空间光学系统真空热试验污染控制经验综述

焦子龙，姜利祥，孙继鹏，黄建国，朱云飞

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

0 引言

空间光学系统在地面研制和在轨运行期间，极易受到污染物的影响。根据GJB 2203A—2005 《卫星产品洁净度及污染控制要求》，污染物定义为“任何可能对系统、分系统、设备、部件和材料的工作、可靠性和性能造成危害和不可忽略影响的非要求外来物”。污染物可分为颗粒污染物和分子污染物，前者是指尺寸为0.001～1000μm 的颗粒状固体物质，后者一般指材料在轨道真空环境下放气产生的污染物。污染可能造成光学表面透过率下降，散射增加，影响光学系统的信噪比，或使探测器的离轴抑制受到限制，从而造成光学系统性能退化[1]。而真空热试验过程中光学系统受到的污染最为严重[2]，因此需制定严格的污染控制措施并实施[3-4]。国外主要航天机构对空间光学系统的污染控制极为重视，其中一些成熟有效的经验值得借鉴。本文对MSX、COBE、HST/WFPC、ISO、GOSAT/ TANSO等卫星光学系统的真空热试验污染控制经验进行了调研总结，主要包括真空热试验中分子污染与颗粒污染的监测工具、监测方法和控制方法。基于现有污染控制的现状，对我国空间光学系统真空热试验污染监测与控制方法提出了若干建议。

1 NASA 经验

1.1 弹道中段实验

弹道中段实验（Midcourse Space Experiment,MSX）卫星[5]重2700 kg，长5.1m，轨道为900km的极轨。它的3 个主要光学载荷为大型固态氢冷却的红外望远镜SPIRIT III、可见光望远镜SBV 和紫外可见光谱成像仪UVISI。SPIRIT III 的主镜工作温度为20 K，对污染极其敏感。UVISI 的工作温度范围为233～283K，有可能使大分子污染物沉积，并且其紫外波段受污染影响较红外和可见光波段的更为严重。SBV 可承受一定污染，但其对视场外杂散光抑制要求较高，因此也应对污染加以控制。

总体部门提出的污染控制要求为：SPIRIT III的表面洁净度应为MIL-STD-1246C 标准规定的100A/5，UVISI 和SBV 表面洁净度应为300A/10。

振动试验和真空热试验在戈达德空间飞行中心（GSFC）完成。除热试验外，其他时间都对卫星及载荷都进行了包裹，并一直吹扫，以保持清洁。包裹材料为预制的亚麻增强材料，由 National Metallizing Inc.制造，接口处用2 inch 的3M 1205 Kapton 胶带封口。

1）分子污染控制

环境模拟容器、MSX 使用的热沉及其他设备都在热试验前进行了烘烤，以除去以前试验残留污染以及新工装上的污染物。这被看作发射前降低分子污染的最重要的步骤。烘烤时，容器抽真空至1.3×10-4Pa，热沉加热至80 ℃，持续350 h。采用3只基频为 15 MHz 的温控石英晶体微量天平 （TQCM）监测污染，其安装于热沉的支撑结构上，分别位于热沉的中部、顶部和底部。TQCM 温度控制在-50 ℃。监测过程中，需要不断将TQCM 的晶片加热至80℃以清洁晶片，防止它饱和。TQCM加热为线性方式，以监测不同污染物从晶片蒸发的温度。烘烤结束的判据是TQCM 的频率随时间变化的二阶导数（d2f/dt2）。在280 h 左右，当3 只天平的该值为-2.5 Hz/(cm2·h)时，认为此时烘烤结束。后续的70h 将容器回复至常温常压。

除了采用TQCM 进行实时监测，还用了两个诊断板评估SPIRIT III 遮光罩发射率的退化。诊断板放有两个抛光镀金镜和两个衰减全反射晶体。一个诊断板不进行热控，另一个在整个烘烤期间都维持比热沉高一些的温度，而在容器鉴定阶段则控温至-40℃。随后采用FTIR 进行分析，发现样品反射率变化不显著。俄歇电子能谱分析发现有薄层污染膜，成分含有碳和氧。

