新一代星敏感器遮光罩——碳纳米管遮光罩技术研究*

郝云彩，余成武，梁士通，梅志武，骞伟中

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.清华大学，北京100084)

新一代星敏感器遮光罩
——碳纳米管遮光罩技术研究*

郝云彩1，余成武1，梁士通1，梅志武1，骞伟中2

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.清华大学，北京100084)

针对目前星敏感器遮光罩普遍存在的尺寸和质量较大、杂光消除能力受限等问题，从提高吸光涂层吸光率入手，提出碳纳米管遮光罩新概念，研制一套钛合金基底生长碳纳米管涂层的新技术，使得涂层吸光率达到99%以上，并成功制作出可等效替代现有飞行产品遮光罩的碳纳米管遮光罩.通过真空原子氧、紫外辐照、高能粒子辐照、热真空、力学环境等各项空间环境实验，证明其空间环境适用性.与现有星敏感器遮光罩产品的杂光比对试验结果表明，使用碳纳米管遮光罩的星敏感器杂光灰度降低了56%，显示出杂光消除性能的优势.本文创新成果突破了碳纳米管技术在杂光消除领域实际应用的瓶颈技术，对促进星敏感器技术的提高具有重要的工程价值.

星敏感器;碳纳米管;遮光罩;杂光消除

0 引 言

星敏感器是目前公认的航天器姿态测量仪器中精度最高的一种，在航天器飞行控制中起到至关重要的作用.尤其是对于姿态指向和稳定度要求高精度的航天器，对于星敏感器精度的要求更加严格，对于影响星敏感器精度的杂光消除问题显得格外重要.

由于星敏感器工作在地球或者星际飞行轨道上，不可避免地受到太阳、月球、地气光、航天器外表面及部件散射等全部或者部分杂光源的干扰，导致像面杂光灰度增大，像面照度分布不均匀，从而影响信噪比的提高和星图正确识别，严重时会使星敏感器不能输出正确的姿态，甚至导致卫星失效.

目前，星敏感器消除外部杂光的主要手段就是遮光罩，它是一种依靠几何结构遮挡和吸光涂层吸收两个途径来消除外部杂光进入光学镜头内部的.理论和设计实践证明，增加消光涂层的吸光率对于消除杂光性能提高起到了决定性作用.

本文着重阐述课题组对新型的CNT涂层遮光罩的研制结果.研究碳纳米管涂层具有的吸光特性和碳纳米管遮光罩的设计制作方法，解决了金属遮光罩生长碳纳米管吸光涂层的工艺和方法，通过与现有产品杂光性能比对测试，证明了新型遮光罩在消除杂光性能上的优越性，并对这种新型的遮光罩在空间的适用性进行了验证研究，得出了CNT遮光罩完全可以满足空间应用的结论.

1 星敏感器消除杂光技术发展概要

1.1 星敏感器消除杂光设计概要

在星敏感器消除杂光技术上，国际上目前都是采用各种不同形状和结构形式的遮光罩来实现对太阳等天体杂光的抑制.如图1所示，是德国 Jena Optronic公司研制的1″精度星敏感器ASTRO-15，遮光罩尺寸很大，目的是降低杂光对甚高精度星敏感器星点定位精度的影响;法国著名的SODERN公司研制的最高等级星敏感器SED36［1］，遮光罩及其结构布局如图2所示;美国Ball Aerospace＆Technology Corp研制的HAST高精度星敏感器的遮光罩结构如图3所示［2］.中国的四代星敏感器的外形照片如图4～7所示.以上例子中均可见遮光罩所占的体积.

