衛(wèi)星真空烘烤試驗方案及驗證

朱劍濤，劉 晨，劉天雄

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

0 引言

衛(wèi)星星內(nèi)使用了大量非金屬材料，如各種黏結(jié)劑、熱控涂層、絕緣材料等。該類材料在真空熱環(huán)境試驗初期階段會大量放氣，從而使星內(nèi)壓力升高，可能出現(xiàn)局部低氣壓。在該環(huán)境下，若大功率射頻傳輸組件處于工作狀態(tài)，極易發(fā)生電暈放電或弧光放電現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備燒毀。同時，揮發(fā)出的有機分子可能凝結(jié)在組件內(nèi)部觸點上，導(dǎo)致接觸電阻變大，可能引發(fā)微放電現(xiàn)象。

衛(wèi)星熱真空試驗一般在試驗設(shè)備的真空、低溫背景（即容器真空度優(yōu)于1.3×10-3Pa，熱沉溫度＜100 K）建立后開始，不充分考慮非金屬材料的放氣行為將使星內(nèi)真空度滯后于容器真空度，存在導(dǎo)致敏感設(shè)備發(fā)生低氣壓放電等安全隱患。

因此，針對星上非金屬材料真空熱環(huán)境下的出氣現(xiàn)象及其所導(dǎo)致的危害，有必要在真空熱試驗前采取措施，降低非金屬材料在熱真空試驗中大量出氣及產(chǎn)生分子污染的程度，避免對設(shè)備造成危害。

1 非金屬材料出氣、凝結(jié)特性及其影響

1.1 出氣速率分析

在真空環(huán)境下，由于外部濃度降低，非金屬材料內(nèi)外部濃度失去平衡，導(dǎo)致氣體逸出，其出氣速率為[1-2]

式中：A、E為非金屬材料特性參數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為材料溫度；t為出氣時間；n(T)為時間t的放大因子，是材料溫度T的線性函數(shù)，一般在1～2之間。

根據(jù)式(1)可知，星上材料的出氣速率受溫度、時間影響，與溫度呈指數(shù)關(guān)系，與時間呈冪函數(shù)關(guān)系。隨著溫度升高，出氣速率升高，星內(nèi)壓力升高；隨著時間增加，出氣速率降低，星內(nèi)壓力降低。

國內(nèi)外對非金屬材料的研究結(jié)果表明，在某一溫度下，材料出氣 6～8 h之后，其出氣速率趨于穩(wěn)定（如圖1所示），國內(nèi)某天線熱真空試驗中出氣現(xiàn)象的實測數(shù)據(jù)也進一步證明了該特點（如圖2所示）。

圖1 某非金屬材料出氣速率與時間的關(guān)系Fig.1 The curve of the out gassing rate of nonmetal materials

圖2 國內(nèi)某大型天線熱真空試驗期間真空度曲線Fig.2 The container vacuum of an antennae thermal vacuum test

1.2 凝結(jié)特性

可凝揮發(fā)物凝結(jié)速率由非金屬材料的出氣速率、非金屬材料出氣表面到凝結(jié)表面的幾何因子及黏結(jié)系數(shù)決定，其中黏結(jié)系數(shù)與揮發(fā)物性質(zhì)、凝結(jié)表面溫度等有關(guān)，凝結(jié)量[3]為

式中：A0(T1)為非金屬材料在溫度T1下的出氣總量；T2為凝結(jié)表面溫度；x1,x2,…分別表示凝結(jié)表面物性、表面結(jié)構(gòu)等因素；t為凝結(jié)時間。

根據(jù)式(2)可知，當(dāng)凝結(jié)表面等因素一定，凝結(jié)時間趨于無窮大時，凝結(jié)量僅與凝結(jié)溫度有關(guān)。研究結(jié)果表明，當(dāng)凝結(jié)溫度＞298 K（即25 ℃）時，凝結(jié)量隨溫度的變化趨于穩(wěn)定，受溫度影響較小[10]，如圖3所示。

圖3 某非金屬凝結(jié)量與溫度的關(guān)系曲線Fig.3 The relationship between condensation and temperature

