一种航天器空间紫外诱发污染增强效应试验装置与方法
阅读说明：本技术 一种航天器空间紫外诱发污染增强效应试验装置与方法 (Spacecraft space ultraviolet induced pollution enhancement effect test device and method ) 是由 沈自才 王胭脂 王志皓 代巍 邵宇川 贺洪波 邵建达 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明属于航天器空间环境效应试验技术领域,具体涉及一种航天器空间紫外诱发污染增强效应试验装置与方法。针对空间紫外辐射引起的航天器敏感表面污染的增加,该方法提出了一种紫外辐射污染增强效应试验装置,给出了开展紫外辐射污染增强效应的方法。利用该方法,可以准确分析空间紫外辐射对舱外敏感材料的分子污染增强效应及其机制,对航天材料的研制、选用和评价提供了支持。(The invention belongs to the technical field of spacecraft space environment effect tests, and particularly relates to a spacecraft space ultraviolet induced pollution enhancement effect test device and method. Aiming at the increase of the pollution on the sensitive surface of the spacecraft caused by the space ultraviolet radiation, the method provides a test device for the ultraviolet radiation pollution enhancement effect and provides a method for developing the ultraviolet radiation pollution enhancement effect. By utilizing the method, the molecular pollution enhancement effect and mechanism of the space ultraviolet radiation on the extravehicular sensitive material can be accurately analyzed, and support is provided for the development, selection and evaluation of aerospace materials.)
技术领域
本发明属于航天器空间环境效应试验技术领域，具体涉及一种航天器空间紫外诱发污染增强效应试验装置与方法。
背景技术
航天器在空间中会处于真空环境，航天器中的材料会发生真空出气效应，造成航天器内元件的污染。
太阳电磁辐射中的紫外辐射，由于其具有较高的频率，较短的波长，因此其对航天材料具有重要的影响。紫外辐射会诱发污染增强效应，一方面，紫外辐射引起有机材料的高分子断裂，造成污染物的增加；另一方面，紫外辐射可引起沉积在敏感材料表面的污染物发生固化，造成污染的增加；第三，在污染物的传输过程中，污染分子受到紫外光的辐照，也可能获得一定的能量，从而引起污染物的沉积量增加。这些分子污染会凝结在光学材料和电学材料表面，造成其光学性能和电学性能退化，从而影响其在轨运行。
国内外有很多关于紫外诱导污染的文章，但关于航天器在轨状态下，也就是在真空和温度环境下的紫外辐射诱发污染研究相对较少。院小雪等人研究了紫外和污染对太阳电池的协同效应，代巍等研究了紫外辐照硅橡胶影响分子污染的过程和规律。但这些研究均未说清楚紫外辐射到底对污染造成了多大的影响，也就是说没有排除干扰因素。一方面，试验装置相对简陋，无法精确剔除真空和温度对污染物的产生和沉积的影响，另一方面，也未形成系统的紫外辐射诱导污染增强效应的方法。
参考文献：
庞寿成，院小雪，臧卫国，等。太阳电池污染与紫外协合效应试验方法研究。环境试验.2015,10：6-9。
代巍，邱家稳，沈自才，等。紫外辐照影响硅橡胶出染模型及效应研究.宇航学报，2019,40(4):466-474.
