空间光学系统污染评估方法研究

发布时间：2020-08-04 17:43

【摘要】：空间沾染对航天器上的光学系统造成严重影响,沉积在光学系统表面的污染物会使光学系统的光传输率(反射率、透射率)下降,从而降低整个光学系统的性能。航天器用材料出气是造成污染的重要原因之一,当光学系统表面沉积的污染物较多时,会造成光的衰减,因此要对光学系统进行损伤分析。卡塞格伦光学系统作为卫星光通信最常用的光学系统,主镜和次镜的污染分析是非常必要的。本文将从以上问题的角度出发,完成以下几方面的研究工作:1.针对空间材料的出气规律和出气成分叙述了材料的出气机理,给出航天器用材料出气的表征量定义并介绍表征量的测试问题。设计出多工位材料出气性能原位测试装置并介绍该装置的功能和进步点,总结了空间材料的出气规律和趋势。2.理论分析光能衰减性沾染占主导作用的情况以及光能衰减性沾染对光学表面反射率和透射率的影响。设计了用于损伤评估的多工位材料出气性能原位测试装置,用以制备用来做损伤评估的光学基片。本文在有限的实验条件下进行了模拟实验,设计并完成在可见光范围和红外光范围下光学系统损伤效应测试实验。并对实验数据进行了分析、拟合,得到了关于污染物质量厚度与光学系统光强透过率的衰减函数关系式,得到了关于碳粉沾染对光学系统光学成像影响的数据库。最后提出一种将碳粉作为标准材料的等效分析方法,即:将光学系统上沾染的不同污染物通过损伤程度分别换算成等价质量厚度的碳粉,那么就可以通过等价碳粉的质量厚度叠加,依据碳粉沾染物对光学系统的损伤关系,评估各类污染物引起的总光学系统的损伤。3.提出空腔沾染分析理论,以卫星光通信常用的卡塞格伦光学系统为例,分析卡塞格伦光学系统所可能遇到的两种污染情况。基于主次镜镜面方程,建立等立体角空腔沾染模型:假定材料出气物质是向空间4π立体角扩散,扩散各向同性,通过计算镜面相对于空间污染源所对应的空间立体角,计算光学镜面的沾染物总量,结合镜面面积,求得相应的质量厚度。结合前述光学系统的透射率与污染物质量厚度的关系,可以进行光学系统的污染损伤分析。本文建立了卡塞格伦光学系统的污染评估分析模型,并通过仿真得到了光学镜面污染物浓度的分布情况。为空间光学系统的污染评估提供了一种新的分析方法。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V441
【图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文卫星等航天器发射后不能返回，一旦出现故障无法控入大量的先进技术及资金。自二十世纪六十年代和七器的破坏开始被发现，许多航空工作者开始意识到污1-1 是导致航天器功能退化的空间污染的一个例子。 根0 世纪 90 年代，美国有 20 多艘航天器因空间污染物而。其中，其中 7 个由于光学系统损坏而使其光学性质一种长期暴露试验装置 LDEF(Long Duration Exposure 10000 多件的样品材料，包括金属、复合材料、聚合物材料等，进行了多项实验包括空间原子氧对表面材料染效应试验，前后共历时 69 个月。经测试发现，因为池板表面使其输出功率下降。污染物质粘附在光学元，使被污染的地方产生更多的热量，从而使航天器表 1-1 所示。

同污染厚度的传输损失进行计算，为航天器上的材料选择、防护需求和退火过程奠定基础。图1-2 和平号空间站的光学特性监视仪所在位置1997年，马歇尔空间飞行中心搭载了一部光学检测仪，目的是为了研究空间环境作用下各类物质的长期暴露效应，该设备可以用于监测空间环境导致的材料出气引起分子污染。该实验历时八个月主要完成了光学材料的飞行试验，测定空间真空热环境对光学材料的影响及损伤机理，此外，通过OPM测得的试验数据，为地面测试试验的作参考[29]。该光学监视系统处于与晶体号飞船相连接的对接舱上，所在位置如图1-2所示。 2006年，经过R.H.Khassanchine 等人[30,31]对在紫外和电子辐射的条件下促使航天聚合物材料释放的沉积物进行了分析

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文13图2-1 异位测试系统测试单元示意图其中各元件名称为：1-端盖；2-试样室；3-铜加热棒；4-隔板；5-收集腔；6-收集板；7-水冷基座。铜加热棒的加热功率需满足标准规定的1h内将加热棒加热到125℃的要求；当需要清洁加热棒时，可以把它加热到200℃以上；水冷基座的水温控制在（25±0.1）℃；试样预处理时的50%湿度是用四水合硝酸钙饱和溶液保证的，该溶液在24.5℃下相对湿度为51%。称量吕制小盒、试样、收集板采用的是超微量自动天平，灵敏度0.1μg,由于标准规定的天平灵敏度1μg。2.4 多工位材料出气性能原位测试系统设计星用非金属材料的选择上要综合考虑很多因素，包括材料的用量、应用位置、相对敏感器件和表面的视角、材料本身的出气过程尤为重要，直接关系着出气污染的过程、量级，并为整星及分系统污染的模拟、计算、长期预报提供重要的直接依据。但上节叙述的异位测试系统不具备这种功能，只能提供实验测试前后的数据用作材料的出气污染性的评价和筛选

【参考文献】

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本文编号：2780867