此空間環(huán)境和污染對(duì)制冷器的影響危及航天器的可靠性。非常薄的污染氣體沉積膜能嚴(yán)重影響低發(fā)射率表面的發(fā)射率，由于發(fā)射率的增加使空間機(jī)械制冷器的低溫?zé)嶝?fù)荷增加10%～20%，導(dǎo)致輻射制冷器的溫度升高，造成被冷卻器件失效。介紹了一些控制污染的具體方法及控制污染敏感度物理學(xué)，討論了一些與污染有關(guān)的物理現(xiàn)象�？刂瓶臻g機(jī)械制冷器污染的方法是使用多層絕熱或物理障板使空間制冷器與外部污染源進(jìn)行隔離。控制輻射制冷器污染要從地面開(kāi)始，在安裝、裝配、試驗(yàn)及與航天器集成過(guò)程中都要在清潔環(huán)境中進(jìn)行。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為控制污染的方法是正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并必須盡量減少輻射制冷器對(duì)污染的敏感性。
引言
航天科技的發(fā)展，航天器在軌壽命的大幅延長(zhǎng)，對(duì)航天器的可靠性提出了更高的要求。航天器及其重要部件的表面污染會(huì)影響航天器及相關(guān)部件的可靠性和應(yīng)用目標(biāo)質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量研究工作，以獲得有效控制污染的措施。保障航天器能正常運(yùn)行和順利完成飛行任務(wù)。
空間污染主要分為兩種：一種為粒子污染，是由姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)不完全燃燒物和地面生產(chǎn)活動(dòng)殘留物等顆粒狀物質(zhì)沉積在航天器表面引起的；另一種為分子污染，是由航天器表面或使用的有機(jī)非金屬材料在真空條件下放出的氣體分子在航天器表面沉積形成的。污染對(duì)航天器的影響主要體現(xiàn)在光學(xué)儀器、溫控涂層、空間制冷器、太陽(yáng)翼等部件，會(huì)影響其熱光學(xué)性質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響航天器的性能。
空間環(huán)境因素，尤其是在陽(yáng)光照射或其他高能輻射的作用下，會(huì)使敏感表面產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)。紫外輻射對(duì)污染的固結(jié)作用，增加了污染沉積的可能，改變了沉積層的特性，使污染層變暗，顏色加深，對(duì)敏感表面帶來(lái)嚴(yán)重影響。
空間制冷器主要任務(wù)是為航天器應(yīng)用的各種低溫探測(cè)器、超導(dǎo)器件、低溫電子器件及低溫光學(xué)器件提供穩(wěn)定和可靠的低溫條件，保證其獲得良好的工作性能�？臻g制冷器在多個(gè)領(lǐng)域和多項(xiàng)空間任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。在低溫電子學(xué)和通信、地球觀測(cè)和氣象衛(wèi)星、空間監(jiān)視和彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)、空間大型磁體的冷卻、載人空間站和火星探測(cè)任務(wù)中都使用空間制冷器作為冷源。