代巍，邱家稳，沈自才.紫外辐照影响硅橡胶分子污染过程的实验研究.真空与低温.2019,25(2)：99-105
在专利方面，中国航天科技集团公司第五研究院第五一O研究所杨青等人开展了《一种紫外辐照增强污染的测试方法》的发明专利，专利中，提出了两种紫外辐照增强污染的试验方法，一是先对材料进行紫外辐照，然后再通过真空出气性能测试衡量紫外辐照对污染的影响，二是先对材料进行真空出气性能测试，收集可凝结的污染物，然后再进行紫外辐照，观察污染物的形貌变化和原子变化。该专利从一定程度上可以定性的研究紫外对污染沉积的影响。但忽略了关键的几个问题：(1)污染物往往凝结在较低温度的表面，这里的较低温度往往指的是零下；(2)高温可能也对污染物的沉积或者解析脱附带来影响；(3)未考虑同时辐照可能产生的影响。因此，该方法存在不足。
杨青，王鷁，郭兴，等.一种紫外辐照增强污染的测试方法.201110321506.9
发明内容
本发明的目的在于针对空间紫外辐射引起的航天器敏感表面污染的增加，搭建了紫外辐射污染增强效应试验装置，给出了开展紫外辐射污染增强效应的方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种航天器空间紫外诱发污染增强效应试验装置，包括紫外光源、透射窗口、真空腔、污染源挡板、污染源、污染源支架、污染源温控装置、污染收集片挡板、污染收集片、污染沉积量监测装置、污染收集片样品台、污染收集片温控装置、污染成分实时监测系统、测试与控制系统和真空系统；
所述的污染源挡板、污染源、污染源支架、污染源温控装置、污染收集片挡板、污染收集片、污染沉积量监测装置、污染收集片样品台、污染收集片温控装置均位于真空腔中，真空系统位于真空腔外，用于对所述的真空腔抽真空；
所述的污染源温控装置固定在污染源支架上，该污染源支架位于真空腔的底部，所述的污染源放置在污染源支架上，所述的污染源挡板位于污染源的正前方，用于阻挡紫外光照射；所述的透射窗口位于真空腔的外壁上，使得紫外光源可透过透射窗口照射进真空腔，并垂直照射在污染源挡板、污染源、污染收集片挡板和污染收集片上；所述的污染收集片温控装置固定在污染收集片样品台上，该污染收集片样品台位于真空腔的另一侧，所述的污染收集片放置在污染收集片样品台上；所述的污染收集片挡板位于污染收集片的正前方，用于阻挡紫外光照射；所述的污染沉积量监测装置安装在所述的污染收集片温控装置上，用于实时监控所述的真空腔内的污染沉积量；所述的污染成分实时监测系统用于实时监控所述的真空腔内的污染物成分；所述的测试与控制系统分别与所述的污染沉积量监测装置和污染成分实时监测系统相连。
所述的紫外光源为汞灯、汞氙灯、氙灯、氘灯中的一种；透射窗口为MgF2玻璃等对紫外光没有吸收的玻璃；真空腔、污染源挡板、污染源支架、污染收集片和污染收集片样品台为不会产生放气污染的材料制造；污染源为灰皮电缆、硅橡胶中的一种或多种；污染收集片为各种表面功能材料，包括光学材料和具有表面导电性能的电学材料。
所述的污染源温控装置和污染收集片温控装置均由高温控制和低温控制组成，其中高温控制使用电加热丝，低温控制使用液氮或浴油温控装置，温度范围为-80℃～+120℃。
所述的污染量监测装置由石英晶体微量天平实现。；
所述的污染成分实时监测系统由四级质谱仪实现。
所述的测试与控制系统用于对温度、真空、挡板、污染成分等进行测试和控制。
所述的真空系统由机械泵和分子泵组成，真空度低于0.1Pa。
利用所述的电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置进行污染试验，该方法包括如下步骤：
a.利用污染沉积量监测装置和污染成分实时监测系统，实时监控真空腔中不同温度与时间内，真空环境中污染物的成分和污染沉积量；具体步骤为：
关闭真空腔，利用真空系统抽真空至0.1Pa以下，启动污染沉积量监测装置和污染成分实时监测系统，利用污染源温控装置使污染源温度升高至25℃或125℃，利用污染收集片温控装置保持污染收集片的温度在-80℃～+120℃中选取间隔相同且线性增加的五个不同温度值，保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统，得到多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔，取出污染收集片。
b.改变温度后，利用污染沉积量监测装置和污染成分实时监测系统，实时监控真空腔中不同温度与时间内，真空环境中污染物的成分和污染沉积量；
具体步骤为：
将更换后的污染收集片放置在污染收集片样品台上，利用污染收集片温控装置改变污染收集片的温度为与步骤a不同的五个不同温度值，保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统，得到改变温度后多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔，取出污染收集片。
c.将各相同时刻的步骤b改变温度后的污染物的成分与步骤a污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤b改变温度后的污染沉积量与步骤a污染沉积量进行对比，得到不同温度背景对污染物成分和污染物沉积量影响；
d.利用污染沉积量监测装置和污染成分实时监测系统，实时监控真空腔中紫外光只辐射污染源不辐射污染收集片时污染物的成分和污染沉积量；具体步骤为：
将再次更换后的污染收集片放置在污染收集片样品台上，打开紫外光源，打开污染源挡板，关闭污染收集片挡板。保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统，得到紫外光只辐射污染源不辐射污染收集片时多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔，取出污染收集片。
e.将各相同时刻的步骤d的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤d的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到紫外光只辐射污染源不辐射污染收集片时，污染物成分和污染物沉积量的变化；
f.利用污染沉积量监测装置和污染成分实时监测系统，实时监控真空腔中紫外光只辐射污染收集片不辐射污染源时污染物的成分和污染沉积量；具体步骤为：
