“天舟一号”货运飞船在轨污染探测数据分析

于钱，臧卫国，杨东升，院小雪，田东波，任飞扬

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

航天器在研制过程中，各个系统及部件使用大量非金属材料，包括电缆绝缘层、导热硅脂、硅橡胶、粘结剂、涂层等[1]。航天器在轨飞行时处于真空冷热交变的环境中，这些非金属材料会在空间真空环境下产生污染物[2]，其与航天器在地面总装过程中吸附在表面的污染物及发动机羽流产生的污染物，是造成航天器表面污染的主要源头。这些污染物沉积在航天器表面，影响着航天器表面的光、热属性[3]。航天器易受污染影响的部分主要有热控涂层、光学镜头、光学窗口、太阳电池片等污染敏感部件。这些部件受污染后将会降低航天器的性能，缩短航天器的使用寿命，甚至导致其失效[4-7]。国内外以光学系统和敏感系统为主要载荷的航天器也多次发生由于污染而造成重大损失的事故，文献[8]中报道，据 NASA统计，美国20 世纪70 年代有13 颗，80 年代有11 颗，90 年代有 1 颗航天器因污染造成故障。由于航天器具有投入资金巨大、技术密集和高风险性的特点，所以其可靠性和安全性显得非常重要，航天器一旦出现故障要付出昂贵的代价，因此能够获取航天器在轨污染的数据，对于航天器的设计和污染控制有重要作用。

美国在多个航天器上都进行过在轨污染测量，如文献[9]中报道 SKYLAB 和APOLLO 望远镜组件上安装了6台QCM探测器，文献[10]中报道MSX卫星上安装了5 台QCM探测器，这些探测器提供了大量在轨污染监测数据。我国近期也开展了少量在轨污染监测试验，文献[11]中报道“新技术验证一号”卫星上利用镓铟磷太阳电池间接探测空间污染环境。文献[12]中报道“天宫一号”（TG-1）目标飞行器上利用微质量计监测空间污染环境，总体来说，我国航天器在轨污染状况数据非常缺乏。文中的QCM探测器是TZ-1货运飞船“空间环境监测与控制试验系统”中的试验载荷之一，在2017年4月20日随TZ-1货运飞船发射成功，QCM 探测器试验目的之一是监测货运飞船长期在轨过程中的空间污染环境。

1 探测器简介

1.1 探测器原理

TZ-1货运飞船的污染监测采用 QCM 探测器，QCM探测器是以Sauerbrey公式为基础[13]，利用厚度剪切压电石英晶体频率变化量与其附着物的质量成正比的原理，通过暴露于污染物中的传感晶体振荡频率变化来实现污染沉积量的测量。Sauerbrey公式为：

式中：Δf为探测器频率改变量，Hz；Δm为沉积质量改变量，g；A为沉积的面积，cm2；Cf为质量灵敏度，为一常数，g/(cm2·Hz)。

由Sauerbrey公式可以看出，探测器频率改变量Δ f 与沉积质量改变量Δm是线性关系。Glassford等人的研究表明，质量灵敏度Cf值通常只与晶体的基本物理特性相关，随温度的变化很小，5 K低温下QCM 的质量灵敏度为 298 K温度下质量灵敏度的99.937%，温度的变化对其质量灵敏度的变化可以忽略。随着石英晶体基频的升高，探测器的灵敏度提升，一定基频的石英晶体的Cf值对应一个常数。表 1为AT切型石英晶体的质量灵敏度[14]。

TZ-1货运飞船的QCM探测器使用的石英晶体谐振基频为10 MHz，石英晶体采用AT切割，因此其质量灵敏度为 4.42×10－9g/(cm2·Hz)。

表1 AT切型石英晶体的质量灵敏度

1.2 探测器组成

TZ-1货运飞船QCM探测器结构如图1所示，采用两个AT切割基频10 MHz的石英晶片前、后安装，即传感晶片和参考晶片，分别与各自的激励芯片构成振荡电路，然后进行混频差频输出。通过差频将晶片10 MHz左右的基频信号转换成数kHz的输出信号，降低了频率采集的难度。传感晶片暴露于污染环境中，污染物沉积后振动频率降低，参考晶片不暴露于污染环境中，振动频率不受污染物影响，由两个晶片振荡频率之差，能够测量出沉积在传感晶片表面的污染量的大小。QCM 探测器两晶片采用相似的温度频率特性，当温度发生变化时，两个晶片的振荡频率都发生相似的变化，通过差频抵消，使得差频输出信号温度效应降低。

图1 QCM探测器结构

1.3 探测器性能

TZ-1货运飞船QCM探测器的传感晶片比参考晶片的振动频率约低6 kHz，因此QCM探测器的输出频率会随着沉积污染物质量增长而增加。石英晶片振荡频率会随着温度的变化而改变，QCM 探测器选用温度系数低的AT切割石英晶片，并通过传感晶片与参考晶片的温频匹配来减小温度的影响。在工作温度范围内，将温度导致的频率改变控制在数十赫兹。QCM 探测器采用热敏电阻测温，在轨探测过程中，可以通过选择工作温度条件相当的时刻来获取污染物的沉积信息，消除温度对于探测结果的影响。