1.3 影響分析

衛(wèi)星上使用大量的非金屬材料（如電纜塑料絕緣層、導(dǎo)熱硅脂、硅橡膠、塑料扎帶、膠帶、復(fù)合材料樹脂基體、黏結(jié)劑等）以滿足衛(wèi)星總裝、熱控等需求。在整星真空熱試驗初期，上述非金屬材料必然出現(xiàn)大量出氣和污染物凝結(jié)現(xiàn)象。非金屬材料的出氣會使星內(nèi)壓力升高，形成局部低氣壓環(huán)境，導(dǎo)致對壓力敏感設(shè)備（如大功率微波射頻組件）發(fā)生低氣壓放電現(xiàn)象，進而引起設(shè)備功能、性能下降，嚴重者致設(shè)備燒毀。非金屬材料出氣產(chǎn)生的污染物將在較冷的表面重新凝結(jié)并形成污染，一般稱為可凝揮發(fā)物，其以單分子形式出現(xiàn)，因此又稱為分子污染，嚴重時導(dǎo)致設(shè)備功能、性能下降。

某系列衛(wèi)星按照一般熱真空試驗流程開展整星級熱真空試驗，連續(xù)多次出現(xiàn)大功率微波開關(guān)溫度異常升高并伴隨著輸出功率下降。對問題開關(guān)進行解剖后發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部觸點已燒蝕。經(jīng)問題排查與分析認為：星內(nèi)非金屬材料在熱真空環(huán)境下大量出氣，在微波開關(guān)附近出現(xiàn)了局部低氣壓環(huán)境，期間開關(guān)加電工作造成低氣壓放電；同時，由于開關(guān)附近使用了大量導(dǎo)熱硅脂等非金屬材料，在真空熱環(huán)境下，硅脂出氣所產(chǎn)生的分子污染未充分揮發(fā)到星外，而是凝結(jié)在大功率開關(guān)內(nèi)部觸點上，使得觸點的接觸電阻變大，進而引發(fā)微放電現(xiàn)象，導(dǎo)致開關(guān)燒毀。

洛克希德·馬丁公司在其地球靜止軌道通信衛(wèi)星的研制中[4-5]，為了避免星上因非金屬材料出氣導(dǎo)致超高頻轉(zhuǎn)發(fā)器以及高電壓設(shè)備發(fā)生低氣壓放電現(xiàn)象，對設(shè)備工作時的星內(nèi)真空度要求必須優(yōu)于1.3×10-2Pa。而在該公司實際試驗中，為保證星內(nèi)設(shè)備具有足夠的安全余量（20%以上），一般在真空度優(yōu)于1.0×10-2Pa時，才允許UHF轉(zhuǎn)發(fā)器等大功率射頻組件工作。

因此，應(yīng)在整星熱真空試驗中采取真空烘烤措施，消除非金屬材料出氣、凝結(jié)特性對星上敏感設(shè)備的影響。

2 真空烘烤試驗的國內(nèi)外實施現(xiàn)狀

2.1 國外實施現(xiàn)狀

真空烘烤試驗是衛(wèi)星地面加速非金屬材料出氣、防污染的有效控制方法，并在航天器研制中被廣泛使用，是一項重要的試驗技術(shù)。在許多國外相關(guān)試驗標準中都強調(diào)了真空烘烤試驗的必要性和重要性。

GSFC-STD-7000[6]對試驗中非金屬材料放氣提出了明確要求：“在航天器熱真空試驗期間應(yīng)該增加易揮發(fā)材料的放氣時間，該時間應(yīng)該在高溫階段并且通過高溫循環(huán)的方式進行?！?/p>

PD-ED-1233[7]建議：“航天器熱真空試驗中可進行為期3天的高溫烘烤試驗?！?/p>

ECSS-E-10-03A[8]提出：“熱真空試驗開始時，為加速衛(wèi)星放氣和防止后續(xù)熱暴露中壓力升高，建議首先進行高溫試驗。”

