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第2 7 卷第2 期航天器环境工程 2 010q i4 月S P A C E C R A F TE N V I R O N M E N TE N G I N E E R I N G181 航天器分子污染计算方法综述 焦子龙 ( 北京卫星环境工程研究所，北京1 0 0 0 9 4 ) 摘要：随着对航天器长寿命、高可靠、高性能要求的不断提高，污染逐渐成为影响任务成功的重要因素之 一。数值模拟是评估分子污染的主要手段之一。文章对航天器分子污染计算方法进行了总结，详细介绍了污染 源，污染沉积及效应、污染传输的模型以及计算方法。 关键词：分子污染；数值模拟；放气；质量传递系数；光学性能 中图分类号：V 5 2 4 3 ：0 5 6 1 5 文献标识码：A文章编号：1 1 6 7 3 - 1 3 7 9 ( 2 0 1 0 ) 0 2 - 0 1 8 1 - 0 0 9 D o I ：1 0 3 9 6 9 a i s s n 1 6 7 3 1 3 7 9 2 0 1 0 0 2 0 1 2 1 引言 随着航天器的发展对长寿命、高可靠、高性能等 要求越来越突出，以前通常忽略的环境因素可能也会 影响系统性能甚至导致其失效，例如污染环境效应。 污染是指非要求外来物影响系统、分系统、部件、零 件的工作和性能，继而造成危害和不可忽略的影响。 可大致分为分子污染、颗粒污染以及羽流污染。分子 污染指分子悬浮在表面附近或沉积于表面造成的污 染。本文针对航天器分子污染进行分析和计算。 2 分子污染概述 2 1 污染源分析 有机材料放气是航天器分子污染的主要来源。有 关研究人员试验发现 1 。2 1 ，在一般有机材料应用温度 范围内，材料放气的主要产物为水分子。表1 列出了 放气产物中的大分子污染物1 3 J 。 表1 典型大分子污染物 T a b l e1 T y p i c a lm o l e c u l a rc o n t a m i n a n t s 放气产物类别 可能来源 典型常见污染物 邻苯二甲酸 邻苯二甲酸酯聚酯聚氨酯 二乙基己基酯 4 肉梓苯酚 苯酚环氧 双酚A n 苯基邻苯 苯并咪唑聚酰亚胺 二甲酰亚胺 二芳摹乙烷 芳香烃 多种来源 十二氧苯并菲 芳香胺聚氨酯环氧4 十四烷基苯胺 硅酮硅酮 甲悬举雄傩氧烷 三十碳人烯 烯烃多种来源 A 律草烯 l O 十九烷酮 脂肪烃多种来源 十四醛 2 2 分子污染影响 分子污染造成的影响是多方面的，主要包括： ( 1 ) 沉积造成的表面性能退化，例如影响热控 表面的发射率或吸收率，进而影响卫星表面以及某 些光学组件的温度，降低光学元器件的工作性能， 使太阳能电池输出功率下降，影响表面电性能如电 导率等； ( 2 ) 在航天器内部或周围形成的气体环境导致 局部气体密度增高，高压装置可能会发生电晕放电； ( 3 ) 分子污染物还会与周围环境相互作用，使 污染效应进一步加强，如紫外辐照会使有机沉积物 质变暗，更顽强地吸附于敏感表面上；原子氧也会 与硅树脂污染物作用，使它变为永久沉积于敏感表 面的硅酸盐层，造成太阳光吸收率大大增加。 2 3 污染预估的目的及步骤 污染分析及预估的目的在于校核卫星的设计， 为总体部门提供优化设计方案；将模拟结果作为航 天器污染控制的基本依据，由此制定污染控制计划， 对设计、研制和使用各阶段的污染指标进行分配。 一般污染分析流程如图l 所示【4 】。首先需要确 认关键的子系统及关键( 敏感) 表面、污染源；接 着确定需要进行分析的污染传输类型，如直接流、 返回流等，获得有关数据后，输入分析软件或模型 进行系统分析，获得污染沉积及其效应的结果；最 后，将结果与污染控制要求进行比较，满足要求就进 入污染监测环节，不满足要求则需要更换材料或者更 改设计，然后再进行上述分析，直到达到要求为止。 