林驍雄　溫　正　陶家生（中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

離子推力器羽流鉬原子沉積對衛(wèi)星OER片熱控性能影響的仿真分析

林驍雄溫正陶家生
（中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

離子推力器柵極組件中濺射出的鉬原子隨束流飛出，部分沉積在衛(wèi)星光學(xué)太陽反射鏡（OSR）表面，會對其熱控性能產(chǎn)生影響。文章結(jié)合推力器與OSR片的相對位置，得到鉬原子在OSR表面的分布；根據(jù)沉積厚度得到鉬膜及復(fù)合膜的發(fā)射率和吸收比分布；根據(jù)OSR表面的熱平衡方程，得到其溫度分布，從而獲得了鉬原子沉積對OSR片熱控性能的影響。結(jié)果表明：鉬原子沉積引起OSR片的吸收比增加，OSR片溫度升高最大為幾十?dāng)z氏度，對溫度變化較為敏感的設(shè)備應(yīng)避免安裝在推力器周圍。

離子推力器；光學(xué)太陽反射鏡；鉬原子沉積；沉積厚度；熱控性能

1　引言

熱控涂層是衛(wèi)星熱控系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是通過調(diào)節(jié)衛(wèi)星表面的太陽吸收比和紅外發(fā)射率來控制衛(wèi)星表面的熱平衡［1］，以有效地控制衛(wèi)星的溫度，使內(nèi)部儀器、設(shè)備的溫度在允許范圍之內(nèi)，保證衛(wèi)星的正常工作。光學(xué)太陽反射鏡（Optical Solar Reflector，OSR）是目前廣泛應(yīng)用的熱控涂層，具有較低的吸收-輻射比。OSR片如果被污染，會導(dǎo)致熱輻射性質(zhì)發(fā)生變化，引起衛(wèi)星溫度的改變。在應(yīng)用離子推力器的衛(wèi)星中，鉬原子沉積是對OSR片熱控性能非常重要的影響因素。從目前對離子推力器羽流的初步分析可知，離子推力器羽流鉬原子的沉積量是幾納米到幾百納米厚，這個量值和光學(xué)膜系厚度相當(dāng)，可能會改變OSR片的性質(zhì)［2］，從而導(dǎo)致其熱控性能的改變，影響衛(wèi)星的溫度水平。因此，深入研究OSR片熱控性能在離子推力器羽流鉬原子沉積影響下的退化規(guī)律，具有重要意義。

文獻(xiàn)［3］中通過數(shù)值模擬得到了鉬原子的空間分布，但是沒有進(jìn)一步分析對衛(wèi)星OSR片熱控性能的影響。文獻(xiàn)［4］中研究了均勻厚度鉬膜的光學(xué)特性，但沒有針對特定空間分布的沉積鉬膜進(jìn)行分析。本文首先結(jié)合離子推力器與OSR片的相對位置，得到鉬原子在OSR表面的分布；然后根據(jù)沉積厚度得到OSR表面鉬膜及復(fù)合膜的發(fā)射率和吸收比；最后根據(jù)OSR表面熱平衡方程得到OSR表面溫度分布，評估出鉬原子沉積對OSR片熱控性能的影響情況。此結(jié)果可為推力器的布局分析和衛(wèi)星的熱控分析提供參考。比沖為3250s；電子溫度為5eV。建立離子推力器的羽流模型［7］，并在此基礎(chǔ)上添加鉬原子的碰撞和運動模塊，得到鉬原子在衛(wèi)星南北板OSR表面的沉積情況，如圖3所示。根據(jù)圖3中顯示的鉬原子沉積率（每秒沉積的鉬膜厚度）分布，可推算出鉬原子的沉積質(zhì)量分布，也可進(jìn)一步推算出鉬膜的厚度。將圖3用明顯的等值線表示，見圖4。從圖4可以看出:在衛(wèi)星南北板的2m×2m范圍內(nèi)，沉積率的分布相差了2個數(shù)量級，即從1×10—7?/s到1×10—9?/s。將沉積率分布乘以離子推力器工作時間（10000h），轉(zhuǎn)化成鉬膜厚度的等值線分布，見圖5。從圖5中可直觀地看出鉬原子的沉積厚度，范圍是0.7900～0.0079nm。