将第三次更换后的污染收集片放置在污染收集片样品台上，打开紫外光源，关闭污染源挡板，打开污染收集片挡板。保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统，得到紫外光只辐射污染收集片不辐射污染源时多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔，取出污染收集片。
g.将各相同时刻的步骤e的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤e的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到紫外光只辐射污染收集片不辐射污染源时，污染物成分和污染物沉积量的变化；
h.利用污染沉积量监测装置和污染成分实时监测系统，实时监控真空腔中紫外光同时辐射污染收集片和辐射污染源时污染物的成分和污染沉积量；具体步骤为：
将第四次更换后的污染收集片放置在污染收集片样品台上，打开紫外光源，打开污染源挡板，打开污染收集片挡板。保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统，得到紫外光同时辐射污染收集片和辐射污染源时多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔，取出污染收集片。
i.将各相同时刻的步骤h的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤h的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到紫外光同时辐射污染收集片和辐射污染源时，污染物成分和污染物沉积量的变化；
本发明中，所述的污染试验的方法还包括：
j.将步骤a、b、d、f和h得到的污染物采样片进行光学性能测试，得到不同温度、不同紫外光辐射时真空环境下真空污染对污染物采样片光学性能的影响效应。
本发明的技术效果如下：
(1)针对空间紫外辐射引起的航天器敏感表面污染的增加，提出了一种紫外辐射污染增强效应试验装置；
(2)提出了开展紫外辐射污染增强效应的方法，可以准确分析空间紫外辐射对舱外敏感材料的分子污染增强效应及其机制。
附图说明
图1是本发明中航天器空间紫外诱发污染增强效应的试验装置的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
请参阅图1，图1是本发明中航天器空间紫外诱发污染增强效应的试验装置的结构示意图，如图所示，一种航天器空间紫外诱发污染增强效应试验装置，包括紫外光源1、透射窗口2、真空腔3、污染源挡板4、污染源5、污染源支架6、污染源温控装置7、污染收集片挡板8、污染收集片9、污染沉积量监测装置10、污染收集片样品台11、污染收集片温控装置12、污染成分实时监测系统13、测试与控制系统14、和真空系统15。
所述的污染源挡板4、污染源5、污染源支架6、污染源温控装置7、污染收集片挡板8、污染收集片9、污染沉积量监测装置10、污染收集片样品台11、污染收集片温控装置12均位于真空腔3中，真空系统15位于真空腔3外，用于对所述的真空腔1抽真空；
所述的污染源温控装置7固定在污染源支架6上，该污染源支架6位于真空腔3的底部，所述的污染源5放置在污染源支架6上，所述的污染源挡板4位于污染源5的正前方，用于阻挡紫外光照射；所述的透射窗口2位于真空腔3的外壁上，使得紫外光源1可透过透射窗口2照射进真空腔3，且紫外光的传输线路16所示；所述的污染收集片温控装置12固定在污染收集片样品台11上，该污染收集片样品台11位于真空腔3的另一侧，所述的污染收集片9放置在污染收集片样品台11上；所述的污染收集片挡板8位于污染收集片9的正前方，用于阻挡紫外光照射；所述的污染沉积量监测装置10安装在所述的污染收集片温控装置12上，用于实时监控所述的真空腔3内的污染沉积量；所述的污染成分实时监测系统13用于实时监控所述的真空腔3内的污染物成分；所述的测试与控制系统14分别与所述的污染沉积量监测装置10和污染成分实时监测系统13相连。紫外光传输线路16为紫外光源1发出的紫外光透过透射窗口2照射进真空腔3中，并垂直照射在污染源挡板4、污染源5、污染收集片挡板8、污染收集片9上。
实施例1：取硅橡胶作为污染源。
a.关闭真空腔3，利用真空系统15抽真空至0.1Pa以下，启动污染沉积量监测装置10和污染成分实时监测系统13，利用污染源温控装置7使污染源5温度升高至25℃或125℃，利用污染收集片温控装置12保持污染收集片9的温度在-60℃、-20℃、20℃、60℃、100℃五个温度，保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统14，得到多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔3，取出污染收集片；
b.将更换后的污染收集片放置在污染收集片样品台上，利用污染收集片温控装置12改变污染收集片9的温度为-60℃、-20℃、20℃、60℃、100℃五个温度值，保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统14，得到改变温度后多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔3，取出污染收集片；
c.将各相同时刻的步骤d的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤d的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到紫外光只辐射污染源不辐射污染收集片时，污染物成分和污染物沉积量的变化。随着温度的升高污染物沉积量逐渐增加；
d.将再次更换后的污染收集片放置在污染收集片样品台上，打开紫外光源1，打开污染源挡板4，关闭污染收集片挡板8。保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统14，得到紫外光只辐射污染源不辐射污染收集片时多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔3，取出污染收集片；
e.将各相同时刻的步骤d的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤d的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到紫外光只辐射污染源不辐射污染收集片时，污染物成分和污染物沉积量的变化。存在紫外光辐照时，污染沉积量增多；
