焦子龙, 庞贺伟, 易 忠, 杨东升

（1. 北京卫星环境工程研究所 北京 100094；2. 中国空间技术研究院 北京 100094）

0 概述

为减轻重量，卫星上广泛应用了非金属材料。在地面进行环境试验时，环境模拟器和卫星上的非金属材料在真空试验环境下的放气物会对卫星造成污染[1]。当前我国进行真空热试验污染监测的主要工具是石英晶体微量天平和光学试片[2]，监测方法偏重于污染总量监控及敏感表面的污染效应监控，不足以反映污染物的完全信息。由于真空热试验过程中产生的污染物是已含许多物质的混合物，成分极其复杂，如何获得准确的成分信息进而确定其来源是污染研究的重要课题。

国内外在污染物成分分析方面进行了很多研究，如美国 NASA哥达德空间飞行中心曾利用石英晶体微量天平、残余气体分析器、气相色谱-质谱连用仪（GC/MS）和傅立叶红外分光光度计（FTIR）对卫星真空热试验污染物成分进行定性定量分析，发现最常见的污染物为酯、脂肪烃和甲基硅酮[3]。日本NASDA利用FTIR和GC/MS对两台环模器内的污染物进行了数次定性分析，发现了酯和碳氢化合物的存在，硅酮含量也比较多[4]。韩国KARI利用GC/MS技术分析了KAISTAT-4 FM烘烤试验过程中的污染物成分[5]。

作者利用气相色谱-质谱方法对几种卫星及部件真空热试验的污染物成分进行了数次分析测试，得到了一些有价值的结果[6]。在最近的应用中，利用文献[6]开发的方法对某星初样太阳电池板真空热试验结束后出现的大量肉眼可见污染物进行了成分的定性分析；对两颗星OSR表面及太阳电池板表面在真空热试验后表面残留的邻苯二甲酸酯类污染物进行了定量分析，并对测试结果进行了分析总结。

1 分析方法

污染物收集及分析的基本过程为：通过污染收集板吸附或脱脂棉擦拭，对真空热试验污染物进行收集，采用丙酮溶液浸泡获得包含污染物的溶液，然后进行色谱-质谱分析。通过谱库检索、比对，确定污染物的主要成分。污染物的定量分析，需用对照物质配制一系列浓度的对照溶液确定工作曲线，求出曲线斜率和截距。在完全相同的条件下，准确进样并与相同体积的样品溶液相对照，根据待测组分的信号，从工作曲线上可得出样品溶液的定量浓度。

污染物采样使用擦拭取样（wipe sampling），即采用擦拭布或棉签蘸取有机溶剂，借助镊子对感兴趣部位进行擦拭，使得污染物从敏感表面转移到擦拭材料上。这种方法是收集痕量污染物最有效的方法之一。

试验前应采用丙酮等溶剂对采集装置和试验用具进行清洗，直到清洗后的溶液进行色谱-质谱分析时没有明显的谱峰出现。操作过程中应避免引入除试验过程采集的污染物以外的物质，溶剂纯度应不低于色谱纯度。

样品前处理步骤为：将样品置于三角瓶中，加入100 ml色谱纯丙酮浸泡3 h，再超声处理30 min。将提取液旋转蒸发至1 ml，正己烷定容至2 ml，将样品用 0.45 µm有机物滤膜过滤，然后上机测试。

色谱-质谱分析仪器为安捷伦 7890/5975气相色谱-质谱联用仪，色谱柱型号为DB-5石英毛细管柱，规格为30 m×0.25 mm×0.25 µm。

色谱-质谱分析条件为：进样器温度 280 ℃，传输线温度280 ℃，柱流量1.0 mL/min，分流比5:1。程序升温条件为：80 ℃保持2 min，以3℃/min的速度升温至250 ℃，保持15 min，然后以20 ℃/min的速度升温至280 ℃，保持2 min，进样量1.0 µl。质谱部分接口温度280 ℃，离子源温度230 ℃，溶剂延迟6.5 min，扫描时间7～77 min，扫描方式为SCAN，扫描质量数选择范围40～700。

色谱部分的结果是总离子流随时间的变化。因此，直观上看，色谱图上纵坐标值较大的谱峰为主要的成分，而其质谱图检索标准谱库会得到成分信息及表示该质谱图与标准谱图相似程度的数值。通过该信息及其他资料可确定污染物成分。色谱图中，横坐标为保留时间（min）；纵坐标为总离子数。

