某科学试验卫星对热真空试验设备及试验区域洁净度控制要求分析

摘  要：为确保卫星的使用寿命，对于卫星上的各种敏感元件以及各种仪器都有非常严格的要求。但是影响卫星寿命的不仅仅是这些元器件自身的性能，还有各种外部的污染帶来的严重影响。为此，需要对卫星的污染源、污染等级以及洁净度进行深入的研究，为延长卫星寿命提供借鉴。本文对某科学试验卫星的污染源和污染等级进行了分析，提出在其研制过程中，尤其是进行热真空试验前后，需要对热真空试验设备及试验区域的洁净度提出更高的要求。

关键词：科学试验卫星;热真空;洁净度

中图分类号：P715.6       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）18-0035-03

Abstract：For all kinds of sensitive elements and instruments on satellite，the requirements are very strict. Only in this way can the service life of satellite be ensured. But it is not only the performances of these components that affect the life of satellites，but also various external contamination will bring about very serious effects. Therefore，it is necessary to study the pollution sources，pollution levels of satellites in order to provide reference for improving the life of satellites. In this paper，the pollution sources and pollution levels of a scientific test satellite are analyzed. It is pointed out that in the process of its development，especially before and after the thermal vacuum test，it is necessary to put forward higher requirements for the cleanliness of the thermal test equipment and the test area.

Keywords：scientific test satellite;thermal vacuum;cleanliness

0  引  言

随着卫星使用寿命的增长，卫星对卫星上敏感元件和各种仪器的要求更为严格。除这些元件和仪器本身的性能直接影响卫星寿命外，卫星受到的外部污染也是限制卫星寿命的基本因素。

卫星受到的污染来自卫星全寿命周期的每一个步骤，包括发射前的制造、试验、拆装和贮存、发射、爬升以及轨道运转等各环节，如图1所示。发射前的制造、试验、拆装和贮存将在卫星总装和试验厂房进行，为了保证科学卫星对污染敏感产品的安全性，本文重点对地面阶段卫星热试验的洁净度提出了具体要求。

1  污染源和污染等级分析

洁净度等级主要与分子污染物（MOC）和颗粒污染物（PAC）有关。卫星产品表面和相关环境都可以定义洁净度等级。相关环境可以是洁净室、试验装置和空间环境。光学仪器对污染物都很敏感，尤其是科学试验卫星的光学仪器对污染要求更严格。我们通常将污染物分为两类：颗粒污染物和分子污染物。

1.1  颗粒污染物

颗粒污染物是指不同大小的聚集物，包括灰尘、气溶胶、烟雾颗粒等，颗粒污染物对卫星的光学仪器有两方面的影响：一是减少仪器聚光面积，影响仪器响应效率;二是产生散射光，增加仪器杂光，降低成像质量。

粒子是可见的（μm-sized）、有形状的物质沉积到表面暴露于环境的小颗粒。从通俗意义上讲，它们只不过是“灰尘”。粒子是环境的自然组成部分，把一个粒子模拟成任意大小的球体，我们可以看到灰尘对产品表面的影响是双重的，如图2所示。

颗粒污染物可能来自自身，也可能来自外部周围环境。来自自身的可能性包括：金属结构件腐蚀产生的颗粒;结构件加工残留的颗粒;附着在部件上、装调与测试时掉落的灰尘;喷漆、镀膜等振动时掉落的颗粒等。来自外部的颗粒物污染源可能有：加工、装配及测试时空气中颗粒物的沉积;来自人体及衣饰的掉落;来自包装的颗粒掉落;静电效应吸附的颗粒;真空试验时来自真空系统的颗粒;卫星测试和在轨时来自卫星与其他载荷的颗粒等。

1.2  分子污染物

分子污染物是指各类有机化合物：包括碳基化合物、硅化合物、水蒸气、油脂类化合物等。分子污染物对光学仪器也有两方面的影响：首先，分子污染物本身吸收光子;其次，分子污染物在UV光照耀下发生光化学作用，生成有机聚合层，强烈吸收真空紫外和软X射线光子。这种光化学作用对太阳真空紫外、软X射线观测仪器的危害是致命的。

分子膜效应分析：设想一束光线照射在表面上，表面被设计成部分反射和部分透射。如图3所示，能量守恒要求被反射回空间的总能量R，被表面A吸收并通过表面T传输，等于入射能量I，图中粗线表示入射的能量，细线表示损失后的能量，x表示分子膜的厚度，对于归一化能量，得到：ρ+α+τ=1。这里ρ=R/I是反射率，α=A/I是吸收率，τ=T/I是透过率。

分子污染物可能来源于其自身，也可能来源于加工、集成、测试、工作时的环境。来源于自身的污染物包括仪器自身选择材料的排气，包括金属部件腐蚀后排气，非金属材料排气等。来自仪器外部的污染物包括：加工、集成、储存、测试时大气分子污染物的附着;真空环境测试时真空系统排气污染物的附着;在轨时卫星及其他载荷排气及喷射物的再沉积等。

1.3  颗粒物等级和洁净室分级

在洁净空间里每立方米粒子数作为从0.1μm到0.5μm直径的函数，其对应的级别在FED-STD-209E标准中进行了说明。FED-STD-209E完全适用于洁净室和洁净区域的空气传播微粒洁净度分类。