2）颗粒污染控制

在卫星吊入真空容器之前，去除外层包裹，并对内层包裹进行检查，以确保没有孔洞。当卫星在真空容器放置好后，拆去内层包裹，然后开始对多层进行再清洁。在容器中有粒子计数器对环境进行监测。关闭容器大门，已过滤的气流开始在容器内循环，此时的气流应保证罐内总颗粒数不超过1000 级。抽真空及复压阶段采用取样板对颗粒污染进行了监测。根据试验结果选择了非常慢的复压充气速度。

1.2 宇宙背景探测器

宇宙背景探测器[6]（COsmic Background Explorer,COBE)是NASA研制的用于研究宇宙起源的卫星（见图1）。卫星的主要载荷包括散射红外背景实验仪（Diffuse Infrared Background Experiment,DIRBE）、远红外绝对光谱仪（Far Infrared Absolute Spectrophotometer,FIRAS）和微分微波辐射计（Differential Microwave Radiometer,DMR）。DIRBE和FIRAS 放置于液氦杜瓦中，工作环境的温度低于2K。

图1 COBE 卫星 Fig.1 Satellite COBE

为模拟发射及在轨运行时的热环境，COBE在GSFC的空间环境模拟器上进行了热真空试验。

热试验过程中污染的主要控制目标是确定卫星在轨时仪器自污染程度，同时，借助热试验还可完成如下任务：1）在持续3 天的热浸条件下对整星烘烤；2）测量试验过程中的污染沉积量；3)对容器中冷板收集的残余物成分进行分析。上述数据结合卫星在轨放气模型可用来确定卫星的放气过程，以决定杜瓦孔防护罩打开时间。

1.2.1 污染监测方法

3 只基频为10 MHz 的QCM 以对称方式放置在距卫星0.60m 的周边，并采用液氮冷却，以提 供试验中放气量的实时数据。除了QCM，还采用了残余气体分析仪（RGA）分析卫星的放气特性。RGA 每8 h 记录一次数据，最后得到放气特性与容器抽气时间的关系。

还采用冷指（cold finger）、冷板（scavenger plate）和6 块抛光铝镜对沉积物质的化学成分进行了测定。铝镜安装在DMR 的支撑环上，用于收集卫星上大部分污染敏感器件的放气物质，以防止污染物沉积到杜瓦和DMR 的敏感表面。冷指和冷板安装在真空容器上，采用液氮制冷，这样卫星的放气大部分会沉积在这些冷表面上。直径1.2m 的铝制冷板在整个试验过程中都通液氮主动制冷，但是冷指仅在试验最后8 h 冷却。试验结束后铝镜、冷指、冷板用溶剂冲洗，其溶液用红外或质谱技术进行分析。

1.2.2 污染监测结果

QCM 稳定后，每小时记录一次温度数据以了解放气特性趋势，并对频率数据进行了处理，以获得两个相邻频率之间的差值。图2为某QCM 的温度与频率差的趋势图。

图2 COBE 卫星热真空试验QCM 温度和频率 Fig.2 Temperature and frequency of QCMs in thermal vacuum test of COBE

图2中温度的尖峰是由于温度控制器的不稳定造成的。卫星的污染控制要求为连续5 h 频率差应＜ 200Hz/h，从图中可以看出，即便QCM 温度降低到了-60℃，频率差仍然满足污染控制要求。

1）采用RGA 对水、氮气及氦、氧分子进行分析。当容器抽真空到1.33×10-5Pa 时，氦、氧及氮的放气速率降至10-9量级。水扩散的速率较低，但在50 h 热浸后趋于稳定。卫星温度在热浸时平均温度较在轨温度高10℃，因此在轨的放气速率数值会小于热真空试验中的数值。