NASA戈達德航天飛行中心（GSFC）在1996年共進行了 392次熱試驗，其中系統(tǒng)級烘烤試驗103次，高度敏感設(shè)備烘烤放氣試驗115次?？梢姡婵蘸婵疽殉蔀樽钪饕恼婵窄h(huán)境試驗[9]。圖4為Large Area Telescope（LAT）[10]在熱平衡/熱真空試驗前進行了高溫45 ℃、時間為72 h的真空烘烤試驗，以促使LAT內(nèi)部的材料充分揮發(fā)、放氣，防止后續(xù)試驗中逸出氣體對LAT的工作造成影響。

圖4 LAT真空烘烤試驗及熱平衡/熱真空試驗剖面Fig.4 The section of vacuum bakeout test,thermal balance test and thermal vacuum test of LAT

綜上所述，真空烘烤試驗已在國外系統(tǒng)級試驗標準中有明確要求，不同的航天器可根據(jù)其自身特點對試驗進行剪裁，以加速非金屬材料放氣，避免后續(xù)試驗中對敏感設(shè)備造成危害。

2.2 國內(nèi)實施現(xiàn)狀

目前國內(nèi)衛(wèi)星在真空烘烤試驗方面還未充分開展研究，試驗標準也未對航天器系統(tǒng)級真空烘烤試驗提出要求。如GJB 1027A—2005[11]等標準作為衛(wèi)星熱真空試驗的執(zhí)行依據(jù)，尚未對星內(nèi)的非金屬材料在試驗中的放氣時間、危害、衛(wèi)星內(nèi)部真空度等做出說明。文獻[9,12]等僅要求試驗設(shè)備進行真空烘烤出氣、凈化處理等，其中凈化處理包括了清除、清洗劑清洗等，但未對衛(wèi)星及航天器做出相關(guān)要求。

針對目前衛(wèi)星熱試驗敏感設(shè)備對真空度及污染控制等要求不斷提高的現(xiàn)狀，有必要對衛(wèi)星進行真空烘烤，改善星內(nèi)真空度，降低污染累積。同時亟待真空烘烤試驗的研究及其相關(guān)標準的制定。

3 真空烘烤試驗方案

3.1 試驗剖面

根據(jù)非金屬材料出氣特性可知，在熱真空試驗前期，高溫烘烤有利于星上非金屬材料放氣，從而避免熱真空試驗階段由于非金屬材料出氣使星內(nèi)壓力升高。

根據(jù)非金屬材料的凝結(jié)特性，為防止有機分子大量凝結(jié)在敏感設(shè)備上或其他非敏感處，試驗應(yīng)增加高溫到常溫的過程。

因此，試驗采取高溫+高溫到常溫試驗方式，促使非金屬材料揮發(fā)、放氣。試驗剖面如圖5所示。

圖5 某衛(wèi)星真空烘烤試驗及熱真空試驗剖面圖Fig.5 Profile of vacuum bakeout test and thermal vacuum test of a satellite

3.2 試驗溫度

真空烘烤試驗的溫度一般不高于衛(wèi)星所經(jīng)歷的最高溫度。因此，真空烘烤試驗中高溫溫度取熱真空試驗高溫溫度，即45 ℃。由1.2節(jié)分析，為使非金屬材料在星上設(shè)備的凝結(jié)量變小，試驗期間設(shè)備溫度應(yīng)在25 ℃（298 K）及以上。因此，試驗中設(shè)備低溫取25 ℃（即常溫）。

3.3 保持時間

由1.1節(jié)非金屬材料及某天線組件的試驗結(jié)果可知，非金屬材料在某一高溫溫度下 6～8 h內(nèi)出氣量趨于飽和。因此，將高溫烘烤試驗定為24 h。高溫停留24 h后，高溫到常溫時間為48 h，使星內(nèi)氣體充分揮發(fā)到星外，降低星內(nèi)壓力。

3.4 試驗壓力

根據(jù)目前國內(nèi)衛(wèi)星系統(tǒng)級試驗對試驗設(shè)備的壓力要求、國外類似設(shè)備的真空度要求，試驗中星內(nèi)壓力應(yīng)≤6.65×10-3Pa。

