光学器件的空间粉尘高速撞击效应研究

董尚利，刘 海，吕 钢，李延伟，杨德庄，何世禹

（哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 150001）

0 前言

空间粉尘（space dust）的称谓来源于空间探测，最初系指宇宙尘埃，后来人们习惯性地将µm级或更小尺寸的空间碎片和微流星体也称为空间粉尘[1-2]。在低地球轨道，微小空间碎片或微流星体的数量远多于大尺寸空间碎片，与航天器撞击的概率高，微小空间碎片的单次高速撞击不会对航天器造成严重损害，但累积撞击会使航天器的表面受到损伤，其中热控涂层、太阳能电池及光学器件（如反射镜、透镜、防护玻璃和舷窗）受到的撞击损伤最大[1,3]。随着对航天器寿命和可靠性要求的不断提高，微小空间碎片或微流星体高速撞击特性及其对航天器外表材料和器件的累积损伤效应日益引起重视。国内有关单位在“十五”末期和“十一五”期间先后建立起激光驱动[4]、等离子驱动[5]和静电加速[6]等地面模拟试验技术，形成了百µm级和µm级空间碎片高速撞击特性及效应研究的能力[7]，并以光学玻璃[8]、航天器舷窗[9]和太阳能电池[10]等典型材料及器件为对象开展了研究。

静电加速器是一种被广泛应用的微小粒子高速撞击模拟试验装置，依据所选用微小粒子的不同，可将µm级或亚µm级的粒子加速到每秒几km至数十km[11-15]。“十一五”期间，在国家空间碎片专题研究项目支持下，哈尔滨工业大学利用建立的空间粉尘静电加速高速撞击模拟试验装置对光学器件、表面镜型热控涂层和太阳能电池在µm级粒子高速撞击下的累积损伤特性及效应进行了较为系统的研究，探索了空间粉尘高速撞击效应的模拟与评价技术。本文重点介绍有关光学器件的研究结果。

1 试验样品和试验

1.1 试验样品

分别选择光学石英玻璃、光学透镜和反射镜为试验样品，3种试样的直径为20 mm，玻璃基体的厚度为3 mm。其中，光学透镜的基体为K208抗辐射玻璃，双面分别镀有厚度为数百nm的MgF2+ ZrO2+Al2O3复合增透膜；反射镜的基体为抗辐射石英玻璃，采用Ag为反射镜面，其表面镀有Al2O3和SiO2保护膜，反射膜的总厚度亦为数百nm；同时，为便于观察被撞击试样表面的损伤形貌，在光学石英玻璃表面采用真空蒸镀的方法沉积了一层厚度为百nm的白金（Pt）。图1所示为用于静电加速试验的光学透镜和反射镜样品。

1.2 静电加速撞击试验

空间粉尘高速撞击模拟试验在静电加速器上进行，采用名义尺寸为1 10 µm的铝粉充当µm级空间碎片或微流星体的模拟体，铝粉的典型形貌如图2。该静电加速器采用静态和动态二级分段加速的工作方式，与常规的Van de Graff静电加速器相比，大幅度降低了额定工作电压[5]，试验装置及其工作原理如图3所示。加速铝粉时，粉尘发射器的工作电压为10 kV，静态段的加速总电压为150～160 kV，动态段的加速总电压为450～520 kV。加速试验过程中的测控及数据存储由设备控制台上的计算机执行；被成功发射、静态加速和动态加速的粒子速度可由测控程序实时显示，铝粉粒子被动态加速进入靶室前的速度 V56即为中靶速度。静电加速器的靶室真空采用机械泵和扩散泵组合的方式控制，撞击试验过程中，靶室的真空度可达10-3Pa。

图1 粉尘静电加速撞击试验用样品Fig. 1 Samples applied in space dust electrostatic accelerating impact test

图2 铝粉粒子的形貌Fig. 2 SEM morphology of the aluminum microparticles

图3 粉尘静电加速器及其工作原理图Fig. 3 The electrostatic accelerator of space dust and its operation principle scheme