2）冷指在热真空测试结束前8 h 开启，它收集的残余物用溶剂清洗转移到培养皿。分析表明，污染物质量为1.3mg，成分包括已内酰胺、三丁基氟化锡、三烯炳酸脂、苯甲酸、DC704 和邻苯二甲酸酯。除了DC 704 扩散泵油和邻苯二甲酸酯，其他成分主要来源于经常使用的电缆绝缘外皮。含量最多的是已内酰胺，为Richmond Corporation 公司的防静电2400 尼龙包裹材料所用的抗静电添加剂，因此将该种材料更换为聚酯类型的Llumaloy- HSC。总的来说，冷指收集的污染物均满足污染控制要求。

3）冷板收集到的污染物成分与冷指基本一致，残余物总重3.3mg，但冷板面积是冷指面积的10倍，因此也符合污染控制要求。

4）试验后对取样镜的化学分析表明取样镜上未检测到污染物。

1.2.3 污染控制经验

必须对污染敏感器件在其研制至发射的每一个阶段进行全过程防护，而不能仅仅依靠周围环境的洁净度来保证。污染烘烤除气和材料选用控制应该在设计阶段就考虑并加以研究。

1.3 哈勃太空望远镜

哈勃太空望远镜[7]（Hubble Space Telescope,HST）的宽视场相机（Wide Field Plane Camera,WFPC）是主要的光学系统之一。WFPC I 使用8个CCD，工作波长范围120～1100 nm。为了降低噪声和提高量子效应的稳定性，CCD 工作温度设置为-80℃；但是较低的工作温度以及缺少内部放气的排放通道，使得CCD 很容易受到内部器件的放气污染，影响其远紫外波段仪器的性能。

为监测其污染，将15 MHz 的TQCM、热偶规、光学取样镜等多种工具放置在内部一个平台上，朝向光学系统内部。在37 天的热真空试验期间，TQCM 维持在-20 ℃并获得了污染量数据。同时，还获得了真空容器及WFPC 内部的压力数据，CCD低温循环时147、250、410 nm 的光通量数据等。对这些数据进行分析发现，存在两种影响FUV 波段性能的污染物：一种污染物（大分子挥发物）的数量与电子仪器及外壳温度高低相关，当电子仪器工作温度低于8～10 ℃时，污染显著减少；另一种污染物（小分子挥发物）与热管温度相关，当热电制冷器热端温度低于-40～-50 ℃时，其污染显著 减小。

测试结果说明上述内部污染监测工具用处很 大。因为真空容器本身的数据并不能反映WFPC的情况，设备外表面的放气等会掩盖内部的放气情况，而TQCM 的数据提供了污染来源及可能影响仪器性能的污染物成分的信息，为后续采取何种补救措施提供了依据。

在热真空测试之后、WFPC 安装至HST 之前，对其进行了如下改进：

1）加入CCD 在轨除污染的功能，采用了66W的加热器可将CCD 温度加热到+10 ℃；

2）降低大分子挥发物的放气率，将电子设备的期望工作温度降低2～3℃。

1.4 詹姆斯·韦伯太空望远镜

詹姆斯·韦伯太空望远镜[8]（JWST）预计于2018年发射，主要任务是调查作为大爆炸理论的残余红外线证据，即观测今天可见宇宙的最初形态。其光学系统的工作温度范围为30～50 K，探测器的工作温度低于7K。

JWST 研制过程中需要进行大量的真空热试验，且试验时间长达30～90 d，因此真空热试验是其低温光学系统的主要污染源，尤其是在真空热试验结束后，系统从深冷温度复压、回温到常温常压环境的过程中，热沉上累积的污染物会释放并累积到温度相对较低的光学系统表面上。为控制这种累积污染量，提出了严格的复压回温程序，如表1所示。QCM 检测得到的试验期间总污染量为24Å。

表1 JWST 真空热试验的复压回温程序 Table1 Repressurization and temperature restoration procedure in thermal vacuum test of JWST

2 ESA 经验

设在比利时的CSL 是ESTEC 的光学载荷热真空试验中心。它有4 台真空环境模拟设备，即FOCAL1.5、FOCAL 2、FOCAL 5、FOCAL 6.5，设备均为热沉调温。它们都位于洁净度10000 级的洁净区域内，该区域面积650m2、高10m，带有两个风淋门（airlock），区域的温湿度都可控。