f.将第三次更换后的污染收集片放置在污染收集片样品台上，打开紫外光源1，关闭污染源挡板4，打开污染收集片挡板8。保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统14，得到紫外光只辐射污染收集片不辐射污染源时多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔3，取出污染收集片；
g.将各相同时刻的步骤e的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤e的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到紫外光只辐射污染收集片不辐射污染源时，污染物成分和污染物沉积量的变化。存在紫外光辐照时，污染沉积量增多；
h.将第四次更换后的污染收集片放置在污染收集片样品台上，打开紫外光源1，打开污染源挡板4，打开污染收集片挡板8。保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统14，得到紫外光同时辐射污染收集片和辐射污染源时多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔3，取出污染收集片；
i.将各相同时刻的步骤h的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤h的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到紫外光同时辐射污染收集片和辐射污染源时，污染物成分和污染物沉积量的变化。存在紫外光辐照时，污染沉积量增多；
j.将步骤a、b、d、f和h得到的污染物采样片进行光学性能测试，得到不同温度、不同紫外光辐射时真空环境下真空污染对污染物采样片光学性能的影响效应：真空污染会使污染物采样片的光学性能下降，具体表现为透过率降低、光谱偏移，且在高温和存在紫外辐射时下降更明显。
实施例2：取灰皮电缆作为污染源。
a.关闭真空腔3，利用真空系统15抽真空至0.1Pa以下，启动污染沉积量监测装置10和污染成分实时监测系统13，利用污染源温控装置7使污染源5温度升高至25℃或125℃，利用污染收集片温控装置12保持污染收集片9的温度在-80℃、-45℃、-10℃、25℃、60℃五个温度，保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统14，得到多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔3，取出污染收集片；
b.将更换后的污染收集片放置在污染收集片样品台上，利用污染收集片温控装置12改变污染收集片9的温度为-80℃、-45℃、-10℃、25℃、60五个温度值，保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统14，得到改变温度后多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔3，取出污染收集片；
c.将各相同时刻的步骤d的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤d的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到紫外光只辐射污染源不辐射污染收集片时，污染物成分和污染物沉积量的变化。随着温度的升高污染物沉积量逐渐增加；
d.将再次更换后的污染收集片放置在污染收集片样品台上，打开紫外光源1，打开污染源挡板4，关闭污染收集片挡板8。保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统14，得到紫外光只辐射污染源不辐射污染收集片时多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔3，取出污染收集片；
e.将各相同时刻的步骤d的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤d的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到紫外光只辐射污染源不辐射污染收集片时，污染物成分和污染物沉积量的变化。存在紫外光辐照时，污染沉积量增多；
f.将第三次更换后的污染收集片放置在污染收集片样品台上，打开紫外光源1，关闭污染源挡板4，打开污染收集片挡板8。保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统14，得到紫外光只辐射污染收集片不辐射污染源时多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔3，取出污染收集片；
g.将各相同时刻的步骤e的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤e的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到紫外光只辐射污染收集片不辐射污染源时，污染物成分和污染物沉积量的变化。存在紫外光辐照时，污染沉积量增多；
h.将第四次更换后的污染收集片放置在污染收集片样品台上，打开紫外光源1，打开污染源挡板4，打开污染收集片挡板8。保持真空持续监测污染的成分和污染沉积量的变化，并传输至所述的测试与控制系统14，得到紫外光同时辐射污染收集片和辐射污染源时多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；24小时后打开真空腔3，取出污染收集片；
i.将各相同时刻的步骤h的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤h的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到紫外光同时辐射污染收集片和辐射污染源时，污染物成分和污染物沉积量的变化。存在紫外光辐照时，污染沉积量增多；
j.将步骤a、b、d、f和h得到的污染物采样片进行光学性能测试，得到不同温度、不同紫外光辐射时真空环境下真空污染对污染物采样片光学性能的影响效应：真空污染会使污染物采样片的光学性能下降，具体表现为透过率降低、光谱偏移，且在高温和存在紫外辐射时下降更明显。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。