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本文針對目前航天器導電滑環(huán)熱真空試驗時可凝揮發(fā)物VCM抑制的控制需求，根據(jù)低溫吸附原理，在傳統(tǒng)熱真空設備溫度控制系統(tǒng)基礎上，加裝獨立控溫功能的低溫冷屏。試驗發(fā)現(xiàn)改造后真空容器內(nèi)的VCM量減少約1~2個數(shù)量級，冷屏對污染物有良好的抑制效果。

導電滑環(huán)是航天領域飛行器的電傳輸裝置，用以實現(xiàn)兩個相對轉(zhuǎn)動體之間功率傳輸和信號傳遞，在目前國內(nèi)外軍用和高端民用行業(yè)中廣泛應用于各類有效載荷驅(qū)動裝置。

圖1  某型號空間導電滑環(huán)在衛(wèi)星中的應用

作為一種需要長期在軌運行的空間活動部件，其可靠性和工作壽命關系到飛行器在軌飛行任務的成敗，是各種航天器上少數(shù)幾個單點失效裝置之一。由于空間環(huán)境下用以連接滑環(huán)單機所用的電纜塑料絕緣層、導熱硅脂、硅橡膠等非金屬材料體內(nèi)或表面成分會發(fā)生分解、擴散釋放繼而脫離表面，這些揮發(fā)物在實際太空的極限低溫環(huán)境下會直接散逸，不會沉積在盤片表面，不會對產(chǎn)品性能造成直接影響；然而在導電滑環(huán)上星前需要完成的地面模擬環(huán)境試驗中，熱真空試驗高溫和低溫環(huán)境交替變化，且需要全程長時間持續(xù)通電測試，測試電纜在高溫和通電環(huán)境的雙重施加下其可凝揮發(fā)物會沉積于盤片表面可直接造成導電滑環(huán)電壓降出現(xiàn)斷點和電噪聲指標惡化，進而直接影響到滑環(huán)在太空中的可靠性和工作壽命。實際已多次出現(xiàn)滑環(huán)在真空試驗中受到可凝揮發(fā)物污染的問題。

因此，如何構(gòu)建太空下的散逸環(huán)境，即：有效抑制導電滑環(huán)在熱真空試驗時可凝揮發(fā)物（Volatile condensable materials，VCM）的累積，成為亟待解決的問題。

原有試驗設備構(gòu)造及污染物產(chǎn)生過程

傳統(tǒng)熱真空試驗設備主要由真空抽氣系統(tǒng)、溫度施加系統(tǒng)、測控系統(tǒng)組成。本文中的溫度施加系統(tǒng)由熱沉和加熱籠組成，熱沉由多級復疊制冷系統(tǒng)提供低溫環(huán)境，加熱籠由可程式加熱電源提供熱環(huán)境，見圖2。

圖2 原有試驗設備系統(tǒng)組成示意圖

導電滑環(huán)在進行熱真空試驗試驗時，電纜塑料絕緣層、導熱硅脂、硅橡膠等在真空度優(yōu)于6.65×10-3Pa下發(fā)生分解、擴散釋放繼而脫離表面，隨著低溫和高溫交變試驗過程的推進，低溫時可凝揮發(fā)物VCM一部分吸附在熱沉低溫表面，一部分累積附著于滑環(huán)盤片表面，形成污染物，高溫時污染物又從熱沉和滑環(huán)盤片表面解吸，擴散于罐內(nèi)空間，隨著溫度的交變重復解吸和吸附過程。同時，解吸和吸附過程會隨著時間而衰減，有研究表明非金屬材料87%的出氣量在試驗前6h完成，前人在某衛(wèi)星大型反射面天線熱真空試驗中測定12h后材料出氣量明顯減弱。同樣，NASA研究表明，8h后材料出氣量趨于飽和。

防污染冷屏工作原理及其硬件結(jié)構(gòu)

 太空散逸條件最重要的是低溫空間（4k），在極限低溫環(huán)境下污染物VCM會迅速散逸，而原有試驗設備受限于需構(gòu)建導電滑環(huán)產(chǎn)品的高低溫交變試驗條件，無法有效構(gòu)成污染物散逸條件，即：當產(chǎn)品高溫試驗工況時，熱沉溫度隨之升高，空間冷背景削弱，此時VCM散逸條件受到破壞。

因此利用低溫吸附原理，在原有試驗設備基礎上增加一個獨立控溫的低溫冷屏，并確保試驗過程中冷屏表面溫度始終低于導電滑環(huán)和熱沉，及時吸附VCM，其作用是防污染，其安裝結(jié)構(gòu)如圖3。防污染冷屏安裝在產(chǎn)品安裝平臺與封頭熱沉之間，冷屏平行于封頭熱沉，通過支撐架固定在導軌上，通過容器右側(cè)的法蘭把冷卻管路引出。

