3.9 離子發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備
離子發(fā)動(dòng)機(jī)是航天技術(shù)中一種新的推進(jìn)裝置， 用于各類(lèi)衛(wèi)星、 空間探測(cè)器、姿態(tài)控制和星際航行等方面。中國(guó)研制的以汞, 氛為工質(zhì)的離子發(fā)動(dòng)機(jī)，都是將工質(zhì)電離成等離子體并被加速而噴射作為推進(jìn)動(dòng)力。因此， 對(duì)離子發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)試與研究， 需要在高真空條件下進(jìn)行。由于影響離子發(fā)動(dòng)機(jī)性能的參數(shù)有數(shù)十個(gè)之多，各參數(shù)之間又互相影響、 相互關(guān)聯(lián)，因而使離子推力器的研究與試驗(yàn)變得十分復(fù)雜。為了模擬、 檢測(cè)離子發(fā)動(dòng)機(jī)在宇宙空間的工作特性，中國(guó)從1976--1982年先后研制了5種離子發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備。其中二TS一1型設(shè)備直徑500mm、長(zhǎng)600mm，主要進(jìn)行顯離子源的放電性能試驗(yàn); TS--2型設(shè)備直徑800mm、長(zhǎng)1000mm，極限真空度1.3x 10-5 Pa，工作壓力2.7X10-3 Pa，主要用于離子源空心陰極性能試驗(yàn); TS-3型設(shè)備，用來(lái)測(cè)量離子發(fā)動(dòng)機(jī)束流特性、電特性、工質(zhì)流特性以及總體性能， 以期得到最佳結(jié)構(gòu)和工作參數(shù); TS一4型設(shè)備，主艙直徑1000mm，極限真空度6.7x10-5Pa，工作壓力為2x10-6x10-5Pa，用作離子發(fā)動(dòng)機(jī)壽命試驗(yàn); TS一5型設(shè)備， 整機(jī)尺寸4100x 2300 mm x1900 mm，極限真空度6.7x10-5Pa，工作壓力為2x10-4Pa ，用作陰極、蒸發(fā)器及中和器組件壽命試驗(yàn)。這5種試驗(yàn)設(shè)備的建立， 使中國(guó)的離子發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)手段基本配套， 成為完整的獨(dú)立體系。
TS-3型設(shè)備， 主要性能為: 直徑1000 mm，長(zhǎng)1800 mm， 極限真空度1. 3x10-4Pa，工作壓力為2x10-4 ~4x 10-4 Pa 。該設(shè)備主要由工作室、 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、 抽氣系統(tǒng)、液氮系統(tǒng)及電氣控制等組成， 配有離子發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)整套電源及檢測(cè)設(shè)備，裝有液氮熱沉及大面積液態(tài)冷阱， 能模擬宇宙空間狀態(tài)和排除大量汞蒸汽和防護(hù)汞中毒。工作室分為主艙和副艙，中間用一個(gè)直徑為400mm的插板閥隔開(kāi)。主艙內(nèi)部周?chē)袩岢晾浔诤透鞣N測(cè)試裝置， 熱沉壁溫80 K。副艙內(nèi)部裝有推力架。工作時(shí)，推力架將離子發(fā)動(dòng)機(jī)推人主艙進(jìn)行試驗(yàn)。抽氣系統(tǒng)選用油擴(kuò)散泵機(jī)組，油擴(kuò)散泵及其泵芯都采用不銹鋼材料制成， 以防工質(zhì)汞的腐蝕。電控系統(tǒng)可對(duì)裝置運(yùn)行、真空低溫等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制，有自動(dòng)報(bào)普系統(tǒng)，用Z -80微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。該裝置于1978年建成并投人使用。設(shè)備性能良 好，達(dá)到國(guó)外同類(lèi)設(shè)備性能水平。
3. 10航天器杭輻射加固模擬設(shè)備