圖1　離子推力器在衛(wèi)星上的布局Fig.1　Location of ion thruster on satellite

2　鉬原子沉積分析

2.1鉬膜的形成

離子推力器柵極組件通常采用金屬鉬片作材料，若光學(xué)系統(tǒng)引出的束流離子不能完全聚焦，就會產(chǎn)生柵極腐蝕，從而濺射出鉬粒子。鉬原子的電離能（7.1eV）高于其功函數(shù)（4.6eV），碰撞過程不易發(fā)生電離，因此出射形式仍為鉬原子［5］。鉬原子隨束流飛出，部分沉積在衛(wèi)星及太陽翼表面，經(jīng)過吸附、凝結(jié)、表面擴散遷移、碰撞結(jié)合形成穩(wěn)定晶核，再通過吸附使晶核長大成小島，島長大后互相聯(lián)結(jié)聚結(jié)，最后形成結(jié)構(gòu)上連續(xù)的薄膜［6］，成為鉬原子沉積污染的主要因素。

2.2鉬原子沉積分布

圖1示出了一類高軌衛(wèi)星上的離子推力器布局，推力器軸線指向衛(wèi)星質(zhì)心，由于衛(wèi)星體積有限，推力器與OSR片的相對位置較近（見圖2），也導(dǎo)致鉬原子容易污染衛(wèi)星表面。為了分析鉬原子沉積分布情況，設(shè)置推力器的工作參數(shù)如下:功率為3.05kW；束電流為2.3A；束電壓為1091V；束流速度為40010m/s；效率為0.82；流量為3.83mg/s；

圖2　離子推力器與OSR片的位置關(guān)系Fig.2　Positions of ion thruster and OSR

圖3　OSR表面鉬原子沉積率分布示意Fig.3　Distribution of deposition rates of molybdenum atoms on OSR surface

圖4　OSR表面鉬原子沉積率等值線分布Fig.4　Distribution of deposition rates of molybdenum atoms on OSR surface（contour plot）

圖5　OSR表面鉬原子沉積厚度等值線分布Fig.5　Distribution of thickness of molybdenum atoms on OSR surface（contour plot）

2.3鉬原子沉積分析結(jié)果與已發(fā)表結(jié)果的比較

為了驗證本文分析結(jié)果的合理性，與文獻(xiàn)［3］中（離子推力器工作參數(shù)與本文的一致）獲得的分析結(jié)果進(jìn)行比較。文獻(xiàn)［3］中鉬原子沉積分布的仿真結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，在OSR片位置（圖6中紅色虛線位置）的鉬原子沉積密度下降到推力器出口處的0.0008～0.0040。對應(yīng)于本文圖5的仿真結(jié)果，對于距推力器出口1m左右的OSR片位置，這里10000h內(nèi)的鉬層厚度應(yīng)該在0.0280nm，此區(qū)域應(yīng)是0.079 0～0.0250nm為主的曲線區(qū)域，為推力器出口處的0.001～0.020，兩者范圍相當(dāng)，這在一定程度上說明了本文分析結(jié)果的正確性。

圖6　文獻(xiàn)［3］中的鉬原子沉積分布Fig.6　Distribution of deposition of molybdenum atoms in literature［3］

3　OSR片熱控性能的改變

OSR片由石英玻璃基片和鋁膜（銀膜）組成。石英玻璃透光性極好，而背面的鋁膜（銀膜）對可見光的反射性很強，整體認(rèn)為透射率為零。OSR片在空間環(huán)境下的性能衰變主要表現(xiàn)在其吸收特性，尤其是對太陽光短波吸收比的退化，太陽吸收比的退化一般表現(xiàn)為吸收比增大，而OSR片自身熱紅外發(fā)射率的退化相對緩慢［1］。

文獻(xiàn)［4］在波長為310～1250 nm范圍內(nèi)測量了離子束濺射沉積不同厚度納米鉬膜的反射比和透射率。由于厚度小于幾十埃的數(shù)據(jù)不能從文獻(xiàn)［4］中查到，參閱文獻(xiàn)［8］補全數(shù)據(jù)，見表1。

表1　鉬膜的光學(xué)性質(zhì)Table1　Optical properties of molybdenum film

結(jié)合上述分析，得到了玻璃基片和鉬膜的光學(xué)性質(zhì)，復(fù)合膜的光學(xué)性質(zhì)為每層膜光學(xué)性質(zhì)的組合。結(jié)合典型的OSR片參數(shù)（吸收比為0.12，發(fā)射率為0.78）計算復(fù)合膜的特性［9］。復(fù)合膜特性應(yīng)按照復(fù)合膜系［10］計算其反射比、透過率、吸收比，但由于鉬膜各處的厚度是不同的，OSR有自帶模系的，也有簡單涂層或裸表面的，情況較為復(fù)雜，這里采用鉬膜影響的反射比、透過率、吸收比和OSR的原吸收比（0.12）和原發(fā)射率（0.78）的線性疊加得到，見表2。線性插值擬合，得到OSR片復(fù)合膜吸收比分布如圖7所示。可以看到，OSR片上絕大部分區(qū)域的吸收比均有所上升，在推力器附近升高最為明顯，這將引起衛(wèi)星南北板平衡溫度的上升。