圖3 防污染冷屏安裝圖

綜合考慮熱輻射對產(chǎn)品的影響以及現(xiàn)有設備的安裝空間等，冷屏主要包括冷屏本體結(jié)構(gòu)、防輻射屏、百葉窗擋板、支撐架等。如圖4所示。

圖4 防污染冷屏主體結(jié)構(gòu)示意圖

冷屏直徑為φ600mm，主體結(jié)構(gòu)采用紫銅板+紫銅管焊接而成，表面設置活性炭，提高吸附效果。冷屏側(cè)面設置屏蔽罩，同時在冷屏背面設置防輻射屏，以減少熱沉對冷屏的熱輻射。冷屏前方設置可拆卸的百葉窗擋板用于減少冷屏低溫輻射對產(chǎn)品溫度的影響，百葉窗擋板采用拋光不銹鋼片焊接在骨架上。

防污染性能驗證試驗

NASA的哥達德空間飛行中心曾經(jīng)利用石英晶體微量天平、殘余氣體分析器、氣相色譜質(zhì)譜連用儀(GC/MS)以及傅立葉紅外分光光度計(FTIR)對衛(wèi)星熱真空試驗污染物VCM成分進行定性定量分析；韓國的KARI利用氣相色譜質(zhì)譜連用儀GC/MS技術分析了KAISTAT-4 FM烘烤試驗過程中的污染物VCM成分。國內(nèi)進行的污染物成分分析較少，中國空間技術研究院總裝與環(huán)境工程部曾利用色質(zhì)譜方法檢測衛(wèi)星真空熱試驗污染物成分。本文采用石英晶體微量天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）進行VCM的定量測試。

石英晶體微量天平由采用石英晶體的壓電效應原理制成。晶體的兩側(cè)鍍有電極，當給兩側(cè)表面加電壓時，晶體內(nèi)部的垂直方向會發(fā)生形變，當電壓撤離后，晶體內(nèi)部的形變恢復，會在晶體兩側(cè)表面產(chǎn)生電壓。這樣形成的電壓，通過外接激勵放大電路，就形成了振蕩回路，回路的振蕩頻率與晶體的特性（如：密度、聲速）和表面附著污染物的質(zhì)量有關。通過監(jiān)測這個振蕩頻率就能獲得晶體表面污染物沉積量的大小。其靈敏度可達納克級，能夠?qū)崿F(xiàn)相當于單分子層的質(zhì)量檢測。

采用上海衛(wèi)星裝備研究所出產(chǎn)的型號為SQCM-1的石英晶體微量天平，質(zhì)量范圍4.42×10-8g/cm2~4.42×10-4g/cm2，測量分辨率為4.42×10-9g/cm2，質(zhì)量靈敏度2.26×108Hz/(g/cm2)，對設備加裝防污染冷屏前后VCM抑制效果進行測定。

將石英晶體微量天平探頭（1#~3#）安裝在真空罐內(nèi)延軸向均勻分布，見圖5，以監(jiān)測熱真空試驗期間VCM的變化。

圖5 石英晶體微量天平（QCM）安裝圖

測量結(jié)果表明：升溫階段前期隨著溫度的上升，污染物VCM隨之增加，其中無冷屏結(jié)構(gòu)的污染物增量大于加裝冷屏后的增量，且污染物在罐內(nèi)分布較為均勻，表現(xiàn)為軸向分布差異??；而加裝冷屏后污染物增量顯著下降，且污染物在罐內(nèi)的分布為越接近冷屏增量越小，說明加裝冷屏后污染物得到了有效的控制。在升溫結(jié)束后污染物VCM趨于穩(wěn)定，加裝冷屏后污染物總量在10-7g/cm-2~10-6g/cm-2（見圖6升溫階段L1#~L3#），基本滿足試驗要求10-7g/cm-2指標，且較之未改造前污染物總量（見圖6升溫階段1#~3#）下降了1~2個數(shù)量級。降溫階段前期隨著溫度的下降，污染物VCM繼續(xù)累積增加，但總體趨勢明顯優(yōu)于升溫階段（見圖6 b），在降溫結(jié)束后，加裝冷屏后污染物VCM穩(wěn)定在10-8g/cm-2~10-7g/cm-2（見圖6降溫階段L1#~L3#），滿足試驗指標，這也符合低溫吸附原理。見圖6。

（a）升溫階段曲線

（b）降溫階段曲線

圖6冷屏對VCM的抑制效果對比圖

結(jié)束語

針對目前航天器導電滑環(huán)熱真空試驗時全程污染物控制需求，根據(jù)低溫吸附原理，對傳統(tǒng)熱真空設備進行改造，加裝獨立控溫功能的低溫冷屏，并開展防污染能力驗證試驗，對比分析改造前后微量污染物成分，改造后真空容器內(nèi)的污染物VCM含量減少約1~2個數(shù)量級，說明冷屏污染物VCM有良好的抑制效果。