1.3 撞击特性和效应分析试验

被撞击光学器件试样表面损伤形貌特征观察在Hitachi S-4700型扫描电子显微镜上进行，显微镜的加速电压为15 kV，同时利用该电镜附带的EDAX能谱仪进行微区成分分析。光学透镜的透过率和反射镜的反射率经给定数量铝粉粒子累积撞击前后采用PE Lambda 950型紫外/可见光分光光度计实施测评，所测定的波长范围为200～2 500 nm。此外，还利用自行研制的原位测试装置并配合使用双通道高频数字示波器，探测了高速撞击过程中可能产生的等离子体和发光效应。

2 试验结果及分析

2.1 撞击损伤特征

对1～10 µm铝粉进行加速，所获得的中靶速度一般分布在2～12 km/s之间，有时会达到15 km/s或更高的速度。在上述速度撞击下，µm级铝粒子单次撞击在光学器件表面造成的损伤区域有限，利用肉眼或普通光学显微镜很难分辨清楚，必须采用具有高分辨能力的电子显微镜（如扫描电镜）进行观测。

观测结果显示：经µm级铝粒子累积撞击后，表面镀膜石英玻璃、光学透镜和反射镜表面产生不连续的缺陷，图4～图6分别所示为扫描电镜对表面镀膜石英玻璃、光学透镜和反射镜表面典型损伤特征的观测结果。由图4可以看到石英玻璃试样的镀膜被掀起并机械破裂（图4(a)）和产生二次裂纹（图4(b)）；由图5和图6也可观察到撞击后的光学透镜和反射镜试样有撞击坑、二次裂纹（图5(a) 、图6(a)）与附着的粒子（图5(b) 、图6(b)）。此外，对被撞击光学器件表面观测还发现了局部熔化现象（见图7(a)），并对图7(a)中的“+”号标识的局部区域进行了能谱分析（见图7(b)），分析认为局部熔化是由铝粒子高速撞击靶材所导致的结果。

图4 表面镀膜石英玻璃表面撞击损伤形貌（SEM）Fig. 4 SEM surface damage morphology of the coated silica glass induced by hypervelocity impact

图5 光学透镜表面撞击损伤形貌（SEM）Fig. 5 SEM surface damage morphology of the optical lens induced by hypervelocity impact

图6 光学反射镜表面撞击损伤形貌（SEM）Fig. 6 SEM surface damage morphology of the optical reflector induced by hypervelocity impact

图7 铝粒子高速撞击表面镀膜石英玻璃过程中产生的局部熔化Fig. 7 Local melting phenomenon observed during hypervelocity impact of aluminum microparticle on silica glass

2.2 撞击损伤效应

为评价铝粉粒子高速累积撞击后的损伤效应，在对被撞击光学器件试样进行表面损伤特征分析的基础上，本文还选取典型光学透镜和反射镜试样，利用分光光度计分别测试了经给定数量的铝粉粒子高速撞击后光学透镜的透过率和反射镜的反射率，测试结果见图8。由图8可以看出，经1 10 µm 铝粉粒子累积千次以上的撞击后，光学透镜的透过率和反射镜的反射率在测试波长范围内下降了约1%～3%，远远低于百µm级空间碎片撞击模拟试验的结果[9]，表明光学透镜和反射镜的光学性能经µm级粒子撞击后仅发生了较小程度的衰减。

图8 铝粒子高速累积撞击对光学透镜透过率和反射镜反射率的影响Fig. 8 Influence of accumulated impacts of aluminum microparticles on transmissivity of lens and reflectance of reflector

上述结果显示：经µm级铝粉粒子高速累积撞击后，光学透镜和反射镜的光学性能发生了很小幅度的退化，其原因在于撞击粒子的尺寸小，所造成的损伤有限。尽管如此，空间粉尘高速撞击对航天器所造成的累积损伤效应也不应忽视，这是因为图8的结果仅考虑了空间粉尘单一因素的高速撞击作用，并没有涉及其他环境因素如原子氧侵蚀、带电粒子辐照和真空冷热循环的综合作用，这是今后空间粉尘环境综合效应研究的工作重点。