在空間天文學(xué)、空間物理學(xué)、月球和行星科學(xué)、空間生命學(xué)、微重力科學(xué)研究中相繼發(fā)射的各種空間望遠(yuǎn)鏡、空間探測(cè)器都使用了空間制冷器冷卻的低溫探測(cè)器或低溫光學(xué)系統(tǒng)。因此空間制冷器的可靠性關(guān)系到航天器和空間任務(wù)的成敗。機(jī)械制冷器是通過(guò)作功把熱量從低溫端向高溫端輸送，并向冷空間排放而獲得冷量的；輻射制冷器是通過(guò)與冷空間輻射換熱而獲得冷量的。輻射制冷器外表面和機(jī)械制冷器冷頭或管路溫度都很低，在空間環(huán)境污染條件下作用像冷阱，其敏感表面很容易受到污染。因此防污染對(duì)各種制冷器的可靠性和性能都有非常重要的意義。文章中將論述空間環(huán)境污染對(duì)空間制冷器的影響及污染的控制。
1 、污染對(duì)輻射制冷器的影響及污染控制
1.1、污染對(duì)輻射制冷器的影響
輻射制冷器外表面的作用像冷阱，會(huì)凝結(jié)圍繞在航天器和儀器在大氣中吸附的污染物。因?yàn)檩椛渲评淦鞅砻婀ぷ鞯陀?50 K，在這些敏感表面冷凝污染物是不可避免的，因此必須控制污染。污染不僅能導(dǎo)致輻射制冷器升高溫度，而且會(huì)造成被冷卻器件或光學(xué)系統(tǒng)失效。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中防污染問(wèn)題非常重要。
用于輻射制冷器內(nèi)的光學(xué)器件比發(fā)射體表面或相互面對(duì)面的表面更容易受到污染，因?yàn)閭鬏斊骷确瓷淦骷䦟?duì)污染更敏感。中度污染對(duì)金屬紅外反射率的影響可以忽略，但嚴(yán)重減少紅外窗口或鏡頭的傳輸。因此，折射或傳輸器件從不暴露在比自身溫度高的大氣中。
每個(gè)航天器和儀器都會(huì)攜帶自身的大氣進(jìn)入軌道，這個(gè)大氣中占主導(dǎo)地位的是水蒸氣，然而也可能是作為推進(jìn)劑副產(chǎn)品而產(chǎn)生。水蒸氣在給定的溫度下比大多數(shù)氣體有較低的蒸氣壓，結(jié)果通常首先凝結(jié)在敏感表面上，例如在發(fā)射體表面。鏡面屏蔽和低溫表面水蒸氣以冰和霜的形式凝結(jié)，冰往往在紅外波長(zhǎng)吸收，而在可見(jiàn)光波長(zhǎng)會(huì)散落。
冰總是冷凝在面向太空的冷發(fā)射面上，一般發(fā)射表面工作溫度在低于150 K，并被漆成黑色以便最大限度地對(duì)空間輻射發(fā)射(發(fā)射率0.92 或更高)。由于經(jīng)過(guò)發(fā)射器的發(fā)射，在發(fā)射器表面冰的形成不明顯，對(duì)于100 K的發(fā)射表面，冰的熱傳導(dǎo)率為0.06 W/cm·K。對(duì)于40 μm厚的冰，通過(guò)冰層的溫度下降約3.6×10-5 K。輻射制冷器冷表面分子污染的后果依賴于污染的性質(zhì)以及表面的敏感性。對(duì)于輻射制冷器冷表面，污染的影響特別嚴(yán)重，污染氣體凝結(jié)的可能性明顯增加，因此污染控制問(wèn)題是輻射制冷器更需要重視的因素。
1.2、輻射制冷器的污染控制
(1)輻射制冷器要遠(yuǎn)離污染。輻射制冷器內(nèi)部或周圍污染環(huán)境不可能完全消除，控制的方法是要求輻射制冷器對(duì)污染的敏感性最小化、污染被控制。因此污染要遠(yuǎn)離光學(xué)表面，否則會(huì)在表面凝結(jié)并降低儀器性能；