航天器抗輻射加固技術(shù)是航天器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、 高可靠的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于航天器長(zhǎng)期在空間環(huán)境中運(yùn)行， 空間輻射環(huán)境在航天器上產(chǎn)生累積劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)、充放電和電磁干擾效應(yīng)等，會(huì)造成航天器材料和元器件性能的退化甚至失效， 從而影響航天器的性能和工作壽命。航天器抗輻射加固技術(shù)的任務(wù)就是研究空間輻射環(huán)境對(duì)航天器的影響和效應(yīng)，找出相應(yīng)的防護(hù)技術(shù)和加固技術(shù)，以確保航天器在預(yù)定的工作壽命期間可靠地工作。其主要研究?jī)?nèi)容包括:空間輻射環(huán)境研究， 空間輻射效應(yīng)研究，空間輻射效應(yīng)加固技術(shù)研究，空間輻射環(huán)境和輻射效應(yīng)模擬技術(shù)研究，抗輻射加固技術(shù)空間飛行驗(yàn)證試驗(yàn)等。
中國(guó)的空間抗輻射加固 模擬設(shè)備研制始于20世紀(jì)70年代末期， 并建立了以1.5MeV電子源為中心的航天器放電研究試驗(yàn)設(shè)備; 20世紀(jì)80年代末期到20世紀(jì)90年代中期， 先后建立了采用大面積電子槍的專(zhuān)用輻照試驗(yàn)設(shè)備，低能質(zhì)子輻照試驗(yàn)設(shè)備，CF-252源單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)設(shè)備和電磁脈沖模擬試驗(yàn)設(shè)備; 20世紀(jì)90年代末期，為進(jìn)一步提高中國(guó)空間輻射效應(yīng)和航天器抗輻射加固技術(shù)研究試驗(yàn)水平，中國(guó)從俄羅斯引進(jìn)了一批空間輻射效應(yīng)研究試驗(yàn)設(shè)備。這些設(shè)備包括: 以0.8--2.5MeV電子加速器為中 心的空間材料、 元器件和單機(jī)輻射效應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備， 航天器充放電研究試驗(yàn)設(shè)備， 激光單粒子效應(yīng)研究試驗(yàn)設(shè)備和以空間輻射環(huán)境因素為主的多因素空間環(huán)境研究試驗(yàn)設(shè)備。
3.11宇航員訓(xùn)練試驗(yàn)設(shè)備
宇航員訓(xùn)練試驗(yàn)設(shè)備是為宇航員在上天之前模擬空間環(huán)境而設(shè)置的地面模擬設(shè)備。中國(guó)于1968--1976年研制成功第一臺(tái)航天飛船模擬艙，為中國(guó)載人航天機(jī)構(gòu)提供了航天生命保障系統(tǒng)。該艙在解決了飛船密封座艙體內(nèi)氣體成分與壓力控制、濕度、溫度控制、氣體凈化、通風(fēng)、 噪音等一系列技術(shù)問(wèn)題后，可以對(duì)載人飛船、 航天飛機(jī)和空間站的微小氣候進(jìn)行工程和醫(yī)學(xué)研究，可以對(duì)宇航員進(jìn)行選拔和訓(xùn)練(包括宇航員的生活制度、飲食制度及能量代謝訓(xùn)練) ，可以對(duì)航天器的空氣再生、 凈化等生命保障系統(tǒng)和測(cè)試設(shè)備進(jìn)行考驗(yàn)和試驗(yàn)研究，還可以模擬特殊環(huán)境下(高溫、 低壓、 缺氧等環(huán)境條件) 對(duì)正常人的工作效率及環(huán)境傷害進(jìn)行試驗(yàn)研究。
設(shè)備的技術(shù)性能: a. 船體尺寸: φ2800 mm × 7000 mm; b. 真空度: 1.0x105 2.5x 104(可達(dá)4 x 103) Pa; c.通風(fēng)量: 1500-3000 m3/h; d.加熱: 5~4 0℃; e.濕度: 相對(duì)濕度15%~85%; f. 消音后的噪聲: 白天小于70 dB, 夜間小于60 dB; g. 高氧:氧濃度大于98%。設(shè)備主要包括; 船體、 真空抽氣系統(tǒng)(水環(huán)泵、機(jī)械泵)、通風(fēng)系統(tǒng)、加熱、去濕、消音、二氧化碳吸附器、 水冷卻系統(tǒng)、 電源控制系統(tǒng)等。
該設(shè)備研制成功后， 曾對(duì)中國(guó)首批宇航員進(jìn)行了為期14晝夜的地面試驗(yàn)， 圓滿(mǎn)地完成了各項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)。測(cè)試證明: 設(shè)備的主要性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
3.12 X射線望遠(yuǎn)鏡空間模擬檢測(cè)設(shè)備
