專利名稱：一種航天器敏感低溫表面污染的監(jiān)測方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種航天器敏感低溫表面污染的監(jiān)測方法，特別是采用石英晶體微量 天平監(jiān)測航天器低溫敏感表面污染的方法，屬于航空航天技術(shù)領域，直接應用在紅外低溫 遙感及其他航天低溫探測器表面污染監(jiān)測。
背景技術(shù)：
航天器上有許多敏感部件(如光學鏡頭、觀察窗、太陽電池蓋、熱控涂層、繼電器 觸點、波導內(nèi)壁等)表面需要污染監(jiān)測與控制。這些敏感表面盡管在零件制造、分系統(tǒng)裝 配、總裝過程已有一定的污染控制措施，但仍有可能在航天器地面熱真空試驗和航天器在 軌運行過程遭受不同程度的污染。最顯著的一個例子是潤滑或?qū)嵊玫臐櫥蛯嵊椭瑫?以分子形式逸出表面而到達敏感表面。姿態(tài)發(fā)動機噴出的羽狀煙柱、燃料電池拋出物及航天器工作艙排出的廢物、廢液 會形成明顯的粒子污染；航天器本身的非金屬材料在真空中加熱情況下會出氣，它們以單 分子的形式蒸發(fā)、升華、分解逸出，而后以隨機的方式沉積在低溫裸露表面上，形成分子污 染等。污染的后果非常嚴重。例如美國雙子星座載人飛船觀察窗，由于未加保護罩，受到 嚴重的羽煙污染。阿波羅8號飛船進行繞月飛行時，由于硅橡膠密封圈污染了主觀察窗，照相和拍 電視只好臨時轉(zhuǎn)移到污染較小的測觀察窗。阿波羅14號飛船密封馬達開關在飛行期間失 效，其原因是室溫固化硅橡膠在馬達運行時分解出低分子量氣相硅，氣相硅與石油基潤滑 劑一起在電刷電弧作用下形成碳粒，增加了電刷電阻率導致馬達失效。一般來說，分子污染 的來源為航天器上電和熱的彈性絕緣物、真空密封材料、絕緣結(jié)構(gòu)材料、膠合劑、液壓油、熱 控涂層的油滲揮發(fā)物、油墨、空氣中吸收的水氣和其它化合物、清洗溶劑等?？傊?，污染物如果揮發(fā)率高、連續(xù)不斷、離敏感表面近、視場可見、方向正對、吸附 機率大、如果敏感表面溫度低，污染則會很嚴重，甚至會聚積到可見污物滴液的程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決航天器熱真空試驗和在軌運行期間，我國現(xiàn)有航天器使 用非金屬材料出氣物或羽流噴射沉積物在低溫敏感表面沉積量無法表征的問題，提供一種 原位監(jiān)測航天器低溫敏感表面的非金屬材料出氣污染物或航天器羽流污染物的方法。本發(fā)明的一種航天器敏感低溫表面污染的監(jiān)測裝置包括試驗機柜、真空抽氣系 統(tǒng)、真空倉、熱控樣品臺、液氮制冷系統(tǒng)、石英晶體微量天平探測器、計算機和計算機柜；其 連接關系為真空倉裝置安裝于試驗機組柜上，通過密封管路與真空抽氣系統(tǒng)連接；真空 抽氣系統(tǒng)和液氮制冷系統(tǒng)安裝于試驗機組柜內(nèi)部；真空倉內(nèi)放置石英晶體微量天平探測器 和熱控樣品臺，其視角為180° ；測控系統(tǒng)通過電纜與石英晶體微量天平探測器和熱控樣品 臺，以控制熱控樣品臺溫度，測量真空中材料出氣污染；測控系統(tǒng)工作通過石英晶體微量天 平探測器軟件和熱控樣品臺溫度控制軟件來完成。
本發(fā)明的目的是通過一下技術(shù)方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的一種航天器敏感低溫表面污染的監(jiān)測方法，其具體實施步驟如下1)安裝石英晶體微量天平系統(tǒng)、液氮溫度制冷系統(tǒng)和熱控樣品臺，其中石英晶體 微量天平探測器和熱控樣品臺出氣口的視角為180° ；采用石英晶片模擬航天器敏感低溫 表面，將石英晶體微量天平中的石英晶片置于真空室內(nèi)，在石英晶體微量天平可視范圍內(nèi)， 放置非金屬材料或發(fā)動機噴嘴，使其在真空條件下放氣或噴射羽流污染物；2)啟動真空系統(tǒng)，使真空倉工作在分子流工作狀態(tài)；3)通過液氮制冷系統(tǒng)，降低石英晶體表面溫度，使其工作在航天器軌道最惡劣溫 度條件下，并調(diào)整石英晶體微量天平零點；4)加熱非金屬材料或使發(fā)動機點火，使其逸出或噴射污染物；5)在線原位監(jiān)測石英晶體微量天平的各種參數(shù)，主要包括頻率和溫度，保存各種 參數(shù)及各種數(shù)據(jù)記錄；6)關閉測試系統(tǒng)，關閉液氮制冷系統(tǒng)，關閉真空系統(tǒng)，回復試驗設備至試驗初始狀 態(tài)。