航天器材料出气动力学测试方法应用综述

乔　佳，王先荣，王　鹢，杨生胜，颜则东，蒋　锴

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州　730000）

航天器材料出气动力学测试方法应用综述

乔佳，王先荣，王鹢，杨生胜，颜则东，蒋锴

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

为了精确地预测污染物对卫星系统性能的影响，许多国家制定了相应的航天器材料出气动力学测试方法，其中美国材料与试验协会（ASTM）制定的ASTM E1559航天器材料出气污染特性测试标准更为先进。此测试方法与以往实验方法相比，可以对材料出气特性进行原位测量，并且可以获得与时间和温度相关的沉积动力学模型。文中介绍了几种常用的航天器材料出气动力学测试方法，着重介绍了ASTM E 1559测试方法的主要内容，基于这种方法的国内外的应用，最后对该方法进行分析得出：该方法可以进行原位测试，可以获得不同温度敏感表面的沉积特性，温度变化范围广，低温可达90 K，并且基于该方法，利用四极质谱仪可以对污染成份进行实时的分析，对我国基于ASTM E 1559实验方法应用具有参考价值，有助于提高我国对航天器材料出气污染预估水平。

ASTM E 1559；材料出气；凝结；污染物成份

0　引言

空间环境下材料体内或者表面某些成份发生分解、扩散释放、蒸发、升华等过程而脱离表面，并以单分子形式随机沉积于航天器表面而造成敏感表面功能下降或性能失效称之为空间分子污染［1］。近年来，空间分子污染对卫星的影响越来越受到重视。由于卫星的长寿命、有效载荷的高性能，对污染控制的要求越来越高［2］。材料在真空环境下出气产生的分子污染是污染的主要来源之一，卫星敏感表面的光学性能退化是出气分子污染造成的主要效应，必须对其影响进行分析及控制。分子污染沉积造成的性能退化有多方面的后果，主要影响热控表面、光学表面、太阳电池的工作性能。分子污染沉积于热控表面，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。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，信号强度减少，信噪比下降。对于太阳电池翼，分子污染沉积会增加太阳电池板温度，使得太阳能电池输出功率下降。随着卫星长寿命、高可靠的要求，所使用的环境更加特殊，如低温光学载荷在轨工作温度为150 K甚至更低的温度，这样的低温表面更易凝结污染物。因此，对污染控制提出的更为严格的要求，必须要建立相应的实验方法和实验设备。而且随着应用卫星技术的发展，研究人员发现空间污染效应的产生和影响程度与污染物的成份密不可分，沉积到敏感表面的不同污染物对敏感表面性能的影响不同。因此，针对工程实际需要，极有必要在材料筛选的基础上，对其出气和可凝物成份及影响做进一步研究，这将对卫星的污染控制和在轨污染效应的评估有非常重要的工程价值［3］。

但是，之前的ASTM（American Society of Testing Materials）测试方法如ASTM E 595［4］，此标准规定采用单一试样，单一沉积温度，单一的试验持续时间，而且无法对污染物进行成份分析，这并不能满足航天系统污染分析的实际需要。因为在进行模拟或者分析时，需要与时间和温度相关的沉积动力模型作为输入数据。认识到这种不足之后，空间力学材料实验室非金属材料组（Air Force Material Laboratory Non-Metallic Material Group）委托Lockheed导弹与空间公司开发了一个新的测试方法，并且提供给ASTM，成为了1559标准［5］。文章研究了ASTM E 1559测试方法的主要内容，基于这种方法的国内外的应用，最后对该方法进行分析得出：该方法可以进行原位测试，可以获得不同温度敏感表面的沉积特性，温度变化范围广，低温可达90 K，并且基于该方法，利用四极质谱仪［6］可以对污染成份进行实时地分析，对我国基于ASTM E 1559实验方法应用具有参考价值，有助于提高我国对航天器材料出气污染物预估水平。

1　ASTM E 1559实验简介

测量材料出气和沉积动力学参数的ASTM E 1559标准［5］，图1为实验装置图。图中给出了石英晶体微天平QCM收集方法，材料样品被安放在处于真空室内温控出气单元中。材料放气流离开出气单元，碰到几个处于特定温度的QCMs上，其中一个QCM是被液氮冷却的低温天平，可以收集所有碰撞于其表面的分子污染物。材料出气的原位总质量损失（TML）和出气速率数据的获取直接来源于低温天平上的污染物沉积量和出气单元出气孔到QCM的视角因子。可凝挥发物（VCM）数据的获取来源于沉积在温度较高QCM表面上污染物占材料出气污染物的百分比。