4 試驗驗證

某型號衛(wèi)星按照上述試驗方案在熱真空試驗前先補充進行了真空烘烤試驗，下面將對星內(nèi)真空度、污染量進行分析，說明真空烘烤試驗的作用。

4.1 星內(nèi)真空度

試驗中，在星內(nèi)射頻傳輸組件附近安裝熱陰極電離真空規(guī)，實時監(jiān)控該區(qū)域真空度，確保星內(nèi)壓力滿足要求。圖6為真空烘烤階段、熱真空試驗第一循環(huán)高溫階段的星內(nèi)真空度，由圖可看到：

1）真空、低溫背景建立時星內(nèi)真空度為1×10-2～3×10-2Pa量級，與要求相差1個數(shù)量級，大大超出了GJB 1027A—2005規(guī)定的射頻組件加電前真空度優(yōu)于10-2Pa的要求。若此時星內(nèi)射頻傳輸組件加電工作，則有可能發(fā)生低氣壓放電現(xiàn)象。

2）通過真空烘烤試驗，有效改善了星內(nèi)真空度，達到了5.5×10-4Pa；后續(xù)試驗中星內(nèi)壓力最大為2.0×10-3Pa，完全滿足設(shè)備使用要求（≤6.65×10-3Pa）。

上述結(jié)果表明，烘烤試驗有效降低了星內(nèi)壓力，使星內(nèi)真空度達到設(shè)備工作要求，確保了設(shè)備的使用安全。

圖6 星內(nèi)、外真空度與溫度的關(guān)系曲線Fig.6 The curve of vacuum inside and outside the satellite

4.2 星內(nèi)污染量

試驗中，在星內(nèi)大功率微波開關(guān)附近安裝了石英微量天平，實時監(jiān)控星內(nèi)污染物累積量。圖7、圖8為整個熱試驗期間星內(nèi)、外污染量參數(shù)，由圖可看到：

1）在升溫和高溫停留過程中，可凝揮發(fā)物的凝結(jié)量在增加，且隨著試驗的進行，其增加量越來越少。說明經(jīng)過真空烘烤試驗，星上非金屬材料得到了揮發(fā)、放氣，對后續(xù)試驗的影響降低。

2）在高溫到常溫靜置以及第一、二循環(huán)高溫轉(zhuǎn)低溫過程中，星內(nèi)凝結(jié)量在單位時間的增加量相比其他循環(huán)轉(zhuǎn)低溫工況的要大。說明在試驗開始階段非金屬材料放氣量較大。

上述結(jié)果表明，試驗前期，非金屬材料的出氣量大，污染量也增加。因此，通過高溫到常溫的真空烘烤試驗，可使星內(nèi)污染物大部分被真空系統(tǒng)抽走，凝結(jié)部分較少。

圖7 烘烤試驗中污染增加量與溫度曲線Fig.7 The augment of contamination vs.temperature in bakeout test

圖8 試驗中污染量與溫度曲線Fig.8 The contamination vs.temperature in test

4.3 射頻組件工作狀態(tài)

在完成真空烘烤試驗后，星上射頻組件加電工作，射頻組件工作狀態(tài)良好，未出現(xiàn)以往溫度異常升高、輸出功率下降的現(xiàn)象，整個熱真空試驗過程中射頻組件工作狀態(tài)、性能參數(shù)均滿足要求。

5 結(jié)束語

本文通過對星上非金屬材料的揮發(fā)、凝結(jié)特性及其影響的分析，針對國內(nèi)某系列衛(wèi)星因非金屬材料出氣、凝結(jié)特性導(dǎo)致的星上敏感設(shè)備燒毀現(xiàn)象，結(jié)合國外衛(wèi)星系統(tǒng)級試驗標準及熱試驗方案的分析，提出了衛(wèi)星真空烘烤試驗方案及其參數(shù)要求。驗證試驗表明，經(jīng)過真空烘烤試驗，有效改善了星內(nèi)真空度，使星內(nèi)真空度滿足設(shè)備的使用環(huán)境要求，降低了星內(nèi)污染量，確保了衛(wèi)星安全。證明該方案合理可行，可供該類衛(wèi)星真空烘烤試驗參考，同時可為真空烘烤試驗相關(guān)標準的制定提供依據(jù)。

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