所述步驟1)中石英晶體微量天平的本征頻率為10MHz、15MHz、20MHz或更高頻率； 液氮溫度制冷系統(tǒng)將晶體表面溫度制冷到80K ；真空室真空度小于1 X 10_3Pa ；所述步驟2)中真空系統(tǒng)為無油真空系統(tǒng)，真空泵按順序啟動冷阱、機械泵和分子 泵；啟動分子泵前真空度小于1 X lO^Pa,真空系統(tǒng)的真空度小于1 X 10_3Pa，30分鐘后，開啟 液氮低溫制冷系統(tǒng)；所述步驟3)中液氮制冷系統(tǒng)降溫速率不超過lOK/min，當溫度降到80K時穩(wěn)定 30 60min ；所述步驟4)中加熱非金屬材料的溫度為125°C，時間為24 48h，發(fā)動機持續(xù)點 火時間為30 60min ；所述步驟5)中頻率和溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)速率大于1次/min ；所述步驟6)中按順序關閉測試系統(tǒng)、液氮制冷系統(tǒng)和真空系統(tǒng)，最終使整個測試 系統(tǒng)恢復至常溫、常壓狀態(tài)。有益效果(1)由于目前我國尚不能原位監(jiān)測航天器材料出氣可凝揮發(fā)物，本方法提供一種 原位監(jiān)測航天器低溫敏感表面的非金屬材料出氣污染物或航天器羽流污染物的方法，該方 法在模擬航天器軌道環(huán)境條件下，提高了我國航天器材料出氣可凝揮發(fā)物選擇和發(fā)動機噴 射污染物監(jiān)測的靈敏度，達到1. 10 X 10_9 4. 42 X 10_9 ；(2) 一種航天器敏感低溫表面污染監(jiān)測方法中無油真空系統(tǒng)的使用，為該方法提 供了稀薄的氣體氛圍和清潔的環(huán)境條件，大大增加了試驗過程中測量數(shù)據(jù)的準確性，降低 了航天器使用材料中的風險。(3) 一種航天器敏感低溫表面污染監(jiān)測方法中液氮制冷系統(tǒng)的使用，良好的控制 了測量設備的溫度，試驗過程穩(wěn)定可靠，復現(xiàn)性好。(4)具有適應航天器各種材料出氣可凝物測試的特色，且適應于工業(yè)化大規(guī)模試驗。


圖1是本發(fā)明的一種航天器敏感低溫表面污染的監(jiān)測裝置示意圖；其中，1-試驗機柜、2-真空抽氣系統(tǒng)、3-真空倉、4-熱控樣品臺、5-液氮制冷系統(tǒng)、 6-石英晶體微量天平探測器、7-計算機和8-計算機柜。
具體實施例方式如圖1為本發(fā)明的一種航天器敏感低溫表面污染的監(jiān)測裝置示意圖，其中，1-試 驗機柜、2-真空抽氣系統(tǒng)、3-真空倉、4-熱控樣品臺、5-液氮制冷系統(tǒng)、6-石英晶體微量天 平探測器、7-計算機和8-計算機柜。實施例1)試驗樣品為航天器經(jīng)常使用的空間級硅橡膠材料，將其制備成ImmX ImmX 1mm 的顆粒狀，100g裝入熱控樣品臺4，調(diào)整石英晶體微量天平探測器6與樣品視角成180°，聯(lián) 接相關水、電、氣輔助設備，調(diào)整天平通信，并關上真空倉3 ；2)開啟真空抽氣系統(tǒng)，按啟動冷阱，啟動機械泵，啟動分子泵的方式進行，直至系 統(tǒng)真空度小于ixio_3pa;3)將液氮制冷系統(tǒng)5打開，監(jiān)測石英晶體微量天平溫度變化，直至石英晶體微量 天平表面溫度為80K ；4)由計算機7控制熱控樣品臺4，將空間級硅橡膠材料加熱至125°C持續(xù)24小時， 并記錄石英晶體微量天平頻率變化，試驗后頻率變化33233Hz ；5)關閉石英晶體微量天平測試系統(tǒng)7，關閉液氮制冷系統(tǒng)5，關閉真空系統(tǒng)2，使整 個測試系統(tǒng)恢復至常溫、常壓狀態(tài)。
權(quán)利要求
