本文利用石英晶體微量天平(QCM)監(jiān)測某衛(wèi)星內部真空熱試驗過程中污染物的沉積量；并用氣相色質譜聯(lián)用儀分析星內污染物的成分，為鄰苯二甲酸酯類和硅氧烷類物質，主要來源于星用電纜和導熱硅脂等粘結劑。結合污染物的成分及衛(wèi)星污染物來源，提出了在真空熱試驗中減少污染物的方法。

　　隨著空間技術的不斷發(fā)展，人們對航天器的可靠性、使用壽命等要求越來越高。航天器的污染對其光學性能、數(shù)據(jù)采集、熱控性能具有較大的影響。近年來由污染引發(fā)的航天器性能問題日益突出，航天器污染分析成了航天領域關注的重點之一。

　　航天器資金投入大，風險高，可靠性和安全性顯得尤為重要。由于污染引發(fā)的航天器性能問題有很多，美國“軌道太陽觀測站”由于電路盒出氣，9 天之后lyman- Alpha 功能失效;“林肯試驗衛(wèi)星”，二級分離的制動火箭羽流污染了有效載荷;“哈勃空間望遠鏡”，因為污染沉積和UV 暴露，WFPC- IUV 功能失效。據(jù)統(tǒng)計美國20 世紀70~90年代的30 年中就有25 顆衛(wèi)星由于污染發(fā)生了故障。由此可見污染已經(jīng)成為制約航天器向高可靠性、長壽命發(fā)展的瓶頸。

　　近幾年，關于航天器污染方面的研究主要集中在航天器表面沉積污染物監(jiān)測技術與成分分析，利用石英微量天平監(jiān)測污染物的沉積量，對航天器在熱試驗中污染物的成分進行了分析。但這些研究都是針對航天器外部的污染監(jiān)測與分析，對于衛(wèi)星內部的污染情況研究的比較少。內部污染引發(fā)的問題也是不容小覷的。如硅橡膠、導熱硅脂等材料揮發(fā)的有機硅分子沉積在電樞表面或微型接觸器的觸點，使接觸電阻增加導致發(fā)生故障。阿波羅14 號就是因為此類故障導致部分實驗沒能正常進行。本文利用QCM、氣相色質譜聯(lián)用儀對某衛(wèi)星在熱平衡試驗時內部污染量及成分進行了分析，研究了星內污染量與時間、溫度的關系，分析星內污染物的成分，并提出了在真空熱試驗中減少污染物的手段。

1、污染物來源及影響

　　太空中，對航天器產(chǎn)生污染的污染源主要有：①衛(wèi)星上部組件的材料放氣，如殼體、架、太陽電池帆板所用的非金屬材料、溫控涂層、導熱硅脂、粘結劑、電絕緣材料等物質;②姿控發(fā)動機的噴射，各類發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的未燃燒完的燃料、中間產(chǎn)物及燃燒生成混合形成的羽流;③空間環(huán)境的影響。航天器污染物的主要成分是小分子有機物，有機物吸附將導致太陽能電池玻璃蓋片和光學鏡頭等部件的透光率下降，進而使太陽能電池光電轉化效率下降以及光學系統(tǒng)分辨率降低。

2、試驗過程

　　試驗包括衛(wèi)星烘烤處理的高溫靜置工況及4個熱循環(huán)工況(高低溫)，試驗開始前在衛(wèi)星內部四個位置安裝4 個石英晶體微量天平，實時監(jiān)測污染量。試驗結束后分析衛(wèi)星內部污染量，并在星內污染嚴重的部位進行取樣，分析污染物成分。

3、結果與討論

3.1、星內石英微量天平污染量測試結果

　　熱試驗過程中星內石英晶體微量天平污染沉積量隨時間與溫度的變化如圖1 所示。

圖1 星內污染累積量隨時間、溫度變化曲線

　　由上述曲線分析可以得到以下結論:

　　(1) 經(jīng)計算，試驗結束后污染累積量最小為為2.73×10^{- 6} g/cm²，最大為1.838×10^{- 5} g/cm²。

　　(2) 由圖1 可以看出，熱試驗過程中污染累積量趨勢增加，各工況污染增加量逐漸減小。在第一個靜置工況中，污染沉積量持續(xù)增長，在后續(xù)高低溫工況，污染沉積量在高溫工況時迅速增加，在低溫工況時變化平緩或略有減少。其原因為，在第一個高溫常溫靜置工況降溫過程中，衛(wèi)星仍在繼續(xù)進行溫度控制，污染源仍可放出污染物，在后續(xù)高低溫循環(huán)工況，降溫過程中，衛(wèi)星不再繼續(xù)進行溫度控制，溫度迅速降低，污染源放出的污染物會迅速減少。

　　(3) B2 開關的變化趨勢與其他三個不同，發(fā)生了跳頻現(xiàn)象，說明此處的污染量已經(jīng)超過了石英晶體微量天平的量程。

3.2、星內污染物放氣規(guī)律

　　高溫工況時石英微量天平污染累積量會逐步增加，低溫工況時污染累積量變化較小，有少量減少，污染物含量的變化主要在高溫工況，4個熱試驗高低溫工況中，高溫工況過程中污染物增加量隨時間的關系如圖2 所示。曲線從側面反映出了材料放氣的規(guī)律，即某一溫度條件下材料出氣隨時間的關系，通常是材料放氣率隨放氣時間成指數(shù)形式減少。

　　通過曲線外推可以得出：若保持50℃左右高溫工況，在經(jīng)過223 h、184 h、217 h 左右，三處污染物的沉積量將降低到每24 h 小于1×10^-7 g/cm²，達到了空間環(huán)境模擬器空載時污染沉積量不大于1×10^-7 g/cm² 的要求。

圖2 高溫工況過程中污染物增加量與時間的關系曲線

3.3、污染物成分測試結果

　　試驗結束后，發(fā)現(xiàn)天線陣面高頻插頭上有油滴狀污染物，在艙板上也發(fā)現(xiàn)大量油狀污染物。如圖3、圖4 所示。在幾處污染嚴重部位進行取樣，采用石油醚洗脫污染物，利用氣相色質譜聯(lián)用儀對樣品進行成分分析。

圖3 衛(wèi)星服務艙艙板上污染物　圖4 天線高頻電纜插頭污染物

圖5 開關處污染物色譜圖　圖6 天線高頻電纜線插頭色譜圖

3.4、污染物成分測試結論

　　(1) 熱試驗過程中發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星內部開關處的石英微量天平上沉積了較多的污染物，對開關處污染物進行成分檢測，結果如圖5，其主要成分為材料放氣產(chǎn)生的硅氧烷類物質，結構式如圖7 中a，b。硅氧烷類的物質主要源于星用的膠類、導熱硅脂等粘結劑。

　　(2)陣面天線一側的污染物多呈油滴狀，而另一側污染物沒有形成油滴狀。經(jīng)過成分檢測污染物主要為鄰苯二甲酸二2- 甲基丙酯，結構式如圖7c，該污染物是一種增塑劑，廣泛應用于各種線纜中。而兩個艙段的主要區(qū)別為污染物較多的對地面有大量的天線灰皮電纜線，這與成分檢測結果相符合。

　　(3) 污染最嚴重的部位是天線高頻電纜插頭，從圖6 中分析，這些混合污染物中主要成份是鄰苯二甲酸二2- 甲基丙酯如圖7c，鄰苯二甲酸二2- 甲基庚酯如圖7e，鄰苯二甲酸二乙酯如圖7d，含量最高的是鄰苯二甲酸二2- 甲基丙酯，其余峰代表硅氧烷類物質如圖7中a，b。

圖7 硅氧烷類和鄰苯二甲酸酯類物質的結構式

4、結論

　　在整星熱試驗后，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星內部的污染量最高達到1.838×10^-5 g/cm²，為肉眼可見的污染量級;試驗過程中污染累積量隨時間逐步增加，污染物增加量隨時間逐漸減少，由此可以推出若在整星熱試驗前對非金屬材料進行烘烤處理則熱試驗的污染量級將大大下降;試驗中的污染物成分經(jīng)檢測為鄰苯二甲酸酯類、硅氧烷類物質，鄰苯二甲酸酯類主要來源于星用的灰皮電纜，硅氧烷主要來源于導熱硅脂、白漆等非金屬材料放氣。