(2)在制造、裝配、試驗(yàn)及集成中，敏感表面要保持清潔。在規(guī)定的清潔室環(huán)境下，在組裝制冷器、裝配工序及系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)和航天器與儀器集成任務(wù)完成后，都要清潔外表面和各敏感表面(即發(fā)射表面、光學(xué)太陽(yáng)反射板瓦片和鏡面屏蔽)，應(yīng)在盡可能接近發(fā)射時(shí)進(jìn)行清潔工作，用以保證光學(xué)系統(tǒng)的性能；
(3)正確設(shè)計(jì)輻射制冷器，發(fā)射后光學(xué)器件應(yīng)該保持足夠高的溫度，在發(fā)射后最簡(jiǎn)單的控制污染環(huán)境的方法是對(duì)全部光學(xué)器件出氣和去污。發(fā)射后光學(xué)器件應(yīng)該保持在等于或高于周圍儀器的環(huán)境溫度，直到環(huán)繞航天器周圍的大氣有足夠的時(shí)間減少。典型分配最初在軌時(shí)間是30天，有這樣足夠的出氣時(shí)間，這將使航天器出氣減少到不會(huì)在敏感表面有凝結(jié)。輻射制冷器應(yīng)具有在出氣后去除積累污染物的方法。出氣或去除污染不能被視為控制污染的主要方法。應(yīng)被認(rèn)為是一個(gè)備份解決方案。
控制污染的主要方法是正確設(shè)計(jì)輻射制冷器。外部熱控制表面，像光學(xué)太陽(yáng)反射鏡片、白色油漆、銀色聚四氟乙烯和鏡面反射屏蔽都要保持足夠高的溫度以阻止外部大氣中水蒸氣凝結(jié)。正如以前討論的一樣，實(shí)際的最低限是150 K。這個(gè)最低限的選擇意味著在最初在軌出氣期間，不能吸收全部能量的物體、外部輻射器發(fā)射表面(包括鏡面反射屏蔽表面)都要保持在等于或高于150 K；
(4)輻射制冷器內(nèi)部的被冷卻的光學(xué)器件應(yīng)該永遠(yuǎn)不要暴露在比其自身溫度高的大氣中。保護(hù)被冷卻的光學(xué)器件的一種方法是設(shè)置一個(gè)冷阱，該冷阱冷凝溫度低于光學(xué)器件的溫度。另一種方法是加熱光學(xué)器件(主動(dòng)或被動(dòng)方法)到環(huán)境溫度或略高于環(huán)境溫度；
(5)正確設(shè)置輻射制冷器的出口通路。輻射制冷器的出口通路應(yīng)設(shè)計(jì)成使產(chǎn)生的出氣直接放到太空。光學(xué)窗口應(yīng)該用于輻射制冷器級(jí)和輻射制冷器溫暖級(jí)之間，面對(duì)周圍的儀器。一旦最初在軌出氣時(shí)期完成，并且輻射制冷器已冷卻下來(lái)，排氣通路將成為污染入口。光學(xué)器件周圍增加冷阱用于降低進(jìn)入的水蒸氣溫度和冷光學(xué)元件溫度。輻射制冷器和環(huán)境儀器之間的外部窗口作為屏蔽防止從儀器來(lái)的污染物進(jìn)入輻射制冷器；
(6)正確選擇輻射制冷器各級(jí)材料。應(yīng)盡量避免材料的聚合反應(yīng)。如果可能時(shí)，多層絕熱材料和聚酰亞胺在輻射制冷器內(nèi)應(yīng)避免使用。輻射制冷器各級(jí)內(nèi)可以使用環(huán)氧玻璃，因?yàn)槠淞舨蛔∷�，如果有機(jī)材料允許聚合到發(fā)射表面，輻射制冷器的性能也會(huì)降低。
當(dāng)表面不是暴露在紫外線下，污染就不是永久的并能用加熱方法去除。加熱表面超過(guò)200 K往往會(huì)使表面上的分子停留很短的時(shí)間。在任務(wù)的最初幾個(gè)月大量的圍繞航天器和儀器大氣內(nèi)的污染物會(huì)出現(xiàn)。在初期在軌出氣期間最重要的是考慮到遮蔽敏感表面以避免暴露給陽(yáng)光。遮蔽方法可以用可展開(kāi)或自動(dòng)關(guān)閉的覆蓋件完成，覆蓋件實(shí)際上減少了出氣需要的加熱功率或允許到達(dá)較高的出氣溫度。