收稿日期：2 0 0 9 0 9 0 4 ；修回日期：2 0 1 0 0 3 1 5 作者简介：焦子龙( 1 9 7 9 - ) ，男，博士学位，现从事航天器污染研究工作E m a i l ：j i a o z i l o n g y a h o o t o m 。 万方数据 航天器环境工程 2 0 1 0 年第2 7 卷 l 卫早系统、设r 磊番赫i ：f 丽东溢吊孽索 l 计尼材料新掘：l 又1 口1 叶、吸p l 一 。l 、 罔N 宣卅划鬻瑟t 基 l 或关键子系统 ：彬m i ， ( 6 ) i = 1 式中：彤为待定系数；m ，一般用幂级数表示。 试验时，需按阶梯式地升高材料加热温度，例 如从2 5 升至1 2 5 ，每2 5 为一个台阶，每 个台阶持续时间4 h 以上。按照式( 6 ) 对试验数据分 段拟合，获得总的放气特性方程。 3 3 小结 放气过程分析是以获得材料放气成分特性参 数为基础，重要的参数包括放气激活能历、扩散 系数D 、扩散激活能E 和污染物初始浓度C 0 。这 些参数的估算需要试验数据支持，因此污染源分析 应首先建立材料放气试验设备以及较为详尽的材 料放气特性数据库。 4 沉积量分析方法 污染分子与表面的相互作用涉及到多种因素， 机理复杂。在工程应用中，认为除原子氧及紫外辐 照造成的固化效应外，污染物在表面的吸附属于不 饱和的多层吸附。因此进行沉积计算分析的关键在 于建立黏附系数模型( s t i c k i n gc o e f f i c i e n tm o d e l ) 。 国外研究人员通过对实际问题进行简化获得描述 沉积总量的平均黏附系数模型及描述沉积量变化 的瞬态黏附系数模型。 4 1 平均黏附系数模型 若假设表面黏附系数与污染物入射通量无关， 与已沉积污染物类型和质量无关，不与已沉积污染 物发生反应，则可将黏附系数表示为敏感表面温度 和或污染源温度的函数。通过不同污染源温度( 或 敏感表面温度) 组合的试验数据拟合函数中的常系 数，即可建立模型。 常用的模型有以下两种，分别应用于 C O M O V A 软件别和S P A C E 软件嘲平台上。 C O M O V A 软件平台采用的模型为 剐砷。习1 磊 ( 7 ) l + e x p I 二_ ： I 式中：双D 为平均黏附系数；牢为捕获温度：A r g 为过渡参数。 S P A C E 软件平台使用模型： s i r l ：坐， ( 8 ) 式中：双7 ) 为平均黏附系数；乃为接收表面的温度； 乃为污染源表面的温度；r 为试验拟合常数，在 。S P A C E 软件中取值2 0 0 。 应用上述两个模型时需要注意，对于不同的污 染源及敏感表面组合，模型的常数数值一般不相 同，需要通过试验确定，不能采用经验数值。式( 8 ) 的模型仅在较小的温度范围内有效。 4 2 瞬态黏附系数模型 随着污染研究的深入，在获得大量污染物在敏 感表面动态吸附解吸的数据后，国外研究人员提出 了不同的瞬态黏附系数模型。 4 2 1 多组分瞬态黏附系数模型 为了表征黏附系数随时间的变化，M C F o n g 和A L L e e 提出了一种多组分黏附系数模型【7 羽。 假设污染物入射通量在积分时间段t 内是常 数，且源表面和敏感表面的温度在该时间段内也是 常数。又假设吸附作用为一阶A r r h e n i u s 类型，则 根据吸附动力学微分方程有 鸩= ( 1 一仃) 噍一一m d ， ( 9 ) 式中：砌J 为污染沉积速率；廓，为污染物入射通量； m 。为已沉积量；口为反射系数；r 为驻留时间， f 可以表示为 f = e x ( IR E 歹d ) ， ( 1 0 ) 仁f 。r IR 歹J u w 其中，目为解吸热；R 为气体常数；r 为敏感表 面温度；f o 为污染分子在敏感表面的平均振动时 间。 根据黏附系数的定义，得到 万方数据 航天器环境工程 2 0 1 0 年第2 7 卷 s = 阜。 ( 1 1 ) 所f 对式( 1 0 ) 积分，并结合式( 1 1 ) ，则得到瞬态黏 附系数表达式为 s 2 c t 一仃，e X p ( 一詈) 。 ( 1 2 ) 由公式( 1 2 ) 可以得到时间段t 内的平均黏附系数J 为 j = 訾邓训私 o ( 1 3 ， Id f fL f J 对于n 种放气成分的材料，其平均黏附系数可 以表示为 蜃= 努黔n q 槲一唧 t = 擎t l c 一q ，唧晤) 一唧 _ 寺唧( 蛊 式中X i 表示的是成分i 的组分分数。 式( 1 4 ) 表明，要获得特定温度下的平均黏附系 数，需要放气产物中各组分的精确含量和解吸热。 M C F o n g 和A L L e e 对D C 7 0 4 硅油和R 2 5 6 0 硅胶的试验数据进行了分析，分别采用单组分模型 和多组分模型进行预估，模型结果与试验数据符合 较好。 但是，该模型需要的输入参数过多，大大降低 了其应用性，并且输入参数是模型误差的主要来 源。首先，解吸热的正确估计没有给出具体方法， 随意性很大；其次，材料放气成分的组分及含量随 着时间变化( 例如R 2 5 6 0 ) ，也受到材料加热温度 的影响，使模型变得更为复杂；再次，对于不同温 度、不同材料等，需要调节口才能使模型与试验数 据符合得更好，但该参数取值的随意性较大。 4 2 2 基于覆盖度的瞬态黏附系数模型 与多组分通用黏附系数模型中的公式( 9 ) 类 似，在不考虑环境影响时，敏感表面的污染沉积速 率为污染物入射速率与解吸速率的差，即 l h d = r h f t h ，。( 1 5 ) 美国A e r o s p a c e 公司的GS A r n o l d 等人认为 解吸速率与表面温度及污染分子的覆盖度相关，据 此建立了基于覆盖度的黏附系数模型表达式【9 】o ( 1 ) 解吸速率模型 首先定义3 种覆盖度类型，即亚单层 ( s u b - m o n o l a y e r ) 、不完全覆盖的多层吸附( m u l t i l a y e r w i l t a i n c o m p l e t ec o v e r a g e ) 、饱和覆盖( s a t l L r a t i o l l c o v e r a g e ) 。根据对文献的调研分析，GS A r n o l d 提 出了如下模型【l o 】： 塑：卜( r ) 5 。啊) ， ( 1 6 ) d t 卜k ( T ) n ( 刀n t ) 一 式中：以为吸附于表面的污染物数密度；致力和故乃 分别为饱和覆盖及亚单层覆盖时的解吸速率；咒J 为单分子层数密度， 啊_ ( 警) 3 ， ， 其中，N o 为阿伏加德罗常数；M 为相对分子质量。 对于不完全覆盖的多层吸附，Z e i n e r 提出了一种过 渡函数模型【9 】： d n = - K ( 小唧( 越p ) 刈8 ， 对于饱和覆盖，解吸速率即为L a n g m u i r 蒸发 速率。考虑理想气体方程，则有： 刖= 尸p ) l z 砜N 。o 朋? 。 ( 1 9 ) 对于亚单层覆盖解吸速率，认为单分子层的解吸速 率与饱和覆盖解吸速率相等，七( r ) 啊= 足( r ) 。则 i ( 乃表达式为 咿p ( 南 i ( 澍。， 式( 1 9 ) 、( 2 0 ) 中，P ( 7 ) 为饱和蒸气压；为B o l t z m a n n 常量。根据C l a u s i u s C l a p e y r o n 方程，P ( 乃与蒸发 热A H ，有如下关系： l I l P ( r ) = 一告吩( 2 1 ) ( 2 ) 拟合方法 上述函数关系中存在4 个需估计的参数：R 、 M 、P 和风。GS A r n o l d 等人采用的估计方法可 参考文献 9 】。实际上，如果通过Q C M 热重分析 ( Q T G A ) 能够准确确定放气成分，则上述4 个参 数可直接从手册中获得。 这种方法的不足在于上述拟合方法仅能给出 万方数据 焦子龙：航天器分子污染计算方法综述 组不同相对分子