在FOCAL 5 外面、前述洁净区域内设置了层流、洁净度为100 级、容积500 m3的包裹区域，有两个风淋门用于员工进出。

下面介绍ISO 卫星试验时的污染控制措施[9]。

2.1 颗粒污染

污染控制要求为：每次测试中，颗粒污染物造成的遮蔽因子（obscuration factor）不得高于15×10-6。为达到该要求，定期用尘埃计数器测量空气中悬浮颗粒，并且在工作区的各个角落放置颗粒沉降采样器，每天进行计数。

对于100 级洁净区，理论颗粒沉降的速率是1.5×10-6/d。但这是针对尘埃的正态分布计算的。当多人使用较多设备时，上述关系失效。实际上，采取了一系列严格控制措施后的测试结果是3×10-6/d。控制措施包括：

1）对绝大部分设备进行真空清洁；

2）因在清洁金属表面时擦拭布容易掉落纤维，所以有限制地使用擦拭布；

3）使用Goretex 牌工作服，对穿衣方法也作了严格规定；

4）经常采用黑光灯检查设备表面以发现颗粒物；

5）真空热试验时，必须使用很低的抽气速度，避免容器中产生湍流，扰动残留颗粒物；

6）试验结束时复压使用HEPA 过滤器，复压速度应与抽真空一样。

2.2 分子污染

对于ISO 卫星来说，它采用低温制冷，因此其真空热试验污染控制要求为：一个完整的试验序列污染总量不高于2×10-8g/cm2。为此，采用一个取样板，与卫星经受相同温度环境来测试污染程度。试验达到了要求，主要是采用了如下措施：

1）对洁净间塑料墙壁进行化学清洗，清除挥发性塑化剂；

2）严格选择真空下使用的材料；

3）黑漆使用不带底漆的Chemglaze Z306；

4）润滑油只使用Fomblin Z25；

5）对加热和制冷过程进行详细分析，确保试件温度不是最低；

6）使用冷阱收集绝大部分污染物；

7）复压仅用清洁氮气（由液氮储槽供应并过滤）。

3 JAXA 经验

3.1 温室气体观测卫星

温室气体观测卫星[10]（Greenhouse Gases Observing Satellite,GOSAT）为一颗中型卫星，重1750kg、外形尺寸2.6 m×2.4 m×3.7 m，用于监测全球CO2和CH4的变化。它于2008年由H-IIA 火箭发射，运行于高度为666 km、倾角98°的太阳同步轨道，设计寿命5年。GOSAT 卫星的两个主要载荷为傅里叶变换光谱计（TANSO-FTS）和云层及气溶胶成像仪（TANSO-CAI）。TANSO-FTS 对地球反射的短波红外及地表热辐射进行探测，TANSO-CAI 用于对云层和气溶胶的干涉进行校正。仪器的主要探测波段为12 900～13 200,5 800～6 400,4800～5200,700～1 800cm-1。

光学系统观测得到的结果是微分吸收光谱，即要观测的是信号的变化，因此如果污染物有观测波段的吸收峰，就会造成严重后果。以前航天器的污染控制只是控制污染总量，而GOSAT 除需要控制污染物的总量外，还需要控制光谱特性。

3.2 真空热试验污染监测

GOSAT 卫星的热控星热试验在种子岛航天中心直径8 m 的环境模拟容器中进行。为监测光学载荷对应波段的污染退化情况，采用了镀金和ZnSe两种取样板，取样板的温度控制在273 K，为热分析得到的光学平台的最低温度。ZnSe 采用铝板和薄膜加热片控温。如图3所示，2 只TQCM 和8个取样板安装在支架上并朝向卫星，还有5 个取样板安装在测试平台下的冷板上作为参考。