多層絕熱覆蓋物和聚酰亞胺可以用作輻射制冷器的覆蓋件，但多層絕熱是水蒸氣的主要來(lái)源。聚酰亞胺也保留水分，其飽和溫度是152 K，因此不會(huì)用低于152 K的光學(xué)器件。對(duì)聚酰亞胺進(jìn)行烘烤是無(wú)效的，因?yàn)檫@種材料有從周圍大氣中重新吸收水分的趨向。圍繞輻射制冷器的大氣通常保持在高濕度以避免靜電放電，輻射制冷器各級(jí)最好的材料是環(huán)氧玻璃，因?yàn)槠淞舨蛔∷?/p>
如果允許有機(jī)材料聚合到發(fā)射表面上，輻射制冷器的性能也會(huì)降低，聚合的結(jié)果會(huì)增加外部非黑色熱控制表面(比如光學(xué)太陽(yáng)反射板瓦片和鏡面屏蔽)太陽(yáng)能吸收率，一旦聚合反應(yīng)發(fā)生，污染是永久的和不能被加熱去除。航天器或儀器內(nèi)部大量有機(jī)物(碳?xì)浠衔?的擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致聚合反應(yīng)的發(fā)生，靜電回歸過(guò)程是造成有機(jī)材料聚合反應(yīng)的原因，靜電回歸過(guò)程允許污染現(xiàn)場(chǎng)非線性傳播，這污染成為在發(fā)射器和屏蔽表面上最后的沉積和聚合。
材料可產(chǎn)生聚合反應(yīng)的數(shù)量取決于材料與排氣路徑和出氣源靠近的情況。在航天器或儀器內(nèi)的排氣路徑必須仔細(xì)檢查，要保證不能直接看到關(guān)鍵光學(xué)器件或敏感的熱控制表面。在太陽(yáng)紫外線存在附近的表面會(huì)導(dǎo)致聚合產(chǎn)物沉積在表面上，材料的聚合反應(yīng)是與污染物的蒸氣壓或表面溫度無(wú)關(guān)。當(dāng)表面沒(méi)有暴露到紫外線時(shí)，污染不是永久的，并且能用加熱去除。
(7)正確的屏蔽配置很重要。粒子和分子污染物充當(dāng)入射太陽(yáng)光的散射中心。當(dāng)散射中心停留在鏡屏蔽表面，從冷級(jí)(低于150 K的冷級(jí))可以看到時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱負(fù)荷，這會(huì)導(dǎo)致冷級(jí)不正常的熱平衡。幸運(yùn)的是用于控制冷凝和污染物聚合的措施有助于控制太陽(yáng)光散射。當(dāng)鏡面屏蔽直接承受太陽(yáng)光照時(shí)，屏蔽配置需被設(shè)計(jì)為對(duì)冷級(jí)形成高散射角，用這種方法設(shè)計(jì)屏蔽可以使被散射太陽(yáng)光在冷級(jí)上造成的熱負(fù)荷最小化。
2、污染對(duì)空間機(jī)械制冷器的影響及污染控制
2.1、薄膜厚度和薄膜沉積速率對(duì)發(fā)射率和輻射熱負(fù)荷的影響
在討論污染對(duì)空間機(jī)械制冷器的影響及污染控制之前，首先要研究一些與污染有關(guān)的物理現(xiàn)象，這包括污染薄膜厚度和污染沉積速率問(wèn)題。
(1)污染薄膜厚度對(duì)發(fā)射率的影響
非常薄的污染氣體沉積膜能嚴(yán)重影響比如拋光金或拋光鋁這些低發(fā)射率表面的發(fā)射率。圖1描述了拋光不銹鋼對(duì)不同物質(zhì)沉積薄膜發(fā)射率的敏感度。由圖可知：水冰薄膜具有特別突出的作用，拋光材料77 K時(shí)，在初級(jí)階段水冰厚度每增加1 μm發(fā)射率增加Δε=0.2。水冰膜的發(fā)射率繼續(xù)增加，當(dāng)薄膜厚度增加到大于20 μm時(shí)，發(fā)射率達(dá)到1。