图1 德国ASTRO-15甚高精度星敏感器结构布局Fig.1 Very high accuracy star sensor structure of Germany ASTRO-15

图2 法国SED36星敏感器Fig.2 Star sensor structure of Germany SED36

图3 美国Ball公司的HASTFig.3 Star sensor structure of HAST

图4 中国第一代星敏感器Fig.4 The first generation star sensor of China

图5 中国第二代星敏感器Fig.5 The second generation star sensor of China

图6 中国第三代星敏感器Fig.6 The third generation star sensor of China

图7 中国高精度APS星敏感器Fig.7 China high accuracy APS star sensor

星敏感器是一种弱信号成像光电仪器，对于杂光消除设计要求非常高，其杂光消除能力体现在对于不同杂光源仪器正常工作所具有的不同杂光规避角.杂光规避角代表了星敏感器的杂光抑制能力，国际上普遍采用.星敏感器遮光罩消除杂光能力的技术指标一般采用消光比(或称杂光抑制比)，定义为以某一角度充满入口入射到遮光罩内的平行杂光能量与经过遮光罩后落在出口的能量之比，消光比越高，说明遮光罩抑制能力越强.此外杂光抑制能力还采用点源透过率(point source transmission，PST)评价，在实际工程应用中，通常可采用太阳杂光抑制角下的太阳入射后的探测器输出残留灰度作为星敏感器的评价指标.遮光罩的设计目标就是通过涂层选择和几何光学设计，在保证遮光罩满足消光比或PST性能前提下，实现其杂光规避角并使得尺寸最小.

在遮光罩设计技术上，主要采用挡板型内部喷黑漆的技术途径，即使如此，针对不同的视场角和不同的消光比要求，遮光罩的设计也会有各种技巧和变化.遮光罩设计方案一般可分为挡板吸收型、反射型、反射吸收混合型，挡板吸收型目前应用最广，这种类型又分为二级设计和一级设计.二级设计一般尺寸较大，但是优点是消光比高，星敏感器精度要求越高这种类型应用越有利.一级设计主要是针对视场大、精度低于1″的星敏感器采用的，优点是尺寸小，但是消光比一般不如二级遮光罩高.不管哪种类型的遮光罩设计，满足性能的前提下使得遮光罩拥有尽可能小的尺寸是追求的优化结果.

缩小遮光罩尺寸的设计取决于涂层的特性和几何光学消除杂光设计技巧.关于几何遮挡消除杂光设计技巧国际上已经有很多报道［3-7］.关于涂层技术主要是涂层材料的选择问题，如果反射型遮光罩则选择反射率尽可能高的涂层，如果漫射吸收型则选择尽可能高的光吸收率涂层.

目前国内星敏感器遮光罩采用的高吸收涂层有3种:第一种是超黑阳极化表面，太阳吸收比约97%，已在中国“嫦娥一号”月球探测器星敏感器遮光罩中得到应用;第二种是国产无光漆SR107-S731涂层，太阳吸收比也为97%，已在TG-1卫星星敏感器遮光罩中得到应用;第三种是法国MAP公司研制的PNC黑漆，太阳吸收比最高达98%，已在中国多颗卫星星敏感器遮光罩中得到应用，德国ASTRO 10星敏感器其遮光罩采用的也是PNC黑漆.

1.2 碳纳米管材料在光吸收技术领域的研究现状

碳纳米管作为太阳全谱段吸收材料的研究国际上早已经开展，碳纳米管材料用于太阳能发电和F117夜鹰隐形飞机的研究［8］.

美国Goddard空间飞行中心撰文，提到了碳纳米管可用于杂散光抑制［9］，实验室样片测试涂层本身太阳吸收比最高可达99.5%以上，并指出了在钛基底上生长碳纳米管是可能的，但至今未揭开实施工艺研究结果，且没有关于在产品中实际应用的报道.

国内中国计量院等单位在碳纳米管用于超黑光吸收辐射源方面进行了探索研究，取得了进展.

在碳纳米管材料用于空间消杂光方面未见任何报道.尤其是在制作星敏感器遮光罩方面国际上未见报道.

1.3 碳纳米管遮光罩的创新思想提出

虽然PNC黑漆的光吸收率已经很高，但是为了光吸收率再提高1%，使遮光罩性能有一个质的飞跃，我们瞄准目前世界公认的超黑材料—碳纳米管.碳纳米管材料没有广泛用于星敏感器遮光罩，主要是由于碳纳米管在钛合金基底上大面积的生长工艺没有解决，这正是本文所解决的问题.