它是1臺(tái)總長(zhǎng)70m的大型清潔超高真空空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備，主要用于X射線望遠(yuǎn)鏡(太空望遠(yuǎn)鏡)鏡頭和總體性能的檢測(cè)與模擬試驗(yàn)， 同時(shí)還可以用于檢測(cè)真空中光速、 精密光學(xué)器件表面的粗糙度等。
該設(shè)備于1982年研制成功，為亞洲第一臺(tái)，主要性能(如真空度、無(wú)油程度、機(jī)械振動(dòng)等) 均優(yōu)于國(guó)外同類(lèi)設(shè)備，達(dá)到近幾年國(guó)際水平。
其技術(shù)性能: a.設(shè)備主要尺寸: 檢測(cè)腔直徑1.2m、長(zhǎng)5.6m，光路管道直徑0.4m、長(zhǎng)64m，光源腔I直徑0.5m、長(zhǎng)1m，光源腔II直徑0.5m、長(zhǎng)1m，總長(zhǎng)70 m; b.工作真空: 檢測(cè)腔3.2x10 -5 Pa，光源腔3 .6x10-5 Pa，光路管道3.2x10-5Pa; c極限真空: 檢測(cè)腔4.8x 10-6Pa，光源腔3.46 x10-5 Pa ,光路管道3.46X 10-5 Pa; d，抽氣時(shí)間: 2h 內(nèi)可以從大氣壓抽到2.7 x 10-8Pa，可連續(xù)工作48h以上;。.無(wú)油程度: 容器內(nèi)碳?xì)浠衔锖啃∮?%;f.光路管道準(zhǔn)直度: 小于6mm; g. 振動(dòng)( 包括基底在內(nèi))
小于。0.87 μm。該設(shè)備由檢測(cè)腔、光路管道、光源腔和抽氣系統(tǒng)組成。其中抽氣系統(tǒng): a.主抽氣系統(tǒng): 檢測(cè)腔為濺射離子泵(800L/s) 6 臺(tái)、 升華欽泵(400 L/s)2臺(tái)， 光源腔為濺射離子泵(800 L/s) 2臺(tái)(每個(gè)光源腔1臺(tái)) ，光路管道為濺射離子泵( 600L/s)5臺(tái); b.預(yù)抽氣系統(tǒng): 由分子泵、分子篩阱、活性氧化鋁阱、 機(jī)械泵組成，從大氣壓到4kPa直接采用2X一30機(jī)械泵抽氣，從4kPa到10 Pa 通過(guò)吸附阱與機(jī)械泵抽氣， 從10Pa到2.6x 10-3 Pa用1500型分子泵抽氣，這種抽氣系統(tǒng)機(jī)械泵油的返流污染少。
4 空間材料的真空效應(yīng)評(píng)價(jià)
4 . 1 概 述
空間材料的真空效應(yīng)指航天器材料與空間真空環(huán)境的作用。材料的許多性能在真空中有可能發(fā)生變異， 其原因是蒸發(fā)、升華、出氣，從而導(dǎo)致材料的質(zhì)量減少。質(zhì)量減少的百分量稱(chēng)為“ 質(zhì)量損失” (ML),材料在真空中所減少的那部分質(zhì)量逸出到真空環(huán)境中，改變了真空環(huán)境的狀態(tài)，包括壓力、 密度和粒子的飛行方向。其中， 有些可能在較冷的表面上重新凝結(jié)， 并有可能對(duì)航天器敏感表面造成污染。這些重新凝結(jié)的物質(zhì)稱(chēng)為“ 可凝揮發(fā)物” (VCM) 。航夭器在無(wú)際的空間運(yùn)行， 選材的主要出發(fā)點(diǎn)是: 在額定的壽命期內(nèi)航天器是否能耐受空間真空環(huán)境及材料逸出物對(duì)敏感表面的污染程度。空間材料出氣的主要指標(biāo)不是出氣速度和出氣量，而是ML和VCM[5] 。
4.2 中國(guó)空間材抖真空效應(yīng)研究的現(xiàn)狀[6]
中國(guó)對(duì)空間材料的真空效應(yīng)研究始于1963年，并從空間環(huán)境的基本物理過(guò)程出發(fā)， 把材料空間效應(yīng)歸納為凝聚相表面相變過(guò)程、凝聚相聚體擴(kuò)散過(guò)程、 凝聚相之間交換過(guò)程、 凝聚相之間接觸過(guò)程，從而開(kāi)創(chuàng)了具有中國(guó) 特色的材料空間效應(yīng)學(xué)科新的方向。1963~1978年， 蘭州物理研究所先后進(jìn)行了包括材料蒸氣壓測(cè)定、材料常溫出氣、材料滲透、材料質(zhì)損、材料超高真空質(zhì)譜分析、材料冷焊試驗(yàn)、小型綜合環(huán)境材料原位檢漏、 可凝揮發(fā)物分子污染、 金屬材料高溫出氣等9 種材料空間效應(yīng)的試驗(yàn)，達(dá)到了世界先進(jìn)水平。在材料常溫出氣和金屬材料高溫出氣的基礎(chǔ)理論方面提出了新的“ 擴(kuò)散理論和“界面層假設(shè)”。在空間材料和零部件的性能試驗(yàn)方面，1965~1981年開(kāi)展了衛(wèi)星材料、 元件及防護(hù)設(shè)備空間電子輻射模擬研究工作， 開(kāi)展了空間材料及活動(dòng)部件的冷焊研究， 開(kāi)展了空間機(jī)械潤(rùn)滑研究和分子污染監(jiān)測(cè)器的研究工作。這些研究工作都取得了有價(jià)值的成果。