圖1 拋光不銹鋼在77 K時(shí)的發(fā)射率與不同冷凍氣體薄膜厚度關(guān)系圖
4、結(jié)束語(yǔ)
航天器材料在高真空環(huán)境中的放氣是航天器污染物的主要來(lái)源。輻射制冷器為控制污染，在地面組裝、裝配以及試驗(yàn)和航天器與儀器集成任務(wù)中都要在清潔室環(huán)境完成，都要清潔外表面和各敏感表面(即發(fā)射表面、光學(xué)太陽(yáng)反射板瓦片和鏡面屏蔽)，應(yīng)盡可能接近發(fā)射時(shí)進(jìn)行清潔工作，用以保證光學(xué)系統(tǒng)的性能。
在發(fā)射后最簡(jiǎn)單的控制污染環(huán)境的方法是對(duì)全部光學(xué)器件出氣和去污。在軌30天后再啟動(dòng)輻射制冷器，為此必須帶有防污門(mén)，這樣即可出氣又可防污，但出氣或去除污染不能被視為控制污染的主要方法，應(yīng)被認(rèn)為是一個(gè)備份解決方案�？刂莆廴镜闹饕椒ㄊ钦_設(shè)計(jì)輻射制冷器。
控制污染的方法是使輻射制冷器對(duì)污染的敏感性最小化，污染遠(yuǎn)離敏感表面。外部輻射器發(fā)射表面(包括鏡面反射屏蔽表面)都要保持在等于或高于150 K。輻射制冷器內(nèi)部的被冷卻的光學(xué)器件應(yīng)該永遠(yuǎn)不要暴露在比自身高的大氣中。保護(hù)被冷卻的光學(xué)器件的一種方法是設(shè)置一個(gè)冷阱，該冷阱冷凝溫度低于光學(xué)器件的溫度。輻射制冷器的出口通路應(yīng)設(shè)計(jì)成使產(chǎn)生的出氣直接放到太空。
輻射制冷器各級(jí)最好的材料是環(huán)氧玻璃，因?yàn)槠淞舨蛔∷Ｃ舾斜砻嬉荛_(kāi)紫外線，當(dāng)表面暴露到紫外線時(shí)，污染是永久的，并且不能用加熱去除。材料可產(chǎn)生聚合反應(yīng)的數(shù)量取決于材料與排氣路徑和出氣源靠近的情況。在航天器或儀器內(nèi)的排氣路徑必須仔細(xì)檢查，要保證不能直接看到關(guān)鍵光學(xué)器件或敏感的熱控制表面。因此輻射制冷器控制污染的主要措施是正確而巧妙的設(shè)計(jì)和與航天器合理的匹配。
空間機(jī)械制冷器為控制污染已深入研究了在空間的污染問(wèn)題和污染對(duì)低發(fā)射表面的影響。然而有關(guān)水的有效分壓和多層絕熱對(duì)水膜集結(jié)敏感性的合適值等參數(shù)，只能依據(jù)在試驗(yàn)或任務(wù)中已被驗(yàn)證的制冷器參數(shù)。這些參數(shù)可用于預(yù)測(cè)空間機(jī)械制冷器的壽命。對(duì)于典型的總熱負(fù)荷1 W量級(jí)的空間機(jī)械制冷器，由于低發(fā)射率表面污染使制冷器熱負(fù)荷增加10%～20%是可能的。多層絕熱控制污染的效果要比單-低發(fā)射率表面效果要好為解決熱負(fù)荷增加問(wèn)題，必須定期加熱低溫表面用以蒸發(fā)污染物，這種熱循環(huán)對(duì)系統(tǒng)是有影響的。為保證長(zhǎng)期無(wú)障礙工作，在去污循環(huán)期間必須保證制冷器足夠的余量，制冷器需要適當(dāng)加大尺寸以適應(yīng)增加的熱負(fù)荷。減少或消除空間制冷器在軌污染的影響將是空間應(yīng)用中重要的研究課題。
