空間環(huán)境污染對空間制冷器的影響

　　空間環(huán)境染污對航天器的影響是目前高可靠長壽命航天器設計時非常重要的問題之一。對于觀測衛(wèi)星、天文衛(wèi)星、監(jiān)測和跟蹤衛(wèi)星等航天器，低溫探測器、低溫光學系統(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械制冷器的低溫熱負荷增加10%～20%，導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，討論了一些與污染有關的物理現(xiàn)象�？刂瓶臻g機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行隔離�？刂戚椛渲评淦魑廴疽獜牡孛骈_始，在安裝、裝配、試驗及與航天器集成過程中都要在清潔環(huán)境中進行。真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為控制污染的方法是正確的結(jié)構(gòu)設計，并必須盡量減少輻射制冷器對污染的敏感性。

　　引言

　　航天科技的發(fā)展，航天器在軌壽命的大幅延長，對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影響航天器及相關部件的可靠性和應用目標質(zhì)量，國內(nèi)外已開展了大量研究工作，以獲得有效控制污染的措施。保障航天器能正常運行和順利完成飛行任務。

　　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)動機不完全燃燒物和地面生產(chǎn)活動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。污染對航天器的影響主要體現(xiàn)在光學儀器、溫控涂層、空間制冷器、太陽翼等部件，會影響其熱光學性質(zhì)，嚴重時會影響航天器的性能。

　　空間環(huán)境因素，尤其是在陽光照射或其他高能輻射的作用下，會使敏感表面產(chǎn)生光化學反應。紫外輻射對污染的固結(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，對敏感表面帶來嚴重影響。

　　空間制冷器主要任務是為航天器應用的各種低溫探測器、超導器件、低溫電子器件及低溫光學器件提供穩(wěn)定和可靠的低溫條件，保證其獲得良好的工作性能。空間制冷器在多個領域和多項空間任務中發(fā)揮了重要作用。在低溫電子學和通信、地球觀測和氣象衛(wèi)星、空間監(jiān)視和彈道導彈防御系統(tǒng)、空間大型磁體的冷卻、載人空間站和火星探測任務中都使用空間制冷器作為冷源。在空間天文學、空間物理學、月球和行星科學、空間生命學、微重力科學研究中相繼發(fā)射的各種空間望遠鏡、空間探測器都使用了空間制冷器冷卻的低溫探測器或低溫光學系統(tǒng)。因此空間制冷器的可靠性關系到航天器和空間任務的成敗。機械制冷器是通過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；輻射制冷器是通過與冷空間輻射換熱而獲得冷量的。輻射制冷器外表面和機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)境污染對空間制冷器的影響及污染的控制。

1 、污染對輻射制冷器的影響及污染控制

　　1.1、污染對輻射制冷器的影響

　　輻射制冷器外表面的作用像冷阱，會凝結(jié)圍繞在航天器和儀器在大氣中吸附的污染物。因為輻射制冷器表面工作低于150 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。污染不僅能導致輻射制冷器升高溫度，而且會造成被冷卻器件或光學系統(tǒng)失效。結(jié)構(gòu)設計中防污染問題非常重要。

　　用于輻射制冷器內(nèi)的光學器件比發(fā)射體表面或相互面對面的表面更容易受到污染，因為傳輸器件比反射器件對污染更敏感。中度污染對金屬紅外反射率的影響可以忽略，但嚴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。

　　每個航天器和儀器都會攜帶自身的大氣進入軌道，這個大氣中占主導地位的是水蒸氣，然而也可能是作為推進劑副產(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)，冰往往在紅外波長吸收，而在可見光波長會散落。

　　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空間輻射發(fā)射(發(fā)射率0.92 或更高)。由于經(jīng)過發(fā)射器的發(fā)射，在發(fā)射器表面冰的形成不明顯，對于100 K的發(fā)射表面，冰的熱傳導率為0.06 W/cm·K。對于40 μm厚的冰，通過冰層的溫度下降約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。對于輻射制冷器冷表面，污染的影響特別嚴重，污染氣體凝結(jié)的可能性明顯增加，因此污染控制問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污染的敏感性最小化、污染被控制。因此污染要遠離光學表面，否則會在表面凝結(jié)并降低儀器性能；

　　(2)在制造、裝配、試驗及集成中，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)級試驗和航天器與儀器集成任務完成后，都要清潔外表面和各敏感表面(即發(fā)射表面、光學太陽反射板瓦片和鏡面屏蔽)，應在盡可能接近發(fā)射時進行清潔工作，用以保證光學系統(tǒng)的性能；

　　(3)正確設計輻射制冷器，發(fā)射后光學器件應該保持足夠高的溫度，在發(fā)射后最簡單的控制污染環(huán)境的方法是對全部光學器件出氣和去污。發(fā)射后光學器件應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間減少。典型分配最初在軌時間是30天，有這樣足夠的出氣時間，這將使航天器出氣減少到不會在敏感表面有凝結(jié)。輻射制冷器應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。應被認為是一個備份解決方案。

　　控制污染的主要方法是正確設計輻射制冷器。外部熱控制表面，像光學太陽反射鏡片、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，實際的最低限是150 K。這個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)部的被冷卻的光學器件應該永遠不要暴露在比其自身溫度高的大氣中。保護被冷卻的光學器件的一種方法是設置一個冷阱，該冷阱冷凝溫度低于光學器件的溫度。另一種方法是加熱光學器件(主動或被動方法)到環(huán)境溫度或略高于環(huán)境溫度；