表2　復(fù)合膜特性Table2　Properties of composite film

圖7　復(fù)合膜吸收比Fig.7　Absorptance of composite film

4　OSR片熱平衡分析

本節(jié)結(jié)合已經(jīng)得到的復(fù)合膜特性分析OSR片的熱平衡。OSR表面接收到的外熱流有太陽輻射、地球紅外輻射、地球反射輻射以及艙體輻射等。對于高軌衛(wèi)星，忽略地球紅外輻射、地球反射輻射以及艙體輻射，認(rèn)為OSR表面接收到的外熱流只有太陽輻射，內(nèi)部設(shè)備產(chǎn)生的熱流通過OSR表面向外輻射。根據(jù)能量守恒定律，可得

Q1+Q2=Q3（1）

式中:太陽直射時傳入的外熱流Q1=αS，α為OSR片的吸收比，太陽常數(shù)S為1353 W/m2；內(nèi)熱源Q2= q，q為衛(wèi)星南北板的散熱能力；向深冷空間輻射散熱量Q3=εσT4，ε為OSR片的發(fā)射率，玻爾茲曼常數(shù)σ為5.67×10—8W/（m2·K4），T為OSR片的平衡溫度。

將各熱量的計算式代入式（1），整理后可得南北板溫度的計算公式為

αS+q=εσT4（2）

假定衛(wèi)星南北板所需的散熱能力q=300 W/m2，以ε=0.78，α=0.12為例，則計算得到OSR片的平衡溫度為320 K。

圖8為鉬原子沉積之后的OSR片溫度變化情況，其最高溫度變化包絡(luò)可達(dá)20℃。由于一般儀器設(shè)備的熱不確定余量為±11℃［11］，這將對衛(wèi)星壽命末期的整星熱控設(shè)計產(chǎn)生不利影響。因此，對溫度變化較為敏感的設(shè)備應(yīng)避免安裝在推力器周圍，衛(wèi)星內(nèi)相關(guān)熱控措施也要作進(jìn)一步分析。

以上是高軌衛(wèi)星溫度變化的最大包絡(luò)，衛(wèi)星不同，太陽光照射南北板的角度不同，溫度變化情況也會不同。以一般的通信衛(wèi)星為例，黃赤交角為23.5o，則艙板的平衡溫度為301.35℃，由于鉬原子沉積導(dǎo)致的溫度變化為13.8℃。

圖8　OSR片溫度變化分布Fig.8　Distribution of OSR temperature variation

5　結(jié)束語

離子推力器柵極濺射鉬原子在衛(wèi)星OSR片上沉積后，會對OSR片的熱控特性產(chǎn)生影響。本文對其進(jìn)行分析，獲得以下結(jié)果。

（1）鉬原子沉積會對OSR片的熱平衡溫度產(chǎn)生影響，影響大小與鉬膜厚度有關(guān)。由于推力器兩側(cè)與推力器出口軸線的夾角相對較小，在推力器兩側(cè)會有較大量的沉積，此區(qū)域的熱平衡溫度升高較大；而在推力器安裝位置的背面會有較少的沉積，此區(qū)域的熱平衡溫度也會升高，但相對較小。

（2）鉬原子沉積導(dǎo)致OSR片溫度升高最大可達(dá)幾十?dāng)z氏度，一些對溫度變化較為敏感的設(shè)備應(yīng)避免安裝在推力器周圍，這一結(jié)果可為采用離子推力器的衛(wèi)星熱控設(shè)計提供參考。

（3）從分析結(jié)果來看，在離子推力器工作10000h（約1.1年）的情況下，鉬原子的沉積厚度僅為0.7900nm，因此，鉬原子沉積對衛(wèi)星熱性能的影響是一個長期的積累過程，會發(fā)生在衛(wèi)星壽命末期。

工程的實際情況往往是非常復(fù)雜的，分析中須要給出許多近似和假設(shè)，如離子推力器的出口粒子分布假設(shè)，這會在某種程度上影響到計算結(jié)果，因此，本文所得的結(jié)果是鉬原子沉積對衛(wèi)星OSR片熱控性能影響的趨勢和定量參考，后續(xù)還要結(jié)合真實工況進(jìn)一步探討和完善。