如果涂层吸收率提高一个百分点，那么对于2次吸收的遮光罩而言，考虑挡板间空间传播衰减，那么消光比将会提高一个量级以上，或者说消光能力提高一个量级以上.因此，提高涂层吸光率是遮光罩消光能力的先决因素，在此基础上，几何消光设计才能发挥作用.本文旨在解决99%吸收率的碳纳米管涂层如何运用于遮光罩的问题，从实质上提高遮光罩的消光能力.

2 碳纳米管星敏感器遮光罩设计

在设计方法和设计工具上，碳纳米管遮光罩的设计和现有技术遮光罩设计没有本质的不同，所不同的地方在于碳纳米管遮光罩的吸光涂层是碳纳米管，全光谱段的光吸收率达到99%以上，比现有技术提高了1%以上，这种差别带来了遮光罩结构的重大变化，使得需要3次和4次漫反射到达镜头的要求可以降低为2次或者3次即可满足要求，因此可以大大缩小遮光罩尺寸.对于中国空间技术研究院第四代星敏感器产品，在同样消除杂光抑制角和PST指标下，原技术设计和碳纳米管遮光罩技术设计结构分别如图8和图9所示.各自的PST仿真曲线如图10所示，TracePro软件仿真结果如图 11所示.

图8 原产品遮光罩Fig.8 Baffle of original product

图9 碳纳米管遮光罩优化设计Fig.9 Optimal design for CNT baffle

图10 碳纳米管遮光罩的PST结果Fig.10 PST results of CNT baffle

图11 太阳30°入射角的像面杂光分布图Fig.11 Distribution graph of phase stray light with 30°incidence angle

由上可见，采用碳纳米管涂层后，遮光罩设计的外形尺寸可以缩小很多，由原产品的272mm×Φ202mm缩小到243mm×Φ157mm，而图10～11表明，改进后的碳纳米管遮光罩优于原产品的遮光罩消除杂光性能.

3 碳纳米管在钛合金基底生长方法

3.1 碳纳米管遮光罩研制的总体技术方案

碳纳米管材料作为消除杂光涂层大幅提高遮光罩单次吸收的吸光能力，给遮光罩设计带来了巨大的优化条件.关于保证碳纳米管牢固地生长在遮光罩内表面上所采用的工艺，课题组开展了大量的研究工作，最终确定一种综合性能最优的实施方案，并制定CNT遮光罩的制作工艺.所采取的总体技术策略是:先解决钛合金样片生长CNT的可行性问题，得到生长工艺，再推广到复杂零件的CNT生长，调整工艺，推广到遮光罩的CNT生长，调整工艺，最后形成稳定的CNT遮光罩制作工艺.目前已经掌握了一套在钛合金基底遮光罩内生长出来适用于空间环境的碳纳米管消除杂光超高吸收涂层的技术，并经过了空间环境试验验证.在钛合金遮光罩生长CNT的技术流程图如图12所示.CNT遮光罩的研制流程图如图13所示.

图12 钛合金遮光罩CNT生长的技术流程图Fig.12 Flowchart of titanium lens hood CNT growth technique

图13 钛合金遮光罩CNT生长的研制流程图Fig.13 Flowchart of titanium lens hood CNT growth development

3.2 遮光罩材料的选择和基底表面与处理方法

考虑到CNT生长需要在不低于600℃的温度环境下完成，现有技术中铝合金遮光罩基底材料就不适合生长CNT涂层.因此，采用航天上经常采用的钛合金作为遮光罩材料，钛合金比刚度比较大，可以做成薄壁的零件达到减重目的，比重虽然比铝合金大，但是比钢材要小很多，所以整体设计后质量会比原产品轻.

钛合金车铣出来的遮光罩零件内表面粗糙度在0.05左右，存在划痕状面形，个别处有微刺，直接清洗后生长CNT得到的结果均匀性非常差，为了改善均匀性，保证定向CNT均匀生长，对于钛合金表面做了过渡层处理.过渡层主要是催化剂颗粒容易嵌入的金属氧化物，如AI2O3，可以采用等离子体蒸镀法镀上，也可以采用化学接枝方法生成，经过实验，证明化学接枝法效率更高，成本节约.所以采用化学接枝法，化学接枝后再均匀喷上一层含铁催化剂颗粒，经过高温老化处理，达到生长CNT的条件，如图14所示.