4.3 航天器教感表面的污染研究
航天器上有許多敏感部件( 如光學(xué)鏡頭、 觀察窗、太陽(yáng)電池蓋、熱控涂層、繼電器觸點(diǎn)、波導(dǎo)內(nèi)壁等) 表面需要清潔。這些敏感表面盡管在零件制造、 分系統(tǒng)裝配、 總裝過(guò)程已保持清潔，但仍有可能在地面熱真空試驗(yàn)和航天運(yùn)行期間遭受不同程度的污染。例如， 潤(rùn)滑用或?qū)嵊玫挠椭瑫?huì)通過(guò)表面到達(dá)敏感表面;姿態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的羽狀煙柱、 燃料電池拋出物及工作艙排出的廢物、 廢液會(huì)形成明顯的粒子狀污染; 衛(wèi)星本身的非金屬材料在真空中受熱情況下會(huì)放出可凝揮發(fā)物， 它們以單分子的形式蒸發(fā)、 升華、 分解逸出，而后以隨機(jī)方式沉積在冷的裸露表面上， 形成分子污染等。
污染的后果是嚴(yán)重的。例如美國(guó)雙子星座載人飛船觀察窗， 由于未加保護(hù)罩，受到嚴(yán)重的羽煙污染。
阿波羅8號(hào)飛船進(jìn)行首次繞月飛行時(shí)，由于硅橡膠密封圈污染了大觀察窗， 只好臨時(shí)移到污染較小的小觀察窗去照相和拍電視。阿波羅14號(hào)飛船密封馬達(dá)開(kāi)關(guān)在飛行期間失效， 其原因經(jīng)追查是一個(gè)比豌豆還小的室溫固化硅橡膠在馬達(dá)運(yùn)行時(shí)分解出低分子量氣相硅， 與石油基潤(rùn)滑劑一起在電刷電弧作用下形成碳粒， 增加了電刷痕跡導(dǎo)致馬達(dá)失效。
一般來(lái)說(shuō)， 分子污染的來(lái)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、 黏合劑、液壓油、 熱控涂層的油滲揮發(fā)物、 作為標(biāo)志的油墨、空氣中吸收的水氣和其它化合物、清洗溶劑等。經(jīng)分析，分子量在5 0 以下的永久氣體和低分子量有機(jī)化合物揮發(fā)性強(qiáng)， 在敏感表面上一般不會(huì)大量凝結(jié)，不影響工作; 分子量800以上的高分子化合物， 只要不分解， 蒸氣壓是很低的， 而大多數(shù)金屬材料蒸氣壓相當(dāng)?shù)停?故不會(huì)有可見(jiàn)的污染。因此， 污染成分主要是二氧化碳、水氣、電推進(jìn)器的汞、 艷等物質(zhì)以及50~800中等分子量的有機(jī)物。壽命長(zhǎng)的航天器。 即使污染物的分壓力很小，也會(huì)迅速地在冷的裸露表面冷壁上形成分子層污染。
分子污染過(guò)程包括單個(gè)分子揮發(fā)( 出氣) 、 空間輸運(yùn)以及在敏感表面上冷凝沉積等3 個(gè)步驟。就出氣而言， 結(jié)合蒸發(fā)率不難估計(jì)。但對(duì)于不同摩爾質(zhì)量組成的聚合物材料， 由于低摩爾質(zhì)量分子通過(guò)基體材料擴(kuò)散固化程度不均勻， 蒸氣壓處于非理想和非平衡狀態(tài)， 很難估計(jì)出氣率大小。就空間運(yùn)輸過(guò)程而言，污染與敏感表面對(duì)污染源距離、 方向和視場(chǎng)有關(guān)。一般認(rèn)為， 在分子流情況下， 揮發(fā)出來(lái)的分子以余弦定律向不同方向飛散。而達(dá)到敏感表面的量， 在分子流情況下與離開(kāi)污染的距離成反比， 與兩者邊線和敏感表面法線之夾角的余弦成正比。對(duì)于在敏感表面上冷凝沉積來(lái)說(shuō)， 污染取決于人射分子的特性、 敏感表面的特性及后者的熱力學(xué)溫度。
總之， 污染物如果揮發(fā)率高、 連續(xù)不斷、 離敏感表面近、 視場(chǎng)可見(jiàn)、 方向正對(duì)、 黏附機(jī)率大、 表面溫度低， 污染會(huì)很?chē)?yán)重， 甚至?xí)鄯e到可見(jiàn)污物滴液的程度。
4.4空間材料的綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備
( 1 ) 電子輻照下材料質(zhì)損檢測(cè)設(shè)備
