卫星真空烘烤试验方案及验证

朱剑涛，刘 晨，刘天雄

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

0 引言

卫星星内使用了大量非金属材料，如各种黏结剂、热控涂层、绝缘材料等。该类材料在真空热环境试验初期阶段会大量放气，从而使星内压力升高，可能出现局部低气压。在该环境下，若大功率射频传输组件处于工作状态，极易发生电晕放电或弧光放电现象，导致设备烧毁。同时，挥发出的有机分子可能凝结在组件内部触点上，导致接触电阻变大，可能引发微放电现象。

卫星热真空试验一般在试验设备的真空、低温背景（即容器真空度优于1.3×10-3Pa，热沉温度＜100 K）建立后开始，不充分考虑非金属材料的放气行为将使星内真空度滞后于容器真空度，存在导致敏感设备发生低气压放电等安全隐患。

因此，针对星上非金属材料真空热环境下的出气现象及其所导致的危害，有必要在真空热试验前采取措施，降低非金属材料在热真空试验中大量出气及产生分子污染的程度，避免对设备造成危害。

1 非金属材料出气、凝结特性及其影响

1.1 出气速率分析

在真空环境下，由于外部浓度降低，非金属材料内外部浓度失去平衡，导致气体逸出，其出气速率为[1-2]

式中：A、E为非金属材料特性参数；R为气体常数；T为材料温度；t为出气时间；n(T)为时间t的放大因子，是材料温度T的线性函数，一般在1～2之间。

根据式(1)可知，星上材料的出气速率受温度、时间影响，与温度呈指数关系，与时间呈幂函数关系。随着温度升高，出气速率升高，星内压力升高；随着时间增加，出气速率降低，星内压力降低。

国内外对非金属材料的研究结果表明，在某一温度下，材料出气 6～8 h之后，其出气速率趋于稳定（如图1所示），国内某天线热真空试验中出气现象的实测数据也进一步证明了该特点（如图2所示）。

图1 某非金属材料出气速率与时间的关系Fig.1 The curve of the out gassing rate of nonmetal materials

图2 国内某大型天线热真空试验期间真空度曲线Fig.2 The container vacuum of an antennae thermal vacuum test

1.2 凝结特性

可凝挥发物凝结速率由非金属材料的出气速率、非金属材料出气表面到凝结表面的几何因子及黏结系数决定，其中黏结系数与挥发物性质、凝结表面温度等有关，凝结量[3]为

式中：A0(T1)为非金属材料在温度T1下的出气总量；T2为凝结表面温度；x1,x2,…分别表示凝结表面物性、表面结构等因素；t为凝结时间。

根据式(2)可知，当凝结表面等因素一定，凝结时间趋于无穷大时，凝结量仅与凝结温度有关。研究结果表明，当凝结温度＞298 K（即25 ℃）时，凝结量随温度的变化趋于稳定，受温度影响较小[10]，如图3所示。

图3 某非金属凝结量与温度的关系曲线Fig.3 The relationship between condensation and temperature

1.3 影响分析

卫星上使用大量的非金属材料（如电缆塑料绝缘层、导热硅脂、硅橡胶、塑料扎带、胶带、复合材料树脂基体、黏结剂等）以满足卫星总装、热控等需求。在整星真空热试验初期，上述非金属材料必然出现大量出气和污染物凝结现象。非金属材料的出气会使星内压力升高，形成局部低气压环境，导致对压力敏感设备（如大功率微波射频组件）发生低气压放电现象，进而引起设备功能、性能下降，严重者致设备烧毁。非金属材料出气产生的污染物将在较冷的表面重新凝结并形成污染，一般称为可凝挥发物，其以单分子形式出现，因此又称为分子污染，严重时导致设备功能、性能下降。

某系列卫星按照一般热真空试验流程开展整星级热真空试验，连续多次出现大功率微波开关温度异常升高并伴随着输出功率下降。对问题开关进行解剖后发现其内部触点已烧蚀。经问题排查与分析认为：星内非金属材料在热真空环境下大量出气，在微波开关附近出现了局部低气压环境，期间开关加电工作造成低气压放电；同时，由于开关附近使用了大量导热硅脂等非金属材料，在真空热环境下，硅脂出气所产生的分子污染未充分挥发到星外，而是凝结在大功率开关内部触点上，使得触点的接触电阻变大，进而引发微放电现象，导致开关烧毁。

