CN101876612A - 一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法，属于航空航天技术领域。本发明采用石英晶片原位监测航天器光学敏感表面污染量，将其置于真空室内，在石英晶体微量天平可视范围内，放置非金属材料，使其在真空条件下出气；调整分光光度计及真空系统，然后加热非金属材料，使污染物逸出；在线原位监测石英晶体微量天平的频率和温度并保存，最后关闭系统。本发明的一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法的灵敏度高，达到1.10×10-9～4.42×10-9；试验过程稳定可靠、重复性好，并适用于大规模试验。
Description
技术领域
本发明涉及一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法，属于航空航天技术领域。
背景技术
近年来，航天器分子污染对卫星光学载荷系统的影响受到多方关注。由于卫星的长寿命、有效载荷的高性能，例如采用工作温度越来越低的传感器，采用大功率的电子器件等，对分子污染控制程度随之提高。材料在真空环境下放气产生的分子污染是污染的主要来源之一，卫星敏感光学表面性能退化是放气分子污染造成的主要效应，所以必须对光学表面分子污染进行原位监测和控制。
分子污染沉积造成的光学性能退化有多方面的后果，主要影响热控表面、光学表面以及太阳电池的工作性能。分子污染物沉积于热控表面，会影响其表面的发射率和吸收率，进而影响卫星温控系统的工作，严重时会造成卫星某些部件失效。一些光学有效载荷对温度均匀性要求很高，因此对污染控制要求随之提高。
对于光学表面，分子污染会使反射镜反射率或者透镜的透过率降低，信号强度减小，信噪比下降，并会对工作在红外波段的光学器件产生影响，因为某些污染分子为多原子分子，其振动能波长在红外波段，会成为噪声来源。而且，红外波段光学仪器通常工作于低温，因此，污染物会长时间沉积于其表面。对于工作在紫外波段200～360nm的仪器，酯、苯基硅树脂、碳氢化合物等会产生明显的退化效应，而工作在小于200nm紫外波段的仪器，任何有机污染物退化效应都很明显，属于污染高度敏感载荷。
国外研究发现了“紫外增强污染效应”。在200nm紫外辐照下，污染物更顽强地吸附于敏感表面上，假使目标表面温度高于污染源，污染分子仍可能沉积。污染分子吸附到敏感表面后，在光能的作用下被激发，产生交联。一旦交联，会对将污染物从表面移走的能量要求极高。能量较高的紫外线产生的光化学作用更为显著，紫外辐照还会使得污染沉积物质变暗，导致吸收率显著增加。
怎样用定量的方法原位测量光学器件表面污染，就是一个不容忽视的问题。本发明利用石英晶体微量天平(Quartz Crystal Microbalances.QCM)对卫星光学敏感表面污染沉积量及污染后果进行监测。
发明内容
本发明的目的是为了解决航天器热真空试验和在轨运行期间，我国现有航天器使用非金属材料出气物光学敏感表面沉积量无法原位定量的问题，提供了一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法。
本发明的一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测设备包括：试验机组柜、真空抽气系统、真空仓、光学样品、石英晶体微量天平探测器、分光光度计、分光光度计窗口、热控样品台、分光光度计监测窗口、石英晶体微量天平监测计算机和机柜；其连接关系为：真空仓装置安装于试验机组柜上，通过密封管路与真空抽气系统连接；真空抽气系统安装于试验机组柜内部，真空仓分光光度计窗口安装分光光度计；真空仓内放置石英晶体微量天平探测器和热控样品台，其视角为180°；测控系统通过电缆与石英晶体微量天平探测器、热控样品台和分光光度计连接，以控制热控样品台温度，测量真空出气污染；测控系统工作通过石英晶体微量天平探测器软件、热控样品台温度控制软件、分光光度计监测软件来完成。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法，其具体实施步骤如下：
1)安装石英晶体微量天平系统和热控样品台系统，其视角为180°；将石英晶体微量天平中的石英晶片置于真空室内，在石英晶体微量天平的可视范围内，放置非金属材料，使其在真空条件下出气；
2)调整分光光度计，使分光光度计中光束通过石英晶体微量天平中的石英晶片，原位测量石英晶片的反射率；
3)启动真空系统，使真空仓在分子流状态下工作；
4)通过石英晶体微量天平控制系统调整石英晶体微量天平零点；
5)加热非金属材料，使污染物逸出；
6)启动分光光度计，分光光度计原位测量石英晶片的反射率，保存各种参数及数据记录；
7)在线原位监测石英晶体微量天平的各种参数，主要包括频率和温度，保存各种参数及数据记录；
8)关闭石英晶体微量天平测试系统，关闭热控样品台系统，关闭分光光度计，关闭真空系统，回复试验设备至初始状态。
所述步骤1)中石英晶体微量天平的本征频率为10MHz、15MHz、20MHz或更高频率；真空室真空度小于1×10-3Pa；
所述步骤2)中分光光度计调整为光学样品的入射角为45°；
所述步骤3)中真空系统为无油真空系统，真空泵按顺序启动冷阱、机械泵和分子泵；启动分子泵前真空室的真空度小于1×10-1Pa，真空系统的真空度小于1×10-3Pa，30分钟后，再开启调整石英晶体微量天平零点；
所述步骤5)中加热非金属材料的温度为125℃，时间为24～48h；
所述步骤6)中分光光度计原位测量光学样片的反射率为200～2000nm的光谱段；
所述步骤7)中石英晶体微量天平频率和温度监测数据速率大于1次/min；
所述步骤8)中按顺序关闭石英晶体微量天平测试系统、热控样品台系统、真空系统，最终使整个测试系统恢复至常温、常压状态。