图1　实验装置图

在等温出气实验后，对沉积的分子污染物进行QCM的热重分析（QTGA）测试。以稳定的速率分别将QCMs从基底温度加热到398 K，使得沉积在QCMs的污染物挥发，同时测出仍保留在QCMs上的污染物质量与时间和温度的函数关系［4］。

ASTM E1559是基于上述的QCM收集方法设计出来的，有两种测试方法，分别为测试方法A和测试方法B。方法A对测试中的各项参数进行了严格规定：

（1）3台QCM的工作温度（分别在90 K、160 K、298 K）；

（2）出气单元的温度；

（3）设备尺寸和几何形状。

从而确定QCMs到出气单元的标准视角因子。方法B则允许用户自行选择试样加热温度、天平温度等参数，使得针对特定任务进行材料出气试验成为了可能。两种方法除了这些参数不同，其他（如实验步骤）都是相同的。

2　基于ASTM E 1559实验方法的国外应用

2.1模型验证

Hayashi等［7］利用ASTM E 1559实验数据评价了在热真空条件下，分子污染物出气、传输和沉积的基本数学模型。在评价出气模型时，TML与时间的关系如图2所示，t=0-144 h测试数据的残差比t=72-144 h测试数据的残差大，这是由样品早期出气引起的。

图2　Kevlar 29-10 TML出气速率曲线图

在评价传输模型时，Hayashi等在以下条件下，对白漆进行实验。

（1）QCM2和QCM3视角因子不同；

（2）QCM2和QCM3的温度为233 K。

假设只有直接传输的行为，那么每个QCM沉积速率的比率表示如下：

图3为白漆的沉积比率，式（1）所获得的理论值基本符合10 h以后的数据，但并不符合10 h之前的数据。这表明存在其他传输过程：扩散反射、谱反射与周围气体分子的散射或出气分子的自散射。

图3　KE-3497白漆沉积比率曲线图

在评价粘附模型时，图4显示了VCMs与时间的关系，与其他VCMs曲线相比。沉积在298 K QCM上的VCM模型与实验数据不符。这个差异是由于沉积在QCM上样品重新蒸发引起的，但是这些理论模型并未考虑蒸发效应。因此提出了一种包括蒸发效应的沉积模型，并且与实验数据相比较，结果如图5所示，显示了蒸发仿真与实验结果。

图4　NextelAF-62可凝挥发物沉积量曲线图

图5　重新蒸发模拟结果曲线图

2.2提供输入参数

Hall等［8］开发一种新的污染物预测代码，ASCME（Aerospace Satellite Contamination Model Evaluator），在开发过程中，利用非线性最小平方技术（NLLS）从ASTME 1559污染数据库中提取了模型参数，以减少拟合曲线与实验数据的平方差和，然后利用这些数据对光化学沉积构想进行验证，结果如图6所示。

图6　ASCME用NLLS拟合方法计算的结果与用ASTME 1559实验方法测量来自AS4/3501-6碳纤维/环氧热固树脂之间的对比曲线图

2.3研究物质的物理性质

Woronowicz等［9］描述了如何用ASTM E 1559 MOLEKIT设备，在不对设备进行修改的情况下，测量水蒸气升华情况，如图7所示，将这些数据与现存的平衡蒸气压模型进行比较。此外，从理论上，对水蒸气解吸行为进行深入研究。从单原子到双原子材料平衡蒸气压PV表达式变化过程可知，对于多原子分子，在计算平衡蒸气压时，有必要考虑在转换热中允许能量状态的温度依赖性。PV，H2O的Murphy-Koop公式，考虑了这些因素，能以较高的精度拟合各种实验所测的从室温至少到120 K温度范围的结晶冰解吸数据。

图7　QCM温度为125 K分子动力学设备中H2O解吸反应图

2.4更新数据库

Wood［10］等总结并更新了NASA/SEE航天器污染和材料出气效应数据库（SCMOEK）。讨论了材料出气，低温膜光学性质，循环实验和空间环境效应等。这个数据库包括了将近675种材料出气数据文件，这些数据主要是基于ASTM E 1559方法测出。