洛克希德·马丁公司在其地球静止轨道通信卫星的研制中[4-5]，为了避免星上因非金属材料出气导致超高频转发器以及高电压设备发生低气压放电现象，对设备工作时的星内真空度要求必须优于1.3×10-2Pa。而在该公司实际试验中，为保证星内设备具有足够的安全余量（20%以上），一般在真空度优于1.0×10-2Pa时，才允许UHF转发器等大功率射频组件工作。

因此，应在整星热真空试验中采取真空烘烤措施，消除非金属材料出气、凝结特性对星上敏感设备的影响。

2 真空烘烤试验的国内外实施现状

2.1 国外实施现状

真空烘烤试验是卫星地面加速非金属材料出气、防污染的有效控制方法，并在航天器研制中被广泛使用，是一项重要的试验技术。在许多国外相关试验标准中都强调了真空烘烤试验的必要性和重要性。

GSFC-STD-7000[6]对试验中非金属材料放气提出了明确要求：“在航天器热真空试验期间应该增加易挥发材料的放气时间，该时间应该在高温阶段并且通过高温循环的方式进行。”

PD-ED-1233[7]建议：“航天器热真空试验中可进行为期3天的高温烘烤试验。”

ECSS-E-10-03A[8]提出：“热真空试验开始时，为加速卫星放气和防止后续热暴露中压力升高，建议首先进行高温试验。”

NASA戈达德航天飞行中心（GSFC）在1996年共进行了 392次热试验，其中系统级烘烤试验103次，高度敏感设备烘烤放气试验115次。可见，真空烘烤已成为最主要的真空环境试验[9]。图4为Large Area Telescope（LAT）[10]在热平衡/热真空试验前进行了高温45 ℃、时间为72 h的真空烘烤试验，以促使LAT内部的材料充分挥发、放气，防止后续试验中逸出气体对LAT的工作造成影响。

图4 LAT真空烘烤试验及热平衡/热真空试验剖面Fig.4 The section of vacuum bakeout test,thermal balance test and thermal vacuum test of LAT

综上所述，真空烘烤试验已在国外系统级试验标准中有明确要求，不同的航天器可根据其自身特点对试验进行剪裁，以加速非金属材料放气，避免后续试验中对敏感设备造成危害。

2.2 国内实施现状

目前国内卫星在真空烘烤试验方面还未充分开展研究，试验标准也未对航天器系统级真空烘烤试验提出要求。如GJB 1027A—2005[11]等标准作为卫星热真空试验的执行依据，尚未对星内的非金属材料在试验中的放气时间、危害、卫星内部真空度等做出说明。文献[9,12]等仅要求试验设备进行真空烘烤出气、净化处理等，其中净化处理包括了清除、清洗剂清洗等，但未对卫星及航天器做出相关要求。

针对目前卫星热试验敏感设备对真空度及污染控制等要求不断提高的现状，有必要对卫星进行真空烘烤，改善星内真空度，降低污染累积。同时亟待真空烘烤试验的研究及其相关标准的制定。

3 真空烘烤试验方案

3.1 试验剖面

根据非金属材料出气特性可知，在热真空试验前期，高温烘烤有利于星上非金属材料放气，从而避免热真空试验阶段由于非金属材料出气使星内压力升高。

根据非金属材料的凝结特性，为防止有机分子大量凝结在敏感设备上或其他非敏感处，试验应增加高温到常温的过程。

因此，试验采取高温+高温到常温试验方式，促使非金属材料挥发、放气。试验剖面如图5所示。

图5 某卫星真空烘烤试验及热真空试验剖面图Fig.5 Profile of vacuum bakeout test and thermal vacuum test of a satellite