2 污染物定性分析

某星太阳电池板试验结束后，在红外灯阵挡板上目视可见油滴状的有机污染物如图1所示。为了解污染物的成分及来源，对挡板上3个不同位置的污染物进行了采集取样。

通过对污染物进行色谱-质谱成分分析，结果3个样品谱图基本一致，因此可以认定挡板上不同位置的污染物是相同的。图2为样品1的色谱图。

图1 太阳电池板真空热试验后灯阵挡板上残留污染物Fig. 1 Residues of contaminants at lamp array after thermal vacuum tests for solar array

图2 样品1色谱图Fig. 2 Chromatograph of sample #1

图3显示主要污染物保留时间分别为37.171 min和41.387 min时的色谱峰所对应的质谱图。

图3 色谱峰对应的质谱图Fig. 3 Mass spectra for sample #1

对图3质谱图进行标准谱库的检索，与标准谱图匹配度最高仅20%。因此只能通过质谱峰及材料信息进行分析。质谱图中主要峰值有 135、197、 405、479等，通过资料查找及分析，135和197分别对应(CH3)2C6H5Si+和 CH3(C6H5)2Si+。因此确定污染物成分为甲基苯基硅氧烷。

图4 色谱峰对应的质谱图Fig. 4 Mass spectra for solar array in reference [5]

文献[6]中曾在某星正样太阳电池板的热真空试验中也发现了甲基苯基硅氧烷。其保留时间为19.892 min和20.775 min的色谱峰对应的质谱图如图4所示。从图中可以看出，主要质谱峰与图3完全相同。说明这种污染物比较常见，其来源的材料在多种太阳电池板上应用。

对太阳电池板研制生产单位提供的太阳电池板基板材料和太阳电池片粘贴所用非金属材料进行调研。基板主要使用的材料为铝蜂窝夹芯、碳纤维复合材料和聚酰亚胺绝缘膜，其主要放气产物包括苯系物等，与检测得到的污染物不同。

太阳电池片粘贴材料则使用了盖片胶和底片胶。盖片胶用于太阳电池上粘贴玻璃盖片；底片胶用于太阳电池与基板之间粘贴。由于应用面积较大，因此一块太阳电池板总用胶量约1 kg。盖片胶和底片胶均为双组份硅橡胶：盖片胶主要成分为八甲基环四硅氧烷(CH3)8(OSi)4，它不含苯环，因此不是污染源；底片胶主要成分为108硅橡胶，又称甲基双苯基室温硫化硅橡胶，或称二甲基二苯基(聚)硅氧烷（HO-[(CH3)2SiO]m-[(C6H5)2SiO]n-OH）。因此，可以推断3种未知污染物为108硅橡胶放气产物。

另外，通过调研发现，该种底片胶在多种型号卫星的太阳电池板中应用，包括文献[6]的正样太阳电池板。由此也可以确定污染物来源于太阳电池板底片胶所用的108硅橡胶。

分析出现严重的目视污染物的原因有：

1）试件的初样试验条件更为严格。对于初样的热真空试验，循环次数一般是正样试件的3倍，导致试件真空高温暴露时间更长，放气量大大增加；

2）初样制造工艺控制不严，材料使用量过大。

太阳电池板是卫星主要的大分子污染物来源之一，鉴于108硅橡胶在多种型号太阳电池板中应用，应对其放气特性进行详细分析，并根据分析结果制定合理的污染控制措施。另外，初样太阳电池板的真空热试验也应采取合理的污染控制措施，避免试件对环模设备产生严重污染。

3 污染物定量分析

目前我国卫星进行真空热试验多采用红外灯及加热笼方式模拟外热流，用于试验过程中污染总量监测的石英晶体微量天平只能安装于加热笼或红外灯外侧。因此其测得的污染量与敏感表面实际污染量仍有区别，而污染物成分的定量分析方法则避免了这种不足。并且，污染物定量分析可获得每种污染物的质量，从而实现有效的污染源控制。

文献[7]指出，邻苯二甲酸酯类污染物是真空热试验中最主要的污染物，原因在于其分子量较高，但吸附热较低。因此，选择邻苯二甲酸酯类的3种污染物（邻苯二甲酸二丁酯DBP、邻苯二甲酸二异丁酯DIBP、邻苯二甲酸二辛酯DOP）进行了多次定量分析，分析结果如下。

3.1 背景污染物分析

将采用的DuPont Sontara洁净间擦拭布用丙酮溶液浸泡后对溶液进行分析，以确定引入的背景污染物含量。擦拭布的大小为5.72 cm×11.43 cm。分析得出的3种目标污染物含量：DIBP为1.88 µg，DBP为1.77 µg，DOP为1.64 µg。