图14 生长前的表面处理Fig.14 Surface preparation before growth

3.3 钛合金遮光罩的CNT生长工艺方法

首先选择尺寸和遮光罩尺寸对应的生长炉，如图15所示，为了适应遮光罩尺寸，保证在内部生长CNT涂层，采用多个进料管且伸入遮光罩内部，直接将碳源输送到遮内罩内部不同的位置，以保证碳源分解均匀与CNT涂层均匀生长.生长炉的参数调整按照操作规则和预案进行，以保证炉内温度均匀，气流密度均匀.

图15 试验用陶瓷生长炉Fig.15 Ceramic growth stove for tests

生长控制流程中，保证流量、温度与压力的控制均匀性，以及高温下的安全(气体不要泄漏，气体通入顺序正确)，生长后关闭碳源气体，通惰性气体降温.等待室温后，取出遮光罩.

具体步骤如下:

1)在CNT生长工艺流程中，将设有过渡层与金属催化剂层的遮光罩，放入化学气相沉积炉中央，设置多个进料管，直接伸入遮光罩内部，实现分区通气及后续的分区生长CNT涂层，保证复杂结构中生长CNT涂层的均匀.2)然后密封化学气相沉积炉，打开气瓶与质量流量计，向化学气相沉积炉中通入氮气气体.3)打开温度控制系统，采取程序升温方法，将生长炉的温度由室温升至650℃.4)测定其中部在650℃时的温度分布.当温度在650±5℃之间时，认为基本接近热电偶的精度标准(±5℃).5)经过预定时间生长CNT，完成后逐渐冷却降温至室温.取出遮光罩生长CNT后的产品.

生长出来的CNT遮光罩如图16所示.对于CNT遮光罩取样进行电子扫描显微镜观察，结果如图17所示，CNT清晰可见.

图16 生长的CNT遮光罩Fig.16 Grown CNT baffle

图17 CNT涂层的电镜扫描图Fig.17 Scanning electron micrographs of CNT coating

4 碳纳米管遮光罩与现有技术消除杂光能力比对测试

为了验证改进的碳纳米管遮光罩消除杂光性能优越性，采用一个正样飞行产品和所配备的遮光罩作为性能比对对象，在同样测量条件下，只是更换遮光罩，测量不同太阳入射角下的星敏感器产品像面的杂光灰度，试验装置实际现场如图18所示.

图18 杂光测量现场Fig.18 Measurement field of stray light

试验过程中，将星敏感器、星敏用转台、消光锥等放置在暗室内容，太阳帆板置于暗室之外.暗室内部的地面、星敏结构外表面均采用黑色绒布进行包裹.

经过对两次测量的太阳模拟器光功率漂移补偿和等尺寸等效换算，原设计黑漆涂层的遮光罩和新设计的碳纳米管遮光罩安装在同一个星敏感器产品上所测量的杂光灰度曲线如图19所示，可以看出，采用碳纳米管遮光罩的杂光灰度水平比原设计黑漆遮光罩的杂光灰度降低56%，也就意味着星敏感器信噪比提高1倍以上，这可大大增强形图识别能力和提高精度，可见碳纳米管遮光罩消除杂光性能优势非常明显.

图19 两种设计的遮光罩消除杂光水平比较Fig.19 Comparation of stray light rejection performances between two kinds of baffles

5 碳纳米管遮光罩的空间环境验证

为了验证碳纳米管遮光罩空间环境耐受能力，对于CNT样片和CNT遮光罩均进行了力学和热真空高低温变化试验，对于样片还做了原子氧和空间辐照试验和附着力性能评价，试验条件直接采用现有空间星敏感器遮光罩产品的试验规范和任务书要求.试验结果表明，碳纳米管遮光罩经历了以上环境试验，性能和与基底的附着特性变化在允许的范围内，完全可以在空间运用.

5.1 空间原子氧和辐照试验参数与结果

本试验参数完全按照符合要求的飞船型号产品“交会对接测量敏感器”的同等验证试验参数，并且在一个试验中完成，限于篇幅，具体试验参数不在此罗列.