一種航天器敏感低溫表面污染的監(jiān)測方法，其特征在于1)安裝石英晶體微量天平系統(tǒng)、液氮溫度制冷系統(tǒng)和熱控樣品臺，其中石英晶體微量天平探測器和熱控樣品臺出氣口的視角為180°；采用石英晶片模擬航天器敏感低溫表面，將石英晶體微量天平中的石英晶片置于真空室內(nèi)，在石英晶體微量天平可視范圍內(nèi)，放置非金屬材料或發(fā)動機噴嘴，使其在真空條件下放氣或噴射羽流污染物；2)啟動真空系統(tǒng)，使真空倉工作在分子流工作狀態(tài)；3)通過液氮制冷系統(tǒng)，降低石英晶體表面溫度，使其工作在航天器軌道最惡劣溫度條件下，并調(diào)整石英晶體微量天平零點；4)加熱非金屬材料或使發(fā)動機點火，使其逸出或噴射污染物；5)在線原位監(jiān)測石英晶體微量天平的各種參數(shù)，主要包括頻率和溫度，保存各種參數(shù)及各種數(shù)據(jù)記錄；6)關閉測試系統(tǒng)，關閉液氮制冷系統(tǒng)，關閉真空系統(tǒng)，回復試驗設備至試驗初始狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天器敏感低溫表面污染的監(jiān)測方法，其特征在于步 驟1)中石英晶體微量天平的本征頻率為10MHz、15MHz、20MHz或更高頻率；液氮溫度制冷系 統(tǒng)將晶體表面溫度制冷到80K ；真空室真空度小于1 X 10_3Pa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天器敏感低溫表面污染的監(jiān)測方法，其特征在于步 驟2)中真空系統(tǒng)為無油真空系統(tǒng)，真空泵按順序啟動冷阱、機械泵和分子泵；啟動分子泵 前真空度小于lXlC^Pa，真空系統(tǒng)的真空度小于lX10_3Pa，30分鐘后，開啟液氮低溫制冷 系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天器敏感低溫表面污染的監(jiān)測方法，其特征在于步 驟3)中液氮制冷系統(tǒng)降溫速率不超過lOK/min，當溫度降到80K時穩(wěn)定30 60min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天器敏感低溫表面污染的監(jiān)測方法，其特征在于步 驟4)中加熱非金屬材料的溫度為125°C，時間為24 48h，發(fā)動機持續(xù)點火時間為30 60mino
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天器敏感低溫表面污染的監(jiān)測方法，其特征在于步 驟5)中頻率和溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)速率大于1次/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天器敏感低溫表面污染的監(jiān)測方法，其特征在于步 驟6)中按順序關閉測試系統(tǒng)、液氮制冷系統(tǒng)和真空系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種航天器敏感低溫表面污染的監(jiān)測方法，特別是采用石英晶體微量天平監(jiān)測航天器低溫敏感表面污染的方法，屬于航空航天技術(shù)領域，直接應用在紅外低溫遙感及其他航天低溫探測器表面污染監(jiān)測。本發(fā)明采用液氮制冷系統(tǒng)、石英晶片模擬航天器敏感低溫表面；通過液氮制冷系統(tǒng)，降低石英晶體表面溫度，使其工作在航天器軌道最惡劣溫度條件下；加熱非金屬材料或使發(fā)動機點火，使其逸出或噴射污染物；在線原位監(jiān)測石英晶體微量天平的頻率和溫度并保存；關閉測試系統(tǒng)。本發(fā)明的方法的靈敏度高，達到1.10×10-9～4.42×10-9；試驗過程穩(wěn)定可靠、重復性好，并適用于大規(guī)模試驗。
文檔編號G01N5/00GK101876613SQ200910259349
公開日2010年11月3日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者馮杰, 姚日劍, 柏樹, 王先榮, 王鷁, 顏則東 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一○研究所