本文針對目前航天器導電滑環熱真空試驗時可凝揮發物VCM抑制的控制需求，根據低溫吸附原理，在傳統熱真空設備溫度控制系統基礎上，加裝獨立控溫功能的低溫冷屏。試驗發現改造后真空容器內的VCM量減少約1~2個數量級，冷屏對污染物有良好的抑制效果。

導電滑環是航天領域飛行器的電傳輸裝置，用以實現兩個相對轉動體之間功率傳輸和信號傳遞，在目前國內外軍用和高端民用行業中廣泛應用于各類有效載荷驅動裝置。

圖1  某型號空間導電滑環在衛星中的應用

作為一種需要長期在軌運行的空間活動部件，其可靠性和工作壽命關系到飛行器在軌飛行任務的成敗，是各種航天器上少數幾個單點失效裝置之一。由于空間環境下用以連接滑環單機所用的電纜塑料絕緣層、導熱硅脂、硅橡膠等非金屬材料體內或表面成分會發生分解、擴散釋放繼而脫離表面，這些揮發物在實際太空的極限低溫環境下會直接散逸，不會沉積在盤片表面，不會對產品性能造成直接影響；然而在導電滑環上星前需要完成的地面模擬環境試驗中，熱真空試驗高溫和低溫環境交替變化，且需要全程長時間持續通電測試，測試電纜在高溫和通電環境的雙重施加下其可凝揮發物會沉積于盤片表面可直接造成導電滑環電壓降出現斷點和電噪聲指標惡化，進而直接影響到滑環在太空中的可靠性和工作壽命。實際已多次出現滑環在真空試驗中受到可凝揮發物污染的問題。

因此，如何構建太空下的散逸環境，即：有效抑制導電滑環在熱真空試驗時可凝揮發物（Volatile condensable materials，VCM）的累積，成為亟待解決的問題。

原有試驗設備構造及污染物產生過程

傳統熱真空試驗設備主要由真空抽氣系統、溫度施加系統、測控系統組成。本文中的溫度施加系統由熱沉和加熱籠組成，熱沉由多級復疊制冷系統提供低溫環境，加熱籠由可程式加熱電源提供熱環境，見圖2。

圖2 原有試驗設備系統組成示意圖

導電滑環在進行熱真空試驗試驗時，電纜塑料絕緣層、導熱硅脂、硅橡膠等在真空度優于6.65×10-3Pa下發生分解、擴散釋放繼而脫離表面，隨著低溫和高溫交變試驗過程的推進，低溫時可凝揮發物VCM一部分吸附在熱沉低溫表面，一部分累積附著于滑環盤片表面，形成污染物，高溫時污染物又從熱沉和滑環盤片表面解吸，擴散于罐內空間，隨著溫度的交變重復解吸和吸附過程。同時，解吸和吸附過程會隨著時間而衰減，有研究表明非金屬材料87%的出氣量在試驗前6h完成，前人在某衛星大型反射面天線熱真空試驗中測定12h后材料出氣量明顯減弱。同樣，NASA研究表明，8h后材料出氣量趨于飽和。

防污染冷屏工作原理及其硬件結構

 太空散逸條件最重要的是低溫空間（4k），在極限低溫環境下污染物VCM會迅速散逸，而原有試驗設備受限于需構建導電滑環產品的高低溫交變試驗條件，無法有效構成污染物散逸條件，即：當產品高溫試驗工況時，熱沉溫度隨之升高，空間冷背景削弱，此時VCM散逸條件受到破壞。

因此利用低溫吸附原理，在原有試驗設備基礎上增加一個獨立控溫的低溫冷屏，并確保試驗過程中冷屏表面溫度始終低于導電滑環和熱沉，及時吸附VCM，其作用是防污染，其安裝結構如圖3。防污染冷屏安裝在產品安裝平臺與封頭熱沉之間，冷屏平行于封頭熱沉，通過支撐架固定在導軌上，通過容器右側的法蘭把冷卻管路引出。