NASA计划例如国际空间局（ISS），James Webb空间望远镜（JWST）等都会使用这些数据进行新开发材料的筛选。毫无疑问，基于E1559方法所测的实验数据对于这些计划顺利进行是非常关键的。

基于ASTM E 1559实验方法的应用主要包括分子污染物相关模型的验证，提供相关算法或者模型的输入参数，获得某些物质的物理特性，从而为相关数据库的更新提供了数据。

3　基于ASTM E 1559实验方法的国内应用

2012年，院小雪［2］针对白漆材料，基于ASTM E 1559实验方法，进行了348 K、398 K温度条件下的材料出气特性试验如图8所示，根据试验结合材料出气率经验公式，确定了白漆材料出气率的拟合公式，为简化计算，对出气率取平均，确定白漆材料293 K温度条件下的出气率为4.98×10-10g/（cm2·s）。然后将白漆材料加热到348 K温度下进行出气试验，利用3台石英晶体微量天平，获得了82 K、150 K和249 K温度表面白漆出气污染物沉积数据，如图9所示。

图8　白漆材料348 K、398 K温度条件下天平频率变化曲线

图9　材料出气在82 K、150 K和249 K温度表面沉积天平频率变化曲线

结合粘附系数理论公式，得出了白漆材料粘附系数的拟合公式，可以确定电池翼表面温度为113 K时的粘附系数为0.74，电池翼表面温度为323 K时的黏附系数为0.12。

国内常用的测量材料出气实验方法为ASTM E595，单一的敏感表面的温度，单一的样品温度，异位测量，从而导致的实验繁杂、误差大。而基于ASTM E 1559实验方法，可以测出不同温度敏感表面可凝挥发的质量，最低温度可达90 K，原位测量总出气质量，并且方法所使用的QCM精度高，可以对沉积在表面的出气污染物质量进行实时的检测，最终可以获得与时间和温度相关的出气和沉积动力模型。

对出气物成份分析时，以前一般是先将材料进行常规热真空出气测试，然后将收集到的可凝物质用丙酮溶解制成样品，利用气相色谱质谱联用分析仪对该样品进行分析，这是一种静态的分析方法［11］。而基于ASTM E 1559实验方法，利用四极质谱仪对出气污染物和可凝挥发物的成份进行实时监测分析，并且可以给出每种污染物的压强，从而可以获得出气污染物成份与温度和时间的关系。

4　ASTM E 1559实验方法的分析

Coleman等［12］研究了Tefzel绝缘材料出气产物UV光化学沉积特性，通过相关实验获得了其光化学沉积速率，并且与ASTM E 1559实验获得的Tefzel出气产物的沉积速率进行比较，结果如图10所示。

图10　Hi-Air Velcro标准化沉积出气速率曲线图

图中所显示的ASTM E 1559数据是针对三种不同收集面温度：160 K、220 K和298 K。在283 K下测量的光化学沉积速率与在220 K和298 K下测出的可凝污染物出气速率相比，光学沉积速率与在220 K下测出的可凝污染物出气速率更相似。进一步研究发现，当光化学沉积测量使用353 K污染源，而ASTM实验使用一个393 K污染源，相似程度更明显。结果表明ASTM E 1559所测的有效可凝物出气速率并不能对受光照的航天器表面的污染情况进行保守地模拟。若对此课题进行深入的研究，找出不同的原因，并对ASTM E 1559方法或者设备进行改进，使其能测出在原子氧腐蚀或者紫外辐照环境下，材料出气污染物的沉积特性，这样获得的数据更能体现空间环境中航天器材料出气污染物相关特性。

5　总结

通过总结航天器材料出气动力学测试方法国内外应用，尤其是基于ASTM E 1559实验方法的国内外应用，如进行模型验证、获得相关参数、研究物质物理特性、扩展了相关数据库等，及对该方法进行了分析，从而可以得到如下结论：

（1）ASTM E 1559可以应用于模型验证、获得相关参数、研究物质物理性质、更新数据库；

（2）ASTM E 1559可以进行原位测量，敏感表面温度可变，最低温度达到90 K，而且可以利用四极质谱仪对材料出气以及可凝污染物蒸发的成份进行实时地监测分析，从而可以获得沉积量与时间、温度、成份的关系；

（3）未来可以考虑原子氧以及紫外辐照等环境因素，这样获得的实验数据与真实情况更符合。

［1］王曙光，王先荣，王鹢，等.航天器表面多层分子污染光学效应分析方法［J］.真空与低温，2013，19（1）：14-18.