空气中的颗粒物等级与颗粒物沉降物之间的相互关系，可以通过概率计算进行推导，由于操作环境的多样性，欧洲空间元器件协调委员会（ESCC）没有给出空气中的粒子和PFO（Particle Fall Out Photometer Mk5）之间准确的数学关系式，但在对不同洁净室进行的数次测量的基础上，ESCC给出了洁净室空气传播粒子和PFO之间的相互关系，对预期的PFO有指示作用，也是我们按载荷对颗粒物污染容忍度选择测试、试验环境的依据。

1.4  分子污染物等级和指标定义

（1）可说明种类（如硅树脂）以及总等级。

（2）洁净室仪器表面上的分子等级一般以单位面积上的质量（即g/cm2）来表达。以g/cm2为单位的表达分别在单层和可见等级3×10-8g/cm2和1×10-6g/cm2之间变化。

（3）实际要求取决于应用和温度。

（4）典型情况是光学仪器，屈光度数量（光表面数量）很重要。对紫外光学设备，人们已知要求非常严格，因为入射辐射会引起污染物的聚合（主要是炭）。

（5）MOC的验收等级根据分析确定，而且考虑到了以上关键参数和能接受的性能损失。

（6）规定的等级一般与测量有机污染等级的方法有关。

（7）规范可根据非挥发性残留物（NVR）来确定。NVR以在（大）面积上的真实质量单位量度。

（8）液态系统（冷却和推进系统）NVR的验收等级一般≤1×10-7g/cm2。

通过调研，在ESCC对于地面设施、洁净室的要求是该区域里的一个关键表面在连续一个星期的周期内受到的污染不超过5×10-8g/cm2，推导到每天的污染沉积要求应为不超过1×10-8g/cm2，国内某所洁净室的要求是每天不超过1×10-6g/cm2。结合某科学试验卫星载荷敏感面对分子污染物容限的要求，选择ESCC指标作为厂房及试验设备分子污染物指标，即每天的污染沉积要求不超过1×10-8g/cm2。

2  某科学试验卫星对洁净度需求分析

某科学试验卫星的FXT载荷将使用镍镀金Wolter-1型多层嵌套X射线聚焦镜。灰尘和油污都会影响X射线聚焦镜的有效面积和角分辨等关键参数，据此卫星用户提出FXT使用的聚焦镜地面试验阶段对表面分子污染物最大容忍量为8×10-8g/cm2，颗粒物的最大容忍度是150ppm。在卫星总体进行FXT安装、调试、热真空试验期间，需要优于10000级洁净间并配备持续吹氮设施，保证FXT洁净度。

考虑后续某科学试验卫星聚焦镜飞行件在卫星总装厂房更换的方案，聚焦镜更换期间其不可避免地需要和空气接触（平时处于持续吹氮保护），由ESCC洁净间测试结果可知10000级厂房每天的污染量是52ppm，扣除聚焦镜在地面其他试验环境受到的污染量，在10000级厂房更换聚焦镜存在污染容限超标风险，这个过程是不可逆的。因此，聚焦镜更换期间的污染累计应尽量降低，聚焦镜更换时需考虑在10000级厂房搭建小范围1000级临时洁净区间（每天污染量10ppm）的可能，可以大大降低污染超标的风险。

对热真空试验设备及试验区域技术要求如下：

（1）罐内洁净度要求。真空试验前罐内污染物的控制指标：

1）分子污染≤1*10-8g/cm2（空载24小时累计）。

2）洁净度等级优于10000级。

（2）罐外洁净区洁净度要求。卫星及其产品、仪器、工装等需经清洁、除尘、风淋等处理后方可进入罐外洁净区。

罐体外分为卫星热试验操作区、卫星存放操作区两部分，热试验操作区达到10000级洁净，外部存放与操作区达到100000级洁净，二者隔离。

1）外部存放与操作区环境技术要求。外部存放与操作区前期可用于卫星平台总装、测试，后续载荷抵达后，光学有效载荷等对地面环境有特殊要求的产品在从专用包装箱取出、准备进入卫星热试验操作区前，外部存放与操作区厂房的环境保障条件必须满足以下规定的技术条件：

①洁净度：100000级。

②温度：20℃±5℃。

③湿度：30%～60%（20℃时相对湿度）。

④非挥发性残留物：<1×10-8g/（cm2·24h）。

2）热试验操作区内主要用于载荷仪器的装配、调试及整星测试：

①洁净度：10000级。

②温度：20℃±3℃。

③湿度：30%～60%（20℃时相对湿度）。

④非挥发性残留物：<1×10-8g/（cm2·24h）。

⑤气压：洁净厂房保持正压。

3）测试验收方法：

①石英晶体测试，石英晶体微量天平测量分子污染，主要用于真空罐内的污染监测。

②PFO，验收粒子污染，在不同的位置放置测试片，试验后，送入仪器测量分析。

4  結  论

综上分析，上述科学试验卫星在卫星的总装、集成、测试及热真空试验前后，为了确保尽量减少外部污染，增长卫星的使用寿命，对于通信、导航卫星，对热真空试验设备及试验区域的洁净度提出较高的控制要求是必要的。

参考文献：

[1] 宫颖，潘腾，杜洁.低轨遥感卫星长寿命设计研究 [J].质量与可靠性，2018（5）：27-30.

[2]赵海涛，杨慧，熊笑.多机理下的卫星寿命预测方法与应用 [J].中国空间科学技术，2018，38（4）：76-83.

作者简介：王彦博（1976-），男，汉族，河南商水人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：国家科研单位的基建项目管理、资产管理和卫星研制条件保障。