空間材料經(jīng)電子輻照或未經(jīng)輻照，其在熱真空下的質(zhì)量損失是不同的。材料質(zhì)量損失是航天器選擇結(jié)構(gòu)材料及功能材料的重要指標(biāo)之一，也是評(píng)價(jià)材料真空性能的首選指標(biāo)。為了考察電子輻照與熱真空環(huán)境對(duì)材料的綜合效應(yīng)， 蘭州物理研究所于1974年研制了電子輻照下材料質(zhì)損檢測(cè)設(shè)備。該設(shè)備主要用于低軌道衛(wèi)星材料的評(píng)價(jià)， 其工作原理是在真空中采用卡恩型真空微量天平， 在給定的恒定溫度下對(duì)材料質(zhì)量損失的百分比進(jìn)行原位檢測(cè)。其真空度為10-3Pa，溫度范圍低于(50±1) t ; ， 天平的靈敏度為10-5g/mA 。 該設(shè)備由加速器和真空中材料質(zhì)損設(shè)備兩部分構(gòu)成。 在該設(shè)備中，靜電加速器產(chǎn)生的高能電子通過(guò)真空鐘罩上的鋁窗直接打在試樣上，然后用真空微量天平測(cè)試其質(zhì)損變化。
設(shè)備的真空系統(tǒng)由真空鐘罩、 金屬油擴(kuò)散泵、 機(jī)械泵組成。極限真空度為10 -3 ~10-4Pa。測(cè)試部分由真空微量天平、 溫度控制器及自動(dòng)測(cè)試部分組成。其中溫度控制由DWT-702精密溫度控制儀和加熱電爐構(gòu)成的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，其溫度控制在(50土1)℃。測(cè)試部分為自動(dòng)跟蹤測(cè)量，該數(shù)值最大誤差小于4 mW，最小可檢質(zhì)量損失為10-5g。
電子輻照條件: 電子能量為0.4~1.0 MeV，總通量為1.5x1015個(gè)電子/cm2，通量率為1.1×1012個(gè)電子/(cm2·s), 輻照時(shí)間為 1000 s。
(2) 石英晶體微量天平
石英晶體微量天平是專(zhuān)門(mén)用來(lái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試沉積膜質(zhì)量厚度的一種極為靈敏的儀器。利用儀器可以檢測(cè)空間材料可凝揮發(fā)物逸出率時(shí)間的變化，檢測(cè)航天器在軌飛行期間的自污染，檢測(cè)航天器及其部件在地面熱真空環(huán)境試驗(yàn)中的自 污染和他污染。
中國(guó)的石英晶體諧振型真空微量天平的研制始于1965年， 由蘭州物理研究所研制成功。它采用石英晶體作為敏感元件研制出“ 孿生晶體”結(jié)構(gòu)， 使用2只頻率相近的晶體分別組成震蕩器單元來(lái)測(cè)量其差頻信號(hào)， 能夠提高頻率的穩(wěn)定度， 降低對(duì)環(huán)境條件的苛刻要求。該儀器可直接檢測(cè)的最小蒸氣壓約為10-6Pa，比普通測(cè)量蒸氣壓的最好方法要靈敏二三個(gè)數(shù)量級(jí)， 同時(shí)還成功地用于空間材料揮發(fā)性可凝物逸出的測(cè)量。1972 -1975年， 蘭州物理研究所又研制了多維桿軸真空微量天平。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為: 天平的主橫梁采用具有三維空間的石英玻璃多維型梁架。裝載加 g 的負(fù)荷時(shí)形變很小， 在連續(xù)加溫500℃的工作條件下使用， 精度不受影響。采用浮力核準(zhǔn)法校準(zhǔn)，天平的偏轉(zhuǎn)靈敏度為5.08X10-5g/mm, 感稱(chēng)比10-7。 若使用最小讀數(shù)。0.01mm的移測(cè)顯微鏡，天平的最小感量可擴(kuò)展到5.08 X 10-7g, 精度1.5X10-6g ，可用于真空的測(cè)量和核準(zhǔn)及宇航材料的質(zhì)損測(cè)定。
用石英晶體微量天平檢測(cè)材料可凝揮發(fā)物逸出率(VCMER)的裝置， 主要包括真空測(cè)量室、 石英微量天平、 樣品臺(tái)、 分子沉、 加熱器、 無(wú)油抽氣機(jī)組、 測(cè)控溫裝置、 供電及檢測(cè)裝置、 恒溫循環(huán)裝置等。具體從略。樣品臺(tái)溫控范圍為25~180℃， 連續(xù)可調(diào)。晶體收集溫度用恒溫槽控制。晶體上收集到的可凝揮發(fā)物可根據(jù)余弦定律導(dǎo)出計(jì)算公式， 測(cè)其空間材料V C M E R隨時(shí)間的變化。石英晶體微量天平不僅可以用于檢測(cè)材料VCMER，而且可以檢測(cè)敏感表面所在位置的污染量。利用石英晶體微量天平技術(shù)制成的分子污染檢測(cè)器， 由于具有超靈敏、 小巧、 堅(jiān)固、 直接給出電信號(hào)( 頻率信號(hào)) 等優(yōu)點(diǎn)， 故已在航天器上廣泛采用。
(3)真空-紫外輻照設(shè)備