2.3 等离子体和发光效应

微小空间碎片或微流星体相对于航天器的典型速度为10～15 km/s（能量约为107～108J/kg或10～300 eV/原子），这些微小粒子在撞击固体目标时，碰撞能量释放极快（约10-10～10-8s内），撞击过程可视为一个绝热过程。撞击过程中，在直线尺寸接近于撞击微小粒子的碰撞区域内，发生固体的压缩，冲击压力可达1011～1012Pa；在产生变形和发生机械破坏的同时，还可能会产生等离子体云、发光或引起充电表面发生放电、电磁波辐射等次生效应[16]。理论分析已推断或空间搭载试验已证实空间碎片高速撞击过程中上述各效应的存在。因此，在进行地面模拟试验时，需要建立有效的评价、测试和分析方法，以正确揭示这些效应及其物理本质。

本文在利用粉尘静电加速器考察µm级铝粒子高速撞击光学器件损伤特性及效应的同时，还以光学透镜为对象，探索了测定粒子高速撞击过程中产生等离子体和发光效应的技术途径，成功研制了等离子体和发光效应的原位测试装置，并配合使用高频数字示波器分别同时捕捉并记录下了铝粒子撞击光学透镜过程中的粒子速度和电离谱及粒子速度和光电子谱，确认了等离子体效应和发光效应的存在。

原位测试装置如图 9所示，其基本工作原理为：透镜试样（图中的靶材）固定在测试装置的中部；在透镜试样的正前方（撞击面）是等离子体测试单元，即采用正离子检波的方式捕捉撞击产生的等离子体；在透镜的背面是光子测试单元，即采用光电倍增管捕捉撞击产生的光子；另外，在原位测试装置最前端（粒子入射处）又单独设置了粒子测速系统，对粒子的速度进行测定，如图9(a)所示。原位测试装置所获得的速度信号、等离子体信号和光电子信号同时记录存储，实现效应的原位测试。在撞击试验前，将原位测试装置安装于粉尘静电加速器靶室前部接近粒子入口处（图 9(b)）。试验中所测得的各信号传输到双通道高频数字示波器与控制台的计算机。图10是示波器显示µm级铝粒子高速撞击光学透镜过程中产生的等离子体和发光效应的测试结果。

国外在开展空间粉尘撞击效应研究中，除了关注高速撞击过程中可能产生的等离子体、发光、放电、电磁辐射等次生效应对航天器造成的危害外，还对如何利用这些次生效应的研究感兴趣，已研制出等离子效应型探测器并成功运用于空间环境的探测。这方面的工作将是国内空间粉尘撞击效应研究的另一个重点。

图9 微小粒子高速撞击诱发等离子效应和发光效应原位测试装置Fig. 9 Facility for in situ testing of plasma or light flash induced by microparticle hypervelocity impact

图10 铝粒子高速撞击光学透镜产生的等离子体和发光现象Fig. 10 Phenomenon of plasma and light flash induced by aluminum microparticle hypervelocity impacting optical lens

3 结论

本文以光学器件为对象，开展空间粉尘环境效应的模拟与评价研究，利用粉尘静电加速器、扫描电镜、能谱仪、分光光度计和多通道高频数字示波器，考察了µm级粒子高速撞击表面镀膜石英玻璃、光学透镜及反射镜的累积损伤特性和撞击效应，得到以下主要结论：

1）粉尘静电加速器是模拟µm级空间碎片和微流星体高速撞击的一种有效地面试验手段，本文介绍的试验条件下，可将名义尺寸为1～10 µm的铝粉粒子加速到2～12 km/s或更高的速度；

2）µm级粒子高速撞击石英玻璃、光学透镜和反射镜所造成的损伤特征主要为撞击坑、表面膜的破损和开裂、局部熔化或撞击粒子的附着等；

3）µm级粒子累积撞击将导致光学器件的光学性能发生一定程度衰减，经千次以上的撞击后，光学透镜的透过率和反射镜的反射率降低了约1% 3%；

4）本文试验条件下，采用原位测试技术探测到µm级铝粒子高速撞击所诱发的等离子体和发光现象，已证实了微小粒子高速撞击过程中等离子体的产生和发光效应的存在。

（

）

[1] Belk C A, Robison J H, Alexander M B, et al. Meteoroids and orbital debris: effects on spacecraft, NASA-RP 1408[R], 1993

[2] Wills M J, Burchell M J, Ahrens T J, et al. Decreased value of cosmic dust number density estimates in the solar system[J]. Icarus, 2005, 176: 440