试验结果是:原子氧腐蚀后CNT涂层外观无变化，吸光率测试与试验前差别在测量精度以内，说碳纳米管遮光罩完全可以经受住空间原子氧侵蚀，也能够经受紫外和高能粒子辐照作用而保持原有吸光性能.

5.2 力学环境试验参数与结果

按照现行星敏感器产品环境试验任务书做了全套力学试验.试验后，观测遮光罩碳纳米管涂层，其外观正常，无涂层脱落，相对于试验前外观无明显差异.试验前后进行了杂光试验测试，遮光罩杂光抑制效果没有明显差别，影响可以忽略不计.可以认为碳纳米管遮光罩通过了鉴定级力学试验.图20所示是力学试验中的产品.

图20 力学试验中的产品Fig.20 Product in mechanical test

5.3 热真空试验参数与结果

碳纳米管遮光罩热真空试验参数按照现行星敏感器正样产品热真空试验任务书进行，试验压力为2.3×10－5～1.0×10－5Pa，试验温度为 －41℃ ～56℃，循环次数6.5次，停留时间高温、低温均为4 h.试验后，观测遮光罩碳纳米管涂层，其外观正常，无涂层脱落，相对于试验前外观无明显差异.试验前后进行了杂光试验，遮光罩杂光抑制效果没有明显差别.因此可以认为碳纳米管遮光罩通过了热真空试验.

6 结论与展望

本文是国际上首次提出碳纳米管遮光罩概念并成功研制出创新产品，突破了在复杂形状大尺寸钛合金基底遮光罩内部生长碳纳米管的工艺技术，解决了新型遮光罩设计、薄壁加工、碳纳米管涂层生长、空间环境验证、杂光设计测试等诸项关键技术，使得这种新型遮光罩较现有遮光罩技术在体积重量上明显减小、在消除杂光性能上明显提高.这种新型遮光罩按照现行空间敏感器产品空间环境试验要求经历了考证，证明具备了空间应用技术状态，将可成为现有技术的换代产品.不仅如此，由于碳纳米管的全谱段吸收特性，所发明的碳纳米管在钛合金上的生长工艺技术可在目标隐身、标准辐射源、仪器设备内部消除杂光等多个领域广泛应用.

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New Generation of Star Tracker Baffle—CNT Baffle

HAO Yuncai1，YU Chengwu2，LIANG Shitong1，MEI Zhiwu1，QIAN Weizhong2
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China;2.Tsinghua University，Beijing 100084，China)

A new conception of CNT(carbon nanometer tube)baffle is presented by increasing the absorptivity of the absorption coat to decrease the baffle outline size and mass，and to enhance the stray light rejection ability.A series of technologies to outgrow CNT coat with absorptivity of 99%more on the Ti alloy base are developed and applied on the new CNT baffle being capable of displacing the current product technology.The space environment applicability of the CNT baffle is demonstrated by a series of ground space environment simulation tests such as atomic oxidation，ultraviolet radiation，high-energy particles radiation，vibrancy mechanics，thermal vacuum，and so on.Comparing the star tracker image values caused by the stray light with the current normal star tracker baffle，the value with the CNT baffle is reduced by 56%，which indicates the advantages of the CNT baffle in stray light rejection.The innovation success shown in this paper breaks through the bottleneck technologies about the practical application of carbon nanometer tube technology in the stray light rejection technical domain，and has important engineering value for the star tracker technology progress.

star tracker;carbon nanometer tube;baffle;stray light rejection

V448

:A

:1674-1579(2016)02-0001-07

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.02.001

郝云彩(1966—)，男，研究员，博士生导师，研究方向为空间目标探测与光学敏感器，空间光学，光学自主导航技术;余成武(1978—)，男，高级工程师，研究方向为空间光学敏感器结构热学及工艺设计;梁士通(1970—)，男，博士，研究方向为空间光学敏感器光学设计与测试;梅志武(1965—)，男，研究员，研究方向为空间光学敏感器技术;骞伟中(1970—)，男，教授，博士生导师，研究方向为碳纳米新材料应用技术.

*航天科技集团公司工艺重大专项资助项目(ZDGY2013-28).

2016-01-19