有益效果
1)本发明在模拟航天器轨道环境条件下，提高了我国非金属材料出气可凝挥发物在航天器光学敏感表面污染原位监测灵敏度，达到1.10×10-9～4.42×10-9；
2)本发明提供了稀薄的气体氛围和清洁的环境条件，增加了试验测试过程中测量数据的准确性，降低了航天器光学有效载荷在轨使用风险；
3)本发明使用分光光度计测量了光学试样表面污染前后的光谱图像，试验过程稳定可靠。
4)本发明使用石英晶体微量天平测量了光学试样表面污染后的质量变化，试验过程稳定可靠，复现性好；
5)本发明适用于大规模试验。
附图说明
图1是本发明的一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法的设备结构示意图；
其中，1-试验机组柜、2-真空抽气系统、3-真空仓、4-光学样品、5-石英晶体微量天平探测器、6-分光光度计、7-分光光度计窗口、8-热控样品台、9-分光光度计监测窗口、10-石英晶体微量天平监测计算机、11-机柜。
具体实施方式
图1是本发明的一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法的设备结构示意图；其中，1-试验机组柜、2-真空抽气系统、3-真空仓、4-光学样品、5-石英晶体微量天平探测器、6-分光光度计、7-分光光度计窗口、8-热控样品台、9-分光光度计监测窗口、10-石英晶体微量天平监测计算机、11-机柜。实施例
1)将100g1mm×1mm×1mm颗粒状的空间级硅橡胶装入热控样品台4，调整石英晶体微量天平探测器5与热控样品台4视角成180°，联接水、电和气设备，调整石英晶体微量天平监测计算机10通信，并关上真空仓3；
2)调整分光光度计，使分光光度计中光束通过分光光度计监测窗口9入射到光学样品4，原位测量光学样片的反射率，反射率包括光谱段200～200nm；
3)开启真空抽气系统2，按启动冷阱，启动机械泵，启动分子泵的方式进行，直至真空仓3真空度优于1×10-3Pa；
4)通过石英晶体微量天平监测计算机10调整石英晶体微量天平零点；
5)由控制热控样品台4，将空间级硅橡胶材料加热至125℃持续24小时，并记录石英晶体微量天平频率变化；
6)启动分光光度计6，分光光度计原位测量光学样片的反射率，保存各种参数及数据记录；
7)通过石英晶体微量天平测试系统7在线原位监测石英晶体微量天平的各种参数变化，主要包括频率和温度，保存各种参数及数据记录；
8)关闭石英晶体微量天平测试系统7，关闭热控样品台4系统，关闭分光光度计6，关闭真空抽气系统2，回复试验设备至初始状态。
9)测试结果表明，出气可凝挥发物在400～700nm波段反射率下降30％。
Claims (8)
1.本发明的一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法，其特征在于：
1)安装石英晶体微量天平系统和热控样品台系统，其视角为180°；将石英晶体微量天平中的石英晶片置于真空室内，在石英晶体微量天平的可视范围内，放置非金属材料，使其在真空条件下出气；
2)调整分光光度计，使分光光度计中光束通过石英晶体微量天平中的石英晶片，原位测量石英晶片的反射率；
3)启动真空系统，使真空仓在分子流状态下工作；
4)通过石英晶体微量天平控制系统调整石英晶体微量天平零点；
5)加热非金属材料，使污染物逸出；
6)启动分光光度计，分光光度计原位测量石英晶片的反射率，保存各种参数及数据记录；
7)在线原位监测石英晶体微量天平的各种参数，主要包括频率和温度，保存各种参数及数据记录；
8)关闭石英晶体微量天平测试系统，关闭热控样品台系统，关闭分光光度计，关闭真空系统，回复试验设备至初始状态。
2.根据权利要求1所述的一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法，其特征在于：步骤1)中石英晶体微量天平的本征频率为10MHz、15MHz、20MHz或更高频率；真空室真空度小于1×10-3Pa。
3.根据权利要求1所述的一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法，其特征在于：步骤2)中分光光度计调整为光学样品的入射角为45°。
4.根据权利要求1所述的一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法，其特征在于：步骤3)中真空系统为无油真空系统，真空泵按顺序启动冷阱、机械泵和分子泵；启动分子泵前真空度小于1×10-1Pa，真空系统的真空度小于1×10-3Pa，30分钟后，再开启调整石英晶体微量天平零点。
5.根据权利要求1所述的一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法，其特征在于：步骤5)中加热非金属材料的温度为125℃，时间为24～48h。
6.根据权利要求1所述的一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法，其特征在于：步骤6)中分光光度计原位测量光学样片的反射率为200～2000nm的光谱段。
7.根据权利要求1所述的一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法，其特征在于：步骤7)中石英晶体微量天平频率和温度监测数据速率大于1次/min。
8.根据权利要求1所述的一种航天器光学表面的非金属材料出气污染的原位监测方法，其特征在于：步骤8)中按顺序关闭石英晶体微量天平测试系统、热控样品台系统、真空系统。
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