航天器在宇宙飛行過(guò)程中直接受到空間環(huán)境中太陽(yáng)紫外線和空間各種因素的聯(lián)合作用， 對(duì)硅太陽(yáng)、電池、 溫控涂層、 復(fù)合材料、 貓合劑等空間材料性能有明顯的影響， 特別是在波長(zhǎng)200~400 nm范圍內(nèi)的紫外輻照， 可以使硅太陽(yáng)電池?fù)p傷，電池效率下降， 甚至完全失效， 使溫控涂層老化變色， 導(dǎo)致吸收率增大， 使復(fù)合材料中的戮合劑透過(guò)率下降等。為了研究真空一 紫外輻照對(duì)材料及小部件在空間的穩(wěn)定性的影響， 蘭州物理研究所于20世紀(jì)80年代研制了真空-紫外輻照設(shè)備。該設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo): a.極限真空: p=10-8Pa; b. 工作壓力: p=10-8Pa; c.真空測(cè)試室: 直徑350 mm，長(zhǎng)度600 nm; d . 紫外光源:GXZ-300型遠(yuǎn)紫外汞氨燈，能輻射出強(qiáng)烈的200--300 n m遠(yuǎn)紫外光譜， 能使材料在7 5 0二 外被輻照，其紫外光照度為70 mW/cm2，相當(dāng)于5個(gè)紫外太陽(yáng)常數(shù)[7,8]。
該設(shè)備主要是由真空測(cè)試室、 超高真空機(jī)組、紫外光源及測(cè)試等部分組成。臥式結(jié)構(gòu)的真空測(cè)試室用不銹綱制成。為滿(mǎn)足輻照部件樣品多及小部件都可輻照的要求， 設(shè)備設(shè)置了直徑為120mm的石英玻璃窗口， 除石英玻璃窗口 和觀察窗口為氟橡膠密封外， 其余全部采用金屬密封結(jié)構(gòu)。選用L-600型濺射離子泵為主泵組成無(wú)油超高真空機(jī)組， 從而保證了真空-紫外輻照設(shè)備是一個(gè)清潔的無(wú)油真空環(huán)境的需要， 特別的紫外光源具有發(fā)光穩(wěn)定、 壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[9] 。具體從略。
設(shè)備建成后， 利用該設(shè)備規(guī)定的測(cè)試原理、 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)步驟， 對(duì)用單向碳纖維板材料制成的試樣進(jìn)行了真空一 紫外輻照下的材料和質(zhì)量損失側(cè)試。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出， 紫外比 紅外對(duì)材料質(zhì)損約大2 2%， 這是因?yàn)閱蜗?碳纖維材料中的環(huán)氧勃合劑變質(zhì)的緣故。從樣品上可以看到環(huán)氧經(jīng)紫外輻照后發(fā)黃。開(kāi)展了衛(wèi)星用熱控涂層真空一 紫外輻照測(cè)試， 如玻璃型二次表面熱控鏡，經(jīng)過(guò)輻照從測(cè)試的太陽(yáng)光譜吸收率及半球發(fā)射率數(shù)據(jù)來(lái)看， 紫外輻照對(duì)該鏡性能有一定的影響。原因是石英及氧化錮錫膜對(duì)紫外光吸收較大，吸收的能量改變結(jié)構(gòu)， 從而影響其性能。這使得對(duì)太陽(yáng)光的吸收率變大， 半球發(fā)射率變小，即性能變壞， 熱控涂層升溫。
(4) SF一3分子污染監(jiān)測(cè)器
1982年由蘭州物理研究所研制成功的SF-3分子污染監(jiān)測(cè)器是為空間材料揮發(fā)性可凝物、衛(wèi)星上分子污染及衛(wèi)星環(huán)模污染監(jiān)測(cè)的專(zhuān)門(mén)儀器。該儀器運(yùn)用石英晶體微量天平技術(shù)， 發(fā)展了孿生晶體法。主要體現(xiàn)在晶體切角適應(yīng)工作溫區(qū)，按頻溫曲線一致的原則配對(duì)，采用傳導(dǎo)式溫控等， 從而減輕了裝架應(yīng)力，使電路溫度系數(shù)小，易起振，輸出信號(hào)電平高，波形好，簡(jiǎn)單可靠，同樣使遙測(cè)接口刀具具有同步控制、定時(shí)取樣、采樣編碼，產(chǎn)生標(biāo)志及串行輸出等功能。
儀器的主要性能: a.分辨率: 10 MHz晶體為4.4 μg /cm2(鋁膜為0.016 nm), 5MHz晶體乘4; b.測(cè)量范圍: 10 M Hz晶體為0-900μg /cm2; (鋁膜為3.3μg)d . 頻漂: 72h不大于15 Hz; e 探頭使用溫度: -180~200℃; f. 功耗: 6W，可24h連續(xù)工作; g. 具有厚度與速率參量同時(shí)數(shù)碼顯示的特點(diǎn); h.具有厚度預(yù)置、 繼電器控制及蜂鳴報(bào)警等功能。
該監(jiān)測(cè)器通過(guò)了力學(xué)環(huán)境及空間環(huán)境試驗(yàn)， 是中國(guó)第一臺(tái)星載分子污染監(jiān)測(cè)器。其技術(shù)性能滿(mǎn)足了星載要求， 已在D-2型衛(wèi)星整星熱控試驗(yàn)中， 用311個(gè)晝夜監(jiān)測(cè)了3個(gè)不同方位的分子污染試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并推廣應(yīng)用到其它地面空間環(huán)境設(shè)備的分子污染監(jiān)測(cè)及真空鍍膜監(jiān)控中。