圖3 防污染冷屏安裝圖

綜合考慮熱輻射對產品的影響以及現有設備的安裝空間等，冷屏主要包括冷屏本體結構、防輻射屏、百葉窗擋板、支撐架等。如圖4所示。

圖4 防污染冷屏主體結構示意圖

冷屏直徑為φ600mm，主體結構采用紫銅板+紫銅管焊接而成，表面設置活性炭，提高吸附效果。冷屏側面設置屏蔽罩，同時在冷屏背面設置防輻射屏，以減少熱沉對冷屏的熱輻射。冷屏前方設置可拆卸的百葉窗擋板用于減少冷屏低溫輻射對產品溫度的影響，百葉窗擋板采用拋光不銹鋼片焊接在骨架上。

防污染性能驗證試驗

NASA的哥達德空間飛行中心曾經利用石英晶體微量天平、殘余氣體分析器、氣相色譜質譜連用儀(GC/MS)以及傅立葉紅外分光光度計(FTIR)對衛星熱真空試驗污染物VCM成分進行定性定量分析；韓國的KARI利用氣相色譜質譜連用儀GC/MS技術分析了KAISTAT-4 FM烘烤試驗過程中的污染物VCM成分。國內進行的污染物成分分析較少，中國空間技術研究院總裝與環境工程部曾利用色質譜方法檢測衛星真空熱試驗污染物成分。本文采用石英晶體微量天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）進行VCM的定量測試。

石英晶體微量天平由采用石英晶體的壓電效應原理制成。晶體的兩側鍍有電極，當給兩側表面加電壓時，晶體內部的垂直方向會發生形變，當電壓撤離后，晶體內部的形變恢復，會在晶體兩側表面產生電壓。這樣形成的電壓，通過外接激勵放大電路，就形成了振蕩回路，回路的振蕩頻率與晶體的特性（如：密度、聲速）和表面附著污染物的質量有關。通過監測這個振蕩頻率就能獲得晶體表面污染物沉積量的大小。其靈敏度可達納克級，能夠實現相當于單分子層的質量檢測。

采用上海衛星裝備研究所出產的型號為SQCM-1的石英晶體微量天平，質量范圍4.42×10-8g/cm2~4.42×10-4g/cm2，測量分辨率為4.42×10-9g/cm2，質量靈敏度2.26×108Hz/(g/cm2)，對設備加裝防污染冷屏前后VCM抑制效果進行測定。

將石英晶體微量天平探頭（1#~3#）安裝在真空罐內延軸向均勻分布，見圖5，以監測熱真空試驗期間VCM的變化。

圖5 石英晶體微量天平（QCM）安裝圖

測量結果表明：升溫階段前期隨著溫度的上升，污染物VCM隨之增加，其中無冷屏結構的污染物增量大于加裝冷屏后的增量，且污染物在罐內分布較為均勻，表現為軸向分布差異小；而加裝冷屏后污染物增量顯著下降，且污染物在罐內的分布為越接近冷屏增量越小，說明加裝冷屏后污染物得到了有效的控制。在升溫結束后污染物VCM趨于穩定，加裝冷屏后污染物總量在10-7g/cm-2~10-6g/cm-2（見圖6升溫階段L1#~L3#），基本滿足試驗要求10-7g/cm-2指標，且較之未改造前污染物總量（見圖6升溫階段1#~3#）下降了1~2個數量級。降溫階段前期隨著溫度的下降，污染物VCM繼續累積增加，但總體趨勢明顯優于升溫階段（見圖6 b），在降溫結束后，加裝冷屏后污染物VCM穩定在10-8g/cm-2~10-7g/cm-2（見圖6降溫階段L1#~L3#），滿足試驗指標，這也符合低溫吸附原理。見圖6。

（a）升溫階段曲線

（b）降溫階段曲線

圖6冷屏對VCM的抑制效果對比圖

結束語

針對目前航天器導電滑環熱真空試驗時全程污染物控制需求，根據低溫吸附原理，對傳統熱真空設備進行改造，加裝獨立控溫功能的低溫冷屏，并開展防污染能力驗證試驗，對比分析改造前后微量污染物成分，改造后真空容器內的污染物VCM含量減少約1~2個數量級，說明冷屏污染物VCM有良好的抑制效果。