3.2 试验温度

真空烘烤试验的温度一般不高于卫星所经历的最高温度。因此，真空烘烤试验中高温温度取热真空试验高温温度，即45 ℃。由1.2节分析，为使非金属材料在星上设备的凝结量变小，试验期间设备温度应在25 ℃（298 K）及以上。因此，试验中设备低温取25 ℃（即常温）。

3.3 保持时间

由1.1节非金属材料及某天线组件的试验结果可知，非金属材料在某一高温温度下 6～8 h内出气量趋于饱和。因此，将高温烘烤试验定为24 h。高温停留24 h后，高温到常温时间为48 h，使星内气体充分挥发到星外，降低星内压力。

3.4 试验压力

根据目前国内卫星系统级试验对试验设备的压力要求、国外类似设备的真空度要求，试验中星内压力应≤6.65×10-3Pa。

4 试验验证

某型号卫星按照上述试验方案在热真空试验前先补充进行了真空烘烤试验，下面将对星内真空度、污染量进行分析，说明真空烘烤试验的作用。

4.1 星内真空度

试验中，在星内射频传输组件附近安装热阴极电离真空规，实时监控该区域真空度，确保星内压力满足要求。图6为真空烘烤阶段、热真空试验第一循环高温阶段的星内真空度，由图可看到：

1）真空、低温背景建立时星内真空度为1×10-2～3×10-2Pa量级，与要求相差1个数量级，大大超出了GJB 1027A—2005规定的射频组件加电前真空度优于10-2Pa的要求。若此时星内射频传输组件加电工作，则有可能发生低气压放电现象。

2）通过真空烘烤试验，有效改善了星内真空度，达到了5.5×10-4Pa；后续试验中星内压力最大为2.0×10-3Pa，完全满足设备使用要求（≤6.65×10-3Pa）。

上述结果表明，烘烤试验有效降低了星内压力，使星内真空度达到设备工作要求，确保了设备的使用安全。

图6 星内、外真空度与温度的关系曲线Fig.6 The curve of vacuum inside and outside the satellite

4.2 星内污染量

试验中，在星内大功率微波开关附近安装了石英微量天平，实时监控星内污染物累积量。图7、图8为整个热试验期间星内、外污染量参数，由图可看到：

1）在升温和高温停留过程中，可凝挥发物的凝结量在增加，且随着试验的进行，其增加量越来越少。说明经过真空烘烤试验，星上非金属材料得到了挥发、放气，对后续试验的影响降低。

2）在高温到常温静置以及第一、二循环高温转低温过程中，星内凝结量在单位时间的增加量相比其他循环转低温工况的要大。说明在试验开始阶段非金属材料放气量较大。

上述结果表明，试验前期，非金属材料的出气量大，污染量也增加。因此，通过高温到常温的真空烘烤试验，可使星内污染物大部分被真空系统抽走，凝结部分较少。

图7 烘烤试验中污染增加量与温度曲线Fig.7 The augment of contamination vs.temperature in bakeout test

图8 试验中污染量与温度曲线Fig.8 The contamination vs.temperature in test

4.3 射频组件工作状态

在完成真空烘烤试验后，星上射频组件加电工作，射频组件工作状态良好，未出现以往温度异常升高、输出功率下降的现象，整个热真空试验过程中射频组件工作状态、性能参数均满足要求。

5 结束语

本文通过对星上非金属材料的挥发、凝结特性及其影响的分析，针对国内某系列卫星因非金属材料出气、凝结特性导致的星上敏感设备烧毁现象，结合国外卫星系统级试验标准及热试验方案的分析，提出了卫星真空烘烤试验方案及其参数要求。验证试验表明，经过真空烘烤试验，有效改善了星内真空度，使星内真空度满足设备的使用环境要求，降低了星内污染量，确保了卫星安全。证明该方案合理可行，可供该类卫星真空烘烤试验参考，同时可为真空烘烤试验相关标准的制定提供依据。

（References）

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[11]国防科学技术工业委员会.运载器、上面级和航天器试验要求: GJB 1027A—2005[S].北京: 国防科工委军标出版发行部,2006: 18-26

[12]中华人民共和国航空航天工业部.卫星热真空试验污染控制方法: QJ 2321—1992[S],1992