(5) 星用非金屬材料出氣污染性質(zhì)原位測(cè)試設(shè)備
近10年來(lái)，中國(guó)長(zhǎng)壽命、高可靠應(yīng)用衛(wèi)星的發(fā)展，使衛(wèi)星在軌分子污染問(wèn)題日益突出。為了有效預(yù)測(cè)、防護(hù)和控制污染的危害， 使之降低到盡可能低的量級(jí)， 1998 年蘭州物理研究所在參考研究了美國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ASTM E595系列的基礎(chǔ)上，制定了中國(guó)航天部QJ1558一88(真空環(huán)境下材料出氣總質(zhì)量損失、可凝揮發(fā)物標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法)，并研制了相應(yīng)的星用非金屬材料出氣污染性質(zhì)原位測(cè)試設(shè)備。該設(shè)備的功能為: 可原位、 連續(xù)、 定量測(cè)試星用非金屬材料出氣可凝揮發(fā)物率，給出全過(guò)程的出氣數(shù)據(jù)。設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)穩(wěn)定，測(cè)試儀器靈敏(最小可檢達(dá)4.4x10-8g/ m2 ) , 測(cè)試數(shù)據(jù)可靠。 設(shè)備可測(cè)試空間材料的出氣總量TML、可凝揮發(fā)物CVCM和水氣回收量WVR等三項(xiàng)指標(biāo)，是用作航天器非金屬材料在熱真空下的出氣分子污染測(cè)試、評(píng)估和研究的高靈敏設(shè)備，是中國(guó)目前惟一的多功位星用非金屬材料出氣污染高靈敏度原位實(shí)側(cè)設(shè)備， 整體設(shè)計(jì)和技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[10]。
設(shè)備主要性能指標(biāo): 極限真空: 小于1x10-5 Pa; 控溫精度: 正負(fù)0.1℃; 測(cè)量系統(tǒng)交叉干擾: 小于等于1H z ; 測(cè)量溫漂: 小于2 H z ( 4 h 內(nèi)) ; 可凝揮發(fā)物最小可檢量: 4.4x10-8g/cm2。
該設(shè)備由真空系統(tǒng)、 溫控系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)三大部分組成。真空系統(tǒng)由真空室、 渦輪分子泵、 旋片式機(jī)械泵組成。溫控系統(tǒng)樣品艙內(nèi)樣品控溫測(cè)溫采用2臺(tái)TDW-3902型電子溫度調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，并采用Pt100鉑電阻，盡可能提高控溫和測(cè)溫精度。測(cè)試系統(tǒng)采用石英晶體微量天平作為測(cè)試系統(tǒng)。應(yīng)用特點(diǎn)切角、 孿生晶體晶片差頻技術(shù)及特別裝配工藝以降低溫漂。同時(shí)采用中規(guī)模CMOs數(shù)字電路監(jiān)測(cè)顯示，使微量天平整機(jī)具備頻漂小、 溫區(qū)寬、 功耗小、 分辨率高等多項(xiàng)優(yōu)良 參數(shù)[11]。 具體從略。
5 展 望
5 . 1 真空獲得
(1) 在空間真空環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置方面。中國(guó)在衛(wèi)星、 宇宙飛船零部件、整機(jī)的空間真空環(huán)境試驗(yàn)中的小型模擬裝置已有近百臺(tái)。對(duì)這類(lèi)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是: 合理使用、 提高綜合多功能和自動(dòng)化程度， 逐步建立空間環(huán)境模擬預(yù)示和數(shù)據(jù)庫(kù)， 研究新的模擬方法， 完善綜合環(huán)境模擬， 開(kāi)展和完善計(jì)算機(jī)輔助空間真空環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)。今后， 還要隨著航天器的發(fā)展對(duì)大型空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備加強(qiáng)研究。