　　(5)正確設置輻射制冷器的出口通路。輻射制冷器的出口通路應設計成使產(chǎn)生的出氣直接放到太空。光學窗口應該用于輻射制冷器級和輻射制冷器溫暖級之間，面對周圍的儀器。一旦最初在軌出氣時期完成，并且輻射制冷器已冷卻下來，排氣通路將成為污染入口。光學器件周圍增加冷阱用于降低進入的水蒸氣溫度和冷光學元件溫度。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的污染物進入輻射制冷器；

　　(6)正確選擇輻射制冷器各級材料。應盡量避免材料的聚合反應。如果可能時，多層絕熱材料和聚酰亞胺在輻射制冷器內(nèi)應避免使用。輻射制冷器各級內(nèi)可以使用環(huán)氧玻璃，因為其留不住水，如果有機材料允許聚合到發(fā)射表面，輻射制冷器的性能也會降低。

　　當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200 K往往會使表面上的分子停留很短的時間。在任務的最初幾個月大量的圍繞航天器和儀器大氣內(nèi)的污染物會出現(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光。遮蔽方法可以用可展開或自動關閉的覆蓋件完成，覆蓋件實際上減少了出氣需要的加熱功率或允許到達較高的出氣溫度。

　　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源。聚酰亞胺也保留水分，其飽和溫度是152 K，因此不會用低于152 K的光學器件。對聚酰亞胺進行烘烤是無效的，因為這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，輻射制冷器各級最好的材料是環(huán)氧玻璃，因為其留不住水。

　　如果允許有機材料聚合到發(fā)射表面上，輻射制冷器的性能也會降低，聚合的結(jié)果會增加外部非黑色熱控制表面(比如光學太陽反射板瓦片和鏡面屏蔽)太陽能吸收率，一旦聚合反應發(fā)生，污染是永久的和不能被加熱去除。航天器或儀器內(nèi)部大量有機物(碳氫化合物)的擴散會導致聚合反應的發(fā)生，靜電回歸過程是造成有機材料聚合反應的原因，靜電回歸過程允許污染現(xiàn)場非線性傳播，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檢查，要保證不能直接看到關鍵光學器件或敏感的熱控制表面。在太陽紫外線存在附近的表面會導致聚合產(chǎn)物沉積在表面上，材料的聚合反應是與污染物的蒸氣壓或表面溫度無關。當表面沒有暴露到紫外線時，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入射太陽光的散射中心。當散射中心停留在鏡屏蔽表面，從冷級(低于150 K的冷級)可以看到時，會產(chǎn)生熱負荷，這會導致冷級不正常的熱平衡。幸運的是用于控制冷凝和污染物聚合的措施有助于控制太陽光散射。當鏡面屏蔽直接承受太陽光照時，屏蔽配置需被設計為對冷級形成高散射角，用這種方法設計屏蔽可以使被散射太陽光在冷級上造成的熱負荷最小化。

2、污染對空間機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發(fā)射率和輻射熱負荷的影響

　　在討論污染對空間機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的物理現(xiàn)象，這包括污染薄膜厚度和污染沉積速率問題。

　　(1)污染薄膜厚度對發(fā)射率的影響

　　非常薄的污染氣體沉積膜能嚴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，在初級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，當薄膜厚度增加到大于20 μm時，發(fā)射率達到1。

圖1 拋光不銹鋼在77 K時的發(fā)射率與不同冷凍氣體薄膜厚度關系圖

4、結(jié)束語

　　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源。輻射制冷器為控制污染，在地面組裝、裝配以及試驗和航天器與儀器集成任務中都要在清潔室環(huán)境完成，都要清潔外表面和各敏感表面(即發(fā)射表面、光學太陽反射板瓦片和鏡面屏蔽)，應盡可能接近發(fā)射時進行清潔工作，用以保證光學系統(tǒng)的性能。

　　在發(fā)射后最簡單的控制污染環(huán)境的方法是對全部光學器件出氣和去污。在軌30天后再啟動輻射制冷器，為此必須帶有防污門，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，應被認為是一個備份解決方案�？刂莆廴镜闹饕�方法是正確設計輻射制冷器。

　　控制污染的方法是使輻射制冷器對污染的敏感性最小化，污染遠離敏感表面。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)部的被冷卻的光學器件應該永遠不要暴露在比自身高的大氣中。保護被冷卻的光學器件的一種方法是設置一個冷阱，該冷阱冷凝溫度低于光學器件的溫度。輻射制冷器的出口通路應設計成使產(chǎn)生的出氣直接放到太空。

　　輻射制冷器各級最好的材料是環(huán)氧玻璃，因為其留不住水。敏感表面要避開紫外線，當表面暴露到紫外線時，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檢查，要保證不能直接看到關鍵光學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計和與航天器合理的匹配。

　　空間機械制冷器為控制污染已深入研究了在空間的污染問題和污染對低發(fā)射表面的影響。然而有關水的有效分壓和多層絕熱對水膜集結(jié)敏感性的合適值等參數(shù)，只能依據(jù)在試驗或任務中已被驗證的制冷器參數(shù)。這些參數(shù)可用于預測空間機械制冷器的壽命。對于典型的總熱負荷1 W量級的空間機械制冷器，由于低發(fā)射率表面污染使制冷器熱負荷增加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荷增加問題，必須定期加熱低溫表面用以蒸發(fā)污染物，這種熱循環(huán)對系統(tǒng)是有影響的。為保證長期無障礙工作，在去污循環(huán)期間必須保證制冷器足夠的余量，制冷器需要適當加大尺寸以適應增加的熱負荷。減少或消除空間制冷器在軌污染的影響將是空間應用中重要的研究課題。