（References）

［1］馬偉，宣益民，韓玉閣，等.長壽命衛(wèi)星熱控涂層性能退化及其對衛(wèi)星熱特征的影響［J］.宇航學(xué)報，2010，31（2）: 568-572 Ma Wei，Xuan Yimin，Han Yuge，et al.Degradation performance of long-life satellite thermal coating and its influence on thermal character［J］.Journal of Astronautics，2010，31（2）:568-572（in Chinese）

［2］Mark W Crofton.Evaluation of the United Kingdom ion thruster［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，1996，33（5）:739-747

［3］Roy R I S.Numerical study of spacecraft contamination and interactions by ion-thruster effluents［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，1996，33（4）:535-542

［4］范平，邵建達(dá)，易葵，等.納米Mo膜的光學(xué)特性及最小連續(xù)膜厚研究［J］.中國激光，2005，32（7）:977-981 Fan Ping，Shao Jianda，Yi Kui，et al.Optical properties and the minimal continuous thickness of molybdenum nano-films［J］.Chinese Journal of Lasers，2005，32（7）: 977-981（in Chinese）

［5］Roy R I S，Hastings D E，Gastonis N A.Ion-thruster plume modeling for backflow contamination［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，1996，33（4）:525-534

［6］朱繼國，柴衛(wèi)平，王華林，等.薄膜厚度對直流脈沖磁控濺射 Mo薄膜光電性能的影響［J］.光學(xué)儀器，2008，30（3）:55-59 Zhu Jiguo，Chai Weiping，Wang Hualin，et al.Effects of thickness on optical and electrical properties of Mo films prepared by DC-PMS［J］.Optical Instruments，2008，30 （3）:55-59（in Chinese）

［7］Wang J Brinza，D Young M.Three-dimensional particle simulation modeling of ion propulsion plasma environment for Deep Space One［C］//Proceedings of the 31st AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference.Washington D.C.:AIAA，2000:1-18

［8］Kemp R F，Luedke E E，Hall D F，et al.Effects of electrostatic rocket material deposited on solar cells ［C］//Proceedings of the 9th NASA Electric Propulsion Conference.Washington D.C.:NASA，1972:1-10

［9］王慶學(xué)，魏彥鋒，楊建榮，等.液相外延 HgCdTe薄膜組分均勻性對紅外透射光譜的影響［J］.半導(dǎo)體學(xué)報，2005，26（5）:904-909 Wang Qingxue，Wei Yanfeng，Yang Jianrong，et al. Effect of LPE-HgCd Te composition ununiformity on infrared transmission spectra［J］.Chinese Journal of Semiconductors，2005，26（5）:904-909（in Chinese）

［10］Faruk Farsakoglu.Analysis of characteristic parameters of a plasma ion source and of ion-assisted deposited optical thin films［J］.Optical Engineering，2005，44（10）:1-10

［11］侯增祺，胡金剛.航天器熱控制技術(shù):原理及其應(yīng)用［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2007:368-370 Hou Zengqi，Hu Jingang.Spacecraft thermal control technology:principle and application［M］.Beijing: China Science and Technology Press，2007:368-370（in Chinese）

（編輯：夏光）

Simulation Analysis of Deposition Effect of Molybdenum Atoms From Ion Thruster Plume on Satellite OSR Thermal Properties

LIN Xiaoxiong WEN Zheng TAO Jiasheng
（Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

An analysis is presented of degeneration of the thermal properties of OSR（Optical Solar Reflector）resulting from thin deposits of molybdenum sputtered from ion thruster grid.Based on the relative position of ion thruster and OSR，a deposition distribution of molybdenum atoms on OSR surface is computed，then the absorptance and emittance of composite film are gotten based on the deposition thickness，and finally elevated temperature is analyzed based on the heat balance equation.It is shown that a few monolayers of molybdenum deposition on the OSR surface will seriously degrade its performance with an increase of temperature up to tens of degrees centigrade around the thruster，which means that temperature-sensitive instruments should not be mounted near the ion thruster.

ion thruster；OSR（optical solar reflector）；molybdenum deposition；deposition thickness；thermal property

V439.2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.008

2015-11-23；

2016-04-18

林驍雄，男，碩士研究生，研究方向為衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)總體設(shè)計。Email：linxiaoxiong_1990@163.com。