试验中热沉温度保持在-195 ℃，真空度1.0× 10-5Pa。TQCM 的温度和频率曲线如图4所示。可以看出，TQCM 没有明显的污染累积。而控温在273K 的取样板在监测波段内也没有明显的透过率或反射率退化。控温在100K 的ZnSe 取样板其透过率有明显退化，不过在室温环境下，其污染物很快挥发，透过率基本恢复到没有污染的水平。因此，试验证明卫星设计满足污染控制要求。

图3 GOSAT 真空热试验中污染监测仪器安装方式 Fig.3 Contamination monitoring devices and its installation in thermal vacuum test of GOSAT

图4 GOSAT 的污染测试结果 Fig.4 Results of contamination monitoring of GOSAT

4 结论及建议

污染效应是空间光学系统性能和寿命的重要影响因素之一，而真空热试验是空间光学系统经受污染最为严重的阶段。虽然目前已有较多的污染控制经验及手段，但仍未形成完善的真空热试验污染控制方法体系，不能完全满足空间光学系统污染控制需求。国外真空热试验模拟手段与我国不尽相同，大多采用热沉调温模拟外热流，而我国采用红外灯阵或加热笼来模拟，热沉为冷背景。因此，应在借鉴国外经验的基础上，针对我国实际情况分析制定污染控制措施。我们认为，在以下方面仍需加强研究：

1）真空热试验过程中污染控制

当空间光学系统直接暴露于污染传输路径时，应在传输路径上采取遮挡控制措施（如冷阱[9]、分 子吸附器[11]），避免污染物的直接视线传输所造成的大量污染。

2）复压回温过程污染监测与控制

真空热试验结束、热沉回温复压过程中，试验中被吸附的污染物从热沉大量脱附，沉积至温度仍较低的污染敏感表面，可能产生严重污染。另外复压过程中的气流可能引起颗粒物扰动，产生颗粒污染。因此应对复压过程中的污染监测与控制进行分析研究。

在复压过程中，应采用控温低于230K 的QCM对复压过程中的污染变化情况进行监测，了解污染物运动规律；还应建立原位颗粒污染监测方法。通过对试验数据的分析，建立复压过程污染控制规范。

3）污染物成分分析

目前仅采用气相色谱质谱连用方法分析污染物成分，测量方法单一且操作较为复杂，成分鉴别所需时间较长。应探索其他成分分析方法，如红外光谱成分分析方法[12]。

4）污染效应测试分析

污染效应测试主要是测试一定量的污染造成的光学系统透过率损失，目前存在的问题是污染量和污染效应测量数据之间的相关性较差。对污染效应测试分析方法的改进建议如下：首先，建立可控温的光学透过率损失测试装置，保证其温度状态与测试污染总量的QCM 相同；其次，设计用于电子显微镜观察污染物形态的取样板，对污染物形态进行分析，排除由于污染膜不均匀导致的光学试片透过率损失测量不准确的可能性；再者，星上光学系统有可见光、红外两个主要波段，红外波段同样容易受污染影响，并且除了分子污染，还有颗粒污染影响，应针对红外波段光学系统补充红外波段污染效应测量方法，以更有针对性地反映污染效应。

（References）

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[2] 焦子龙,庞贺伟,易忠,等.航天器真空热试验污染物成分分析[J].航天器环境工程,2010,27(6): 711-714 Jiao Zilong,Pang Hewei,Yi Zhong,et al.Composition analysis of contaminant in thermal vacuum test for spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering,2010,27(6): 711-714

[3] 刘天雄,罗成,朱剑涛,等.热真空试验中分子污染敏感单机的失效机理及对策[J].航天器工程,2014,23(1): 47-52 Liu Tianxiong,Luo Cheng,Zhu Jiantao,et al.Failure mechanism and countermeasure of unit sensitive to molecular contamination in thermal vacuum test[J].Spacecraft Engineering,2014,23(1): 47-52

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[12] 焦子龙,裴一飞.利用红外光谱法分析卫星污染物成分[C]∥中国航天第十专业信息网暨五院科技委环境工程与可靠性专业组2012年学术交流会论文集,2012: 116-119