［2］院小雪.卫星太阳电池翼分子污染预估计算研究［D］.湖南：国防科学技术大学，2012.

［3］王鹢，王先荣，颜则东，等.星用非金属材料出气物成份及污染光学测试分析［J］.航天器环境工程，2005，22（5）：295-299.

［4］Loss T M.Standard Test Method for Mass Loss and Collected volatile Condensable Materials from Outgassing［C］//Pub⁃lishedApril，1990.［5］Wood B E，Bertrand W T，Bryson R J，et al.Standard Test Method for Contamination Outgassing Characteristics of Spacecraft Materials［J］.Journal of Thermophysics and Heat Transfer，1988，2（4）：289-295.

［6］肖达.四极质谱仪控制器的设计与实现［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

［7］Hayashi T，Urayama F，Takeda N，et al.Experimental ap⁃proach for modeling on external molecular contaminants be⁃haviors［C］//54thInternationalAstronauticalCongress，2003.

［8］Hall D F，Arnold G S，Simpson T R，et al.Progress on space⁃craftcontaminationmodeldevelopment［C］//InternationalSym⁃posiumonOpticalScienceandTechnology.InternationalSoci⁃etyforOpticsandPhotonics，2000：138-156.

［9］WoronowiczM，MeadowsG.ApplicationofASTME-1559ap⁃ paratus to study H2O desorption［C］//SPIE Optical Engineer⁃ing+Applications.InternationalSocietyforOpticsandPhoton⁃ics，2012：849209-849219.

［10］Wood B，Garrett J，Meadows G，et al.Updated Version of the NASA SEE Program Spacecraft Contamination and Materials Outgassing Effects Knowledgebase［C］//45thAIAA Aerospace SciencesMeetingandExhibit，2007.

［11］王鹢，姚日剑，颜则东，等.敏感器件表面可凝结污染物的分析研究［J］.真空与低温，2007，13（4）：209-212.

［12］Coleman D J，Luey K T.Photochemical deposition of space⁃craft material outgassing products［C］//SPIE's International Symposium on Optical Science，Engineering，and Instru⁃mentation.International Society for Optics and Photonics，1998：336-347.

THE APPLICATION OVERVIEWS OF AEROSPACE MATERIAL OUTGASSING KINETICS MEASURING METHODS

QIAO Jia，WANG Xian-rong，WANG Yi，YANG Sheng-sheng，YAN Ze-dong，JIANG Kai
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）

To predict the on-orbit molecular contamination effects on satellite system，many countries set down corresponding aerospace material outgassing kinetics measuring methods.Among which，ASTM E 1559 Standard test method developed by American Society of Testing Materials（ASTM）for contamination outgassing characteristics of spacecraft materials appears more advanced.Comparing with other test methods，it can measure the contamination outgassing characteristics of spacecraft materials in suit，and acquire the outgassing and condensing kinetic models which are temperature and time dependent.This paper introduces several aerospace materials outgassing kinetics measuring methods，mainly studies the content of ASTM E 1559 and the application of home and abroad，finally gives the following results：this method can measure in suit，acquire the condensing characteristics of molecular contamination on sensitive surface with different temperature which has wide range and can low up to 90K.In addition，based on this method，we can use the quadruple mass-spectrometer to analyze the ingredients of the molecular contamination，which benefits the study of the application of the ASTM E 1559 in our country and our ability on the predication of the contamination outgassing characteristics of spacecraft materials.

ASTM E 1559；outgassing；condensing；the ingredients of the molecular contamination

TB34

A

1006-7086（2015）05-0255-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.05.002

2015-07-15

重点实验室基金（9140C550205140C55003）

乔佳（1990-），女，江苏省连云港市人，硕士研究生，主要从事空间环境效应与防护方面的研究。E-mail：1259565923@qq.com。