(2) 在航天器在軌排氣技術(shù)方法方面。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)， 完善超高真空和極高真空容器在軌排氣技術(shù)有許多工作要做。由于利用真空環(huán)境條件可以解決高真空容器的在軌排氣問(wèn)題， 而在軌應(yīng)用的小型真空系統(tǒng)在操作方面還存在一些技術(shù)問(wèn)題， 因此， 用小型分子泵加離子泵系統(tǒng)在地面模擬試驗(yàn)中 進(jìn)行超高真空、 極高真空試驗(yàn)是發(fā)展的必然。除此而外， 材料出氣對(duì)極高真空分子屏試驗(yàn)平臺(tái)的影響也是重要的研究課題之一。這幾個(gè)方面是目 前真空獲得技術(shù)較為薄弱的環(huán)節(jié)， 應(yīng)大力加強(qiáng)研究。
5 . 2 真空測(cè)量
中國(guó)的真空測(cè)量的水平雖已基本上適應(yīng)了地面模擬試驗(yàn)的需要， 但在解決10-11~10-13 Pa的極高真空測(cè)量方面還存在很多困難。要用已有的真空計(jì)測(cè)量空間真空中所遇到的特殊條件下的壓力， 還需要在工藝、 結(jié)構(gòu)、 原理、 理論等多方面進(jìn)行努力。
現(xiàn)今實(shí)際用于極高真空測(cè)量的幾乎全是不同類(lèi)型的電離規(guī)。電離型極高真空規(guī)的進(jìn)一步發(fā)展還有賴(lài)于新型陰極小電流測(cè)量和電子倍增器的發(fā)展。從更廣泛的意義講， 極高真空的測(cè)量還有待于新原理的提出、 新技術(shù)的應(yīng)用和新概念的突破。需要研究極高真空條件下的物理化學(xué)現(xiàn)象和表面效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響， 探討表征極高真空的更為本質(zhì)的物理量， 開(kāi)拓非均勻超稀薄氣體環(huán)境下真空測(cè)量的新領(lǐng)域。
在傳統(tǒng)的真空應(yīng)用領(lǐng)域中， 對(duì)真空計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的精度和準(zhǔn)確度沒(méi)有過(guò)高的要求，但是，空間科學(xué)卻要求真空計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)有高的精度和準(zhǔn)確度。由此， 要求建立超音速分子流校準(zhǔn)系統(tǒng)和非穩(wěn)態(tài)流校準(zhǔn)系統(tǒng)等特殊的真空計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。
在完善和改進(jìn)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)性能的基礎(chǔ)上， 注重提高標(biāo)準(zhǔn)的 精度以及延伸校準(zhǔn)的上、下限。
5.3 質(zhì)語(yǔ)與檢漏
質(zhì)譜分析儀器是在航天器上使用的主要的真空儀器， 在空間探測(cè)、 載人航天、 航天器誘發(fā)污染環(huán)境監(jiān)測(cè)、 火箭技術(shù)和地面模擬中將繼續(xù)獲得新的應(yīng)用。各種質(zhì)譜儀的完善和數(shù)據(jù)采集的計(jì)算機(jī)化是發(fā)展的必然 [12]。
檢漏技術(shù)在空間真空技術(shù)中既有理論性的探討， 也有實(shí)用的普及問(wèn)題。為了確保航天器密封性及低溫流體的安全輸送和長(zhǎng)期儲(chǔ)存，真空檢漏技術(shù)占 有重要的地位。 快速、 準(zhǔn)確地對(duì)大容器進(jìn)行檢漏， 始終都是航天器真空技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)之一。該技術(shù)檢測(cè)靈敏度高，可靠性強(qiáng)， 檢測(cè)周期短，能夠適應(yīng)各種航天器的常規(guī)檢漏， 是航天器泄漏檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向[13]。
5.4 空間真空新工藝
空間真空新工藝是空間真空技術(shù)中有待開(kāi)發(fā)的新領(lǐng)域之一。由于其實(shí)用性強(qiáng)、 所取得的效益好， 所以頗受各國(guó)重視。除需要繼續(xù)加強(qiáng)研究真空鍍膜、 離子束刻蝕、局部真空電子束焊外， 還應(yīng)該開(kāi)發(fā)的空間真空新工藝有在軌航天器上真空新工藝的應(yīng)用、 新型空間真空條件下的焊接、 表面改性技術(shù)等。
|