[3] 黄本诚. 空间环境工程学[M]. 北京：国防工业出版社, 1993: 130-140

[4] 董洪建, 童靖宇, 黄本诚. 真空环境下空间碎片超高速撞击试验研究[J]. 真空科学与技术学报, 2004, 24(2): 109-112

Dong Hongjian, Tong Jingyu, Huang Bencheng. Impact simulation of hypervelocity space debris in vacuum environment[J]. Vacuum Science and Technology, 2004, 24(2): 109-112

[5] 韩建伟, 张振龙, 黄建国, 等. 利用等离子体加速器发射超高速微小空间碎片的研究[J]. 航天器环境工程, 2006, 23(4): 205-209

Han Jianwei, Zhang Zhenlong, Huang Jianguo, et al. Launching of hypervelocity micro space debris by plasma accelerator[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2006, 23(4): 205-209

[6] 白羽, 庞贺伟, 龚自正, 等. 一种微米级粒子的静电发射加速装置[J]. 航天器环境工程, 2007, 24(3)：140-144

Bai Yu, Pang Hewei, Gong Zizheng, et al. A liner electrostatic accelerator for simulating micro-particles[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2007, 24(3): 140-144

[7] 杨继运, 龚自正, 张文兵, 等. 微米级空间碎片超高速撞击地面试验技术的研究进展[J]. 宇航学报, 2008, 29(4): 1112-1115

Yang Jiyun, Gong Zizheng, Zhang Wenbing, et al. Progress in hypervelocity impact test techniques for micron-sized space debris[J]. Journal of Astronautics, 2008, 29(4): 1112-1115

[8] 姜利祥, 白羽. 空间粉尘高速撞击对光学玻璃透过率影响的研究[J]. 航天器环境工程, 2005, 22(4): 215-218

Jiang Lixiang, Bai Yu. A study on effect of high-speed space dust collision on transmittance of optical glass[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2005, 22(4): 215-218

[9] 庞贺伟, 龚自正, 张文兵, 等. 航天器舷窗玻璃超高速撞击损伤与M/OD撞击风险评估(英文)[J]. 航天器环境工程, 2007, 24(3): 135-139

Pang Hewei, Gong Zizheng, Zhang Wenbing, et al. Hypervelocity impact damage of fused silica glass and M/OD impact risk assessment of spacecraft windshield[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2007, 24(3): 135-139

[10] 李宏伟, 黄建国, 韩建伟, 等. 空间微小碎片撞击对太阳能电池性能影响[J]. 航天器环境工程, 2010, 27(3): 290-294

Li Hongwei, Huang Jianguo, Han Jianwei, et al. The property degradation of solar cell under cumulative impact of small space debris[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2010, 27(3): 290-294

[11] 杨继运, 龚自正, 张文兵, 等. 粉尘静电加速器设备原理及发展状况[J]. 航天器环境工程, 2007, 24(3): 145-147

Yang Jiyun, Gong Zizheng, Zhang Wenbing, et al. The principle and development of dust electrostatic accelerator[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2007, 24(3): 145-147

[12] Burchell M J, Cole M J, McDonnell J A M, et al. Hypervelocity impact studies using the 2 MeV Van de Graff accelerator and two-stage light gas gun of the University of Kent at Canterbury[J]. Meas Sci Technol, 1999, 10: 41-50

[13] Stubig M, Schafer G, Ho T Mi, et al. Laboratory simulation improvements for hypervelocity micrometeorites impacts with a new dust particle[J]. Planetary and Space Science, 2001, 49: 853-858

[14] Hasegawa S, Hamabe Y, Fujiwara A, et al. Microparticle accelerator for hypervelocity experiments by a 3.75 MeV Van de Graff accelerator and 100 keV electrostatic accelerator in Japan[J]. International Journal of Impact Engineering, 2001, 26: 299-308

[15] Manninga H L K, Cregoire J M. An upgraded highvelocity dust particle accelerator at Concordia College in Moonrhead Minnesota[J]. International Journal of Impact Engineering, 2006, 33: 402-409

[16] Lai S T, Murad E. Hazards of hypervelocity impacts on spacecraft[J]. Journal of Spacecraft & Rockets, 2002, 39(1): 106-114