TZ-1货运飞船 QCM 探测器的主要性能指标见表2。

表2 QCM探测器主要性能指标

2 在轨探测数据分析

TZ-1货运飞船QCM探测器安装在舱外后锥段第III象限。TZ-1货运飞船在轨运行期间，从2017年5月31日开始至2017年9月3日期间，QCM探测器进行了监测试验，因为需要配合飞船开展其他试验任务，因此QCM探测器在测试过程中多次进行了开机、关机的操作，导致了监测数据的不连续。

从2017年7月13日至2017年8月18日期间，QCM 探测器获取了相对连续的探测数据，文中对这一时间区间的测试结果进行分析。在轨污染监测数据如图2所示， QCM探测器在轨的36 d时间内，其表面污染沉积量为1.64×10－6g/cm2。

图2 在轨污染监测数据

图3为美国使用航天器污染物中常见的Silicones对太阳吸收率影响的测试结果[15]。

对于Silicones污染物，通常1×10-6g/cm2污染量级对应于10 nm污染膜厚度，可见TZ-1货运飞船的污染累积量已经达到影响污染敏感器件光学性能的量级。

从图2中可以看出，在不同试验时间，QCM探测器的污染量增长速率有着明显的差异。将污染监测试验分为三个阶段，各阶段的污染增长速率见表3。

图3 太阳吸收率随污染物厚度变化曲线（Silicones）

从2017年7月13日至2017年7月21日，为阶段1，这个阶段中QCM探测器频率增长了40 Hz，即污染累积量为1.77×10-7g/cm2，每天的污染增长量为2.2×10-8g/cm2。从2017年 7月 22日至2017年 7月28日，为阶段2，这个阶段中QCM探测器频率增长了277 Hz，即污染累积量为1.22×10-6g/cm2，每天的污染增长量为2.03×10-7g/cm2。从2017年7月29日至2017年8月18日，为阶段3，这个阶段中QCM探测器频率增长了 53 Hz，即污染累积量为 2.34×10-7g/cm2，每天的污染增长量为1.2×10-8g/cm2。造成各阶段污染增长速率差异明显的原因主要是由于飞船在轨过程中进行了姿态调整，导致QCM探测器周边污染出气源遭受的环境改变。

分别针对这三个试验阶段进行分析，测试结果如图4所示。

阶段1污染测试结果如图4a所示，测试过程中，QCM 探测器的污染增长速率基本保持一致。从其温度测试结果可以看出，QCM 探测器每天的最高工作温度维持在5 ℃左右，最低温度为-10 ℃左右。

阶段2污染测试结果如图4b所示，测试过程中，QCM 探测器的污染增长速率增加较大，并随着时间逐渐减缓。从其温度测试结果可以看出，QCM 探测器每天初始时的最高工作温度为 13.0 ℃左右，最低温度为-8.9 ℃左右；结束时最高温度为5.7 ℃左右，最低温度为-4.2 ℃左右。

图4 污染测试结果

阶段3污染测试结果如图4c所示，测试过程中，QCM 探测器的污染增长速率降低。从其温度测试结果可以看出，QCM 探测器每天初始时的最高工作温度为 1.6 ℃左右，最低温度为-7.2 ℃左右；结束时最高温度为-15.0 ℃左右，最低温度为-19.2 ℃左右。

由上述测试结果可知：

1）TZ-1货运飞船 QCM探测器在轨36 d 时间内，污染沉积量为1.64×10-6g/cm2，污染累积量达到影响污染敏感器件光学性能的量级。

2）通过各阶段的测试结果可以看出，阶段2 QCM探测器的工作温度区间明显高于阶段1，阶段1的工作温度区间要高于阶段 3。QCM 探测器的工作温度升高，表明周边区域的放气源的温度也相应增加，而放气源温度的增加也导致了放气源出气污染物增加，QCM探测器探测的污染沉积量也相应增加。

3）真空环境下温度参数是影响出气污染量的关键因素，可以通过控制出气污染源温度的方式，进行航天器在轨污染控制。

将TZ-1货运飞船QCM探测器测试结果与文献[9]中 SkyLab QCM 探测器测试结果及文献[12]中TG-1微质量计探测结果进行比较，结果见表4。

表4 TZ-1与Skylab、TG-1污染测试结果比较

Skylab QCM探测器在轨106 d时间内，污染沉积量为 6.5×10-6g/cm2，平均每天的污染累积量为6.1×10-8g/cm2。TG-1微质量计在轨45 d时间内，污染沉积量为3.65×10-6g/cm2，平均每天的污染累积量为8.1×10-8g/cm2。TZ-1货运飞船QCM探测器在轨36 d时间内，污染沉积量为1.64×10-6g/cm2，平均每天的污染累积量为 4.6×10-8g/cm2。综合比较，污染沉积量量级基本相当。

3 结论

文中利用QCM探测器对“TZ-1”货运飞船长期在轨污染状况进行了监测，分析了污染监测数据。结果表明，航天器在轨过程中，长期污染累积量已经达到影响污染敏感器件光学性能的量级，航天器污染控制措施仍需要进一步加强；污染源温度是影响航天器污染累积量的一个重要因素，也是航天器在轨污染控制的一个重要措施。探测数据为污染源控制、污染敏感器件的布置等航天器设计提供了参考，还需进一步加强在轨污染环境及效应探测，建立污染环境数据库，为航天器可靠性设计提供数据支持。

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