航天光学系统的污染控制技术

院小雪，周传良，杨东升1,

（1. 可靠性与环境工程技术重点实验室；2. 北京卫星环境工程研究所：北京 100094）

0 引言

航天光学系统是重要的航天有效载荷，其突出特点是对污染高度敏感。航天光学系统运行所处的空间环境与地面环境存在巨大的差异，光学系统的功能性器件将因所处环境的改变而发生变化[1]，在地面生产和制造时的可靠性状态也随之改变。污染是造成这种变化的因素之一。要保证航天光学系统在研制及在轨运行期间由于分子污染和颗粒污染造成的光学器件光学透过率、反射率和散射光的改变满足系统设计的分辨率和灵敏度要求，达到预定的设计任务目标，必须做好航天器光学系统的污染控制工作。

1 国外航天光学系统的污染控制

航天光学系统有着相似的有效载荷和空间环境，航天光学系统有效载荷曾因污染造成一系列的故障。采取有效的污染控制措施是保证航天光学系统正常运行的必要条件。例如，作为美国国家防御系统重要组成部分[2]的弹道中段空间试验卫星（Midcourse Space Experiment，MSX）针对其有效载荷对污染高度敏感的特性，制定了周密的污染控制计划。由 ESA和 NASA共同承担的 Solar &Heliospheric Observatory（SOHO）和美国的Transition Region Coronal Explorer（TRACE）两个太阳望远镜[3]以及其他航天光学系统的经验都证明污染控制是航天光学系统研制中的重要工作之一。

1.1 MSX的污染控制措施

MSX于1996年4月24日发射，重2 700 kg，长5.1 m，运行在高度为900 km的近似太阳同步轨道的极轨道，轨道倾角为99.4°，主要有3个有效载荷：1）大型固态氢制冷的红外望远镜（空间红外望远镜SPIRIT III）；2）可见光波段望远镜（天基可见 SBV）；3）一套从近红外到紫外波段的望远镜和分光计（紫外与可见光成像仪和光谱成像仪UVISI）。所有这些光学仪器都被集中安装在卫星的一侧，而大部分数据采集和处理电子单元被安装在卫星的另一侧。这种设计可以减少由于数据采集和处理电子单元的部分非金属材料放气而导致的对光学仪器及其观测空间的污染。图1和图2分别是MSX整星和MSX光学系统的外形图。

由于紫外比可见光和红外在单位厚度分子污染膜内的吸收率更高，所以 UVISI光学元件表面对污染非常敏感。这就要求紫外望远镜的零部件比可见光望远镜的零部件进行更长时间的真空烘烤[4]。在发射期间和入轨初始阶段，这些主要光学仪器上都有防护盖保护。MSX的污染试验组负责有关污染方面的设计和控制，在整个研制过程中跟踪监测飞行件的洁净度，模拟在轨污染环境，发射前发布飞行中污染环境预估，设计在轨污染测量试验。

图1 弹道中段空间试验卫星Fig. 1 The MSX satellite

图2 弹道中段空间试验卫星光学系统Fig. 2 The optical system of MSX satellite

1.2 MSX的在轨实时污染监测

在轨污染会造成反射镜的反射率降低和散射增加，影响其光学性能。因此MSX共安装了5个石英晶体微量天平（QCM），其中4个为温控石英微量天平（TQCM），1个为低温石英微量天平（CQCM）。温控石英微量天平位于卫星的不同外表面，工作温度为-400～+500 ℃，测量硅树脂和有机物分子的凝结物。低温石英微量天平位于SPIRIT III红外低温望远镜主镜附近。在工作的第一周，它的温度随主镜从28 K降到20 K，可提供望远镜主镜上污染物沉积的实时监测数据。监测数据显示，所有的QCM记录的污染物沉积率都在每天20 ng/cm2的水平。QCM热重分析提供了凝结污染物的数量和物质成分。QCM和其他污染试验仪器的数据为确定安全打开光学仪器防护盖的时间提供了原位实时监测数据依据。这些QCM的监测数据也成为分析卫星轨道分子污染特性的关键数据。直到现在，这些数据还在源源不断地被送到数据库中，用来进行卫星及有效载荷的在轨运行状况分析。

1.3 TAUVEX UV天文望远镜的污染控制措施

TAUVEX UV天文望远镜，由ISA（以色列航天局）发起，由El-Op和Tel-Aviv University Wise Observatory联合设计和制造。每个望远镜包括9个对污染敏感的光学表面，分别为主镜、二次镜、第一校正透镜（2个表面）、第二校正透镜（2个表面）、滤光器（2个表面）和探测器窗口。