3.2 空间模拟器热沉残留污染物分析

为了解空间模拟器热沉上残留污染物的成分及量级，在某型号太阳电池板真空热试验结束后对设备的筒体热沉中部进行擦拭取样。擦拭面积约100 cm2，得到的色谱图和成分分析结果如文献[6]中的图3和表3所示。

对邻苯二甲酸二丁酯和邻苯二甲酸二异辛酯进行了定量分析，其含量分别为42 μg和750 μg。考虑到擦拭面积约100 cm2，则两种污染物残留约4.2×10-7g/cm2和7.5×10-6g/cm2。这说明热沉上残留的污染物较多，应该定期清洁。

3.3 污染敏感表面真空热试验后残留污染物分析

真空热试验过程是卫星最容易遭受分子污染的阶段，因此在真空热试验后对污染敏感表面进行洁净度监测是十分必要的。利用前述章节介绍的方法，对两颗卫星的OSR表面污染和某太阳电池板表面污染进行了定量分析，结果如表1所示。表中结果已经扣除背景污染物。

表1 污染物定量分析结果Tab. 1 Quantitative analysis results of molecular contaminants

在GJB 2203A—2005《卫星产品洁净度及污染控制要求》中规定了卫星在地面环境中的最低洁净度要求。地面环境包括加工、总装测试、包装运输、发射场测试等。对于热控表面和太阳电池阵的分子污染控制要求分别为1.7×10-6g/cm2和7×10-7g/cm2。

对比定量分析的结果可以发现，真空热试验后OSR表面污染的余量较大。太阳电池片表面污染量虽满足要求，但余量较小，控制措施应加强。

4 结束语

航天器产品真空热试验中污染物的种类和成分多种多样，定量分析污染物成分的方法和设备也日益成熟和完善。气相色谱质谱成分分析法是分子污染物成分分析的一种有效方法。对太阳电池板真空热试验出现的大量污染物进行的测试分析，确定了其成分为甲基苯基硅氧烷，来源于太阳电池底片胶所用的108硅橡胶。

对空间模拟器热沉残留污染物进行分析，发现邻苯二甲酸二辛酯残留最多，污染量可达7.5×10-6g/cm2。对OSR表面和太阳电池板表面的残留污染物进行的分析，发现OSR和太阳电池片表面最大污染量为4.1×10-7g/cm2，能够满足GJB 2203A—2005的有关要求。

5 改进建议

1）取样擦拭材料处理

从前述3.1节已经看出，取样所用擦拭布中含有若干邻苯类物质，对分析有一定影响，较好的解决方法是在取样前将擦拭材料中的杂质（如棉布、棉签中的棉籽油、胶粘剂等成分）尽可能完全除去。目前较为常用的、效率较高的方法是索氏萃取，其原理是用溶剂回流及虹吸原理，使擦拭布中的可溶于溶剂的杂质连续多次被纯溶剂萃取。一般萃取24 h以上即可将杂质完全除去。这将提高成分分析的灵敏度和准确度。

2）建立成分分析专家系统

谱图的解析需要具有较多经验的分析者时，当计算机检索不能得到较好匹配结果时，应当建立成分分析专家系统。而目前已有的NIST和Wiley标准谱库都是通用的谱库，针对性较差，很多航天用材料成分没有记录。因此，建立专家系统知识库，存储每种成分的识别准则及指纹峰信息，可大大提高分析效率。

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[1] 程广河. 浅析航天器的污染及其控制[J]. 航天器环境工程, 2003, 20(1): 35-39

[2] 中华人民共和国航空航天工业部. QJ 2321—92 卫星真空热试验污染控制方法[S]. 北京: 中国航天标准化研究所, 1992: 9

[3] Chen P, Hedgeland R, Montoya A, et al. Statistical evaluation of molecular Contamination during spacecraft thermal vacuum test[C]//Proc. of 20thspace simulation conference. Annapolis: National Aeronautics and Space Administration, 1998

[4] Saruwatari H, Saitoh M, Saegusa H. Results of contamination measurement in Space Simulation Chambers at NASDA[C]//Proc. of 4thInternational Symposium on Environmental Testing for Space Programmes. Noodwijk: European Space Agency, 2001

[5] Cho Hyokjin, Moon Guee-Won, Seo Hee-Jen, et al. Measurement of molecular contamination for satellites using a quartz crystal microbalance[J], Journal of IEST, 2004, 47(1): 107-110

[6] 焦子龙, 庞贺伟, 易忠, 等. 卫星真空热试验污染物成分分析[J]. 航天器环境工程, 2009, 26(3): 240-243

[7] Saruwatari H, Baba N, Saitoh M, et al. Investigation of organic molecule kinetics in thermal vacuum environment[C]//Proc. of 24thspace simulation conference, 2006