该望远镜由3个工作在140～280 nm光谱范围的相同望远镜组成。此光谱范围对分子污染和颗粒污染高度敏感，需要制定严密的污染控制方法以满足污染控制要求。

对 TAUVEX应用的污染控制方法是由 Soreq NRC和El-Op共同制定的，涵盖了设计、制造、总装和测试的项目全过程，工作内容包括：污染指标分配；材料选择标准；根据放气对分子污染进行理论分析，预估空间环境造成的光学性能衰减；测量透射损失和污染物密度之间关系的试验；专门的设计；总装和试验环境；热真空、振动试验洁净度控制，以及监测设备的选择和使用。

1.4 SOHO紫外仪器的洁净度和标定稳定性

在过去的项目中，用于对太阳进行空间观测的光学仪器受到了航天器和仪器结构所用材料的污染影响而导致敏感度衰减。与可见光波段相比，虽然太阳电磁辐射中紫外波段所占能量的比例很小，然而，如果连续暴露在太阳光下，依然能够使得有机污染物聚合在光学表面上。SOHO选择合适的材料以及独特的航天器和仪器的结构设计，使得它在很大程度上能够避免这种危害。SOHO上各种遥感仪器通过一定的洁净度控制要求达到了稳定的灵敏度要求。这些设计方面的独到之处对未来进行太阳探测和研究有普遍意义。

2 航天用非金属材料污染光学效应

2.1 机理分析

如图3所示，一束光线入射到一个分子污染膜表面后，部分光线被反射，部分光线被吸收，部分光线被透射。根据能量守恒定律[5]，可知其中：ρ代表反射率；α代表吸收率；τ代表透射率。这3个参数与光线的入射角度、偏振和波长有关，可以通过试验来确定。

图3 光线入射、反射、吸收和透射关系图Fig. 3 The relation figure of incidence, reflection, absorption and transmittance of the rays

导致光学透射率损失的原因是污染物的散射作用。不同种类的分子污染膜吸收能谱不同，在不同的波段差别很大。颗粒污染物主要是造成入射光的散射，从而增加了漫反射（双向反射分配函数，bi-directional reflectance distribution function），形成了探测器上的杂散光束，降低了信噪比。透射率损失只有当颗粒污染物个数密度很大的时候才会显著表现出来。

2.2 试验研究

对多种常见星用非金属材料样品进行污染光学效应试验研究，部分试验分析结果如下。

1）对“导线紧扣带”进行分子污染沉积研究，表1为试验数据，透射率谱如图4所示（1～5号样品分别代表SiO2基底上沉积的污染量为0.051 mg、0.093 mg、0.136 mg、0.182 mg 和 0.224 mg）。

表1 导线紧扣带分子污染出气数据Table 1 The molecular contamination outgassing data of the wire buckle

图4 导线紧扣带透射率谱Fig. 4 The transmittance of the wire buckle

图5是导线紧扣带透射率最大衰减值与沉积质量之间的关系。从该图可以得出如下结论：对于导线紧扣带沉积不同厚度的分子薄膜后，光学镜片在可见光、紫外和近红外谱段的透射率衰减不同；但随着波长的增加，同一厚度污染物薄膜的透射率逐渐增加；在波段200～2 500 nm间，由于污染各个光谱段透射率都有相同的衰减趋势。另一个值得注意的现象就是发生在石英光学镜片紫外波段210 nm左右处的光学透射率衰减值最大，且随着污染膜厚度（质量）的增加，透射率最大衰减值增大，且基本成线性关系。这些测试结果和美国ARNOLD机械材料技术中心报道的有机物分子紫外和可见光谱段分子污染沉积结果基本一致。

图 5 导线紧扣带透射率最大衰减值与沉积质量的关系Fig. 5 The relation between the max transmittance attenuation and the contamination mass of the wire buckle

2）对某种星用“塑料”进行分子污染沉积研究，试验数据见表2，透射率谱如图6所示（1～5号样品分别代表 SiO2基底上沉积的污染量为 0.015 7 mg、0.018 7 mg、0.019 0 mg、0.019 7 mg和0.021 8 mg）。

表 2 某塑料分子污染出气数据Table 2 The molecular contamination outgassing data of the plastic

图6 某塑料透射率谱Fig. 6 The transmittance of the plastic

该种“塑料”在石英镜片上沉积不同厚度的可凝挥发物后，由图7可见，光学镜片在可见光、紫外和近红外谱段的透射率衰减不同；同一波长时，污染物薄膜的透射率衰减速率并不随沉积厚度（质量）的增加而逐渐增加，沉积 0.015 7 mg比沉积0.019 0 mg“塑料”可凝挥发物后的透射率衰减量要低30%左右；而在200～2 500 nm波段间各透射率衰减却有相同的趋势，即随着波长的增加，透射率衰减不断减小，最大衰减值在200 nm附近。但该“塑料”的透射率最大衰减值和导线紧扣带的不同，并不随沉积质量成线性关系。这些测试结果和国外报道的有机物分子紫外和可见光谱段分子污染沉积结果基本一致。

图 7 塑料透射率最大衰减值与沉积质量之间的关系Fig. 7 The relation between the max transmittance attenuation and the contamination mass of the plastic

图 8是某种塑料出气产物在 10 000～400 cm-1波段的光谱图，从图中可看出，吸收峰的位置在793 cm-1、1 018 cm-1、1 090 cm-1、1 253 cm-1、2 842 cm-1和2 910 cm-1处。而793 cm-1处是—CH3官能团的吸收峰处；1 018 cm-1是RSO3H官能团的吸收峰处[6]；1 090 cm-1是Si—O—Si官能团的吸收峰处； 1 253 cm-1是—C(CH3)3官能团的吸收峰处；2 842 cm-1是—CH3官能团的吸收峰处；2 910 cm-1是—CH2—官能团的吸收峰处。通过上述分析，推断该塑料材料含有硫和硅元素，并且出气产物主要是非金属材料的降解产物。各吸收峰的相对强度有明显的差异，取决于污染物沉积质量的大小。以上各吸收峰强度随污染物沉积质量的增加而逐渐增大，这些污染物成分对透射率有较大影响。

图 8 锗基底上沉积0.015 2 mg的“塑料”分子污染物后的红外透射率谱Fig. 8 The infrared transmittance of the germanium

3 航天光学系统的污染控制措施

我国在航天光学系统研制中已经采取了大量的污染防护措施并取得了一定的成效。由于航天光学系统与其他污染不敏感的系统（如结构与机构、推进、电源、测控系统等）一起构成完整的航天器，这些污染不敏感的系统由大量的非金属材料构成[3]，它们释放的有机分子会对航天光学系统产生有害影响。航天光学系统的污染控制必须做到避免系统间的交叉污染，在航天器顶层设计时必须考虑到各个系统释放的污染总量，并纳入总体污染控制计划。从航天器设计到在轨运行的全过程，都需要制定行之有效的污染控制措施。

在航天器设计阶段，需要制定完备的污染控制大纲。首先需要充分考虑航天器的构型与布局，考虑航天器的光学系统是否在羽流污染区域；其次要考虑航天器所用非金属材料的筛选工作，是否需要进行真空烘烤处理。在此基础上，制定一套完整的污染控制方案并加以实施，避免研制过程中的被动补救措施造成成本增加、可靠度降低。

航天产品制造阶段是航天器部组件加工最早的阶段，通常通过切割、钻孔和焊接等方法，使用金属、塑料及合成材料等构成航天器产品的零部件。该项工作需要在洁净环境下进行，在实施工作之前，须设置洁净间环境及人员配备标准。

航天产品装配工作是把产品制造阶段生产的部组件组装成仪器和分系统等，包括从简单的机械装配到复杂完整设备的装配。航天器在总装阶段必须建立一套完备的洁净间洁净度标准和人员操作标准。对光学系统而言，这个环节尤为重要，一般需要洁净间洁净度达到10万级，操作人员控制在8～10人左右。操作人员符合进出洁净间要求，才能进行下一步的装配。

航天器试验是为了验证航天器的力学、热学等性能。譬如力学和声学等试验一般都是在非洁净间环境中进行，在这种情况下，必须对光学系统进行预保护，使用保护盖、保护袋等保护装置，并实时监测环境的洁净度。

在航天器运输过程中，既要通过使用保护盖、保护袋等措施为光学系统做好防污染措施，还要做好安全防护措施。

在航天器储存过程中，应保持存放地点的洁净度，保证存放过程中航天器不受污染。

一个寿命为5年的航天器，入轨第一周内的放气量约占总放气量的一半，因此打开光学系统防护盖要选择恰当的时间。必要时应设计污染物捕获器吸附分子污染，采用二氧化碳冰晶或离子轰击法清洗光学表面。对传回的污染物监测信息进行分析，确认污染控制措施的有效性。

4 结束语

综上所述，本文研究了航天光学系统对污染的光学效应和航天用非金属材料放气污染引起的光学透射率的变化，在此基础上简要总结了航天器研制全过程对航天光学系统的污染控制措施。在以后的工作中，在材料筛选方面，需要建立完善的数据库；在航天器设计阶段，需要建立完善和系统的全过程污染控制措施。

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[4]周传良. 高度污染敏感有效载荷的真空烘烤技术[J].航天器环境工程, 2006, 23(6): 340 Zhou Chuanliang. Vacuum bakeout technology for spacecraft payload with high sensitive contamination[J].Spacecraft Environment Engineering, 2006, 23(6): 340

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