航天探测器太空旅行少不了洁净室

文章来源:http://www.iwuchen.com/  2021年09月30日  点击数:128

首次组团太空旅行的四名公民(非宇航员) 图源:SpaceX

9月16日,特斯拉老板马斯克的私人太空探索技术公司SpaceX使用猎鹰9号火箭成功发射首次商业载人太空飞行任务Inspiration4——“龙飞船”将4名普通乘客送上太空,并完成环绕地球轨道飞行的三天奇幻之旅。进一步验证商业航天企业具备了从运载火箭到载人飞船的全链条服务能力,随时都可以开放商业太空旅游的市场。

不仅欧美和中国等航天大国的国家航天机构,还有私营公司都为自己设定了雄心勃勃的航天计划。SpaceX等新兴公司的成功首先表明一件事:商业太空旅行充满乐观精神,有一个行业将从航空航天市场的巨大增长中受益:洁净室。本文中,CleanRoomTec将谈论这些洁净室部门如何协同工作的。

根据管理顾问的预测,未来20年全球空间技术市场将增长10倍,2040年将达到27,000亿欧元。许多科学家、工程师、供应商和服务提供商将从这种史无前例的增长中发家致富。当然,作为挑战守护航天器最后一道防线的洁净室技术人员也将大获裨益。因为几乎所有参与太空旅行的人都会执行到一项共同的工作:洁净室及其洁净技术。

洁净室技术对于航空是最后防线

最大限度提高可靠性,降低故障率

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在太空旅行中,任务失败往往出于细节纰漏。1990年欧洲航天局 (ESA) 阿丽亚娜 4 号发射时,是管道中的一块抹布导致了坠机。1994年有两次错误启动,因为污垢使涡轮泵瘫痪。这不仅发生在欧航局身上,NASA曾五次维修哈勃望远镜的制造缺陷,因为主镜磨得太平了几微米,但发现为时已晚,因为已被发射到了太空。卫星在到达预定轨道运行时必须保持100%的功能,以求得几十年的服役任务。一旦进入太空,修理和清洁通常是不可能的。

通过事故后的错误分析,工程师们意识到失败任务的痛苦和高昂的代价。这使得工程师不停的积累经验并不断的发展洁净室及其技术。毕竟这种精细化工作与太空旅行的安全可靠性密切相关。

2019年12月,媒体成员在加州喷气推进实验室的洁净室内,在NASA的下一个火星车旁边会见了火星2020任务构建者 图源: NASA/JPL-Caltech

航天制造是精密制造的前沿领域,零部件必须保持严格的清洁度。因为即使是小颗粒也能危及任务。脏污的光学元件、肮脏的焊点、不干净的轴承是必须防止的薄弱点。在发射之前,漫游车、太空望远镜等都被安置在洁净室中,以防止对这些宝贵的有效载荷造成损坏。卫星是沿着长长的洁净室链创建的。这包括从组件生产和集成到运输到发射场和太空,都和洁净室技术息息相关。

NASA在其所有航天设施制造之间,在全国设有许多洁净室,包括其学术和商业合作伙伴设施。这些洁净室有助于使关键的飞行组件任务准备就绪,并免受灰尘、细菌、头发、空气污染粒子等破坏性污染物的侵害,因为这些污染物的存在会损坏价值数百万美元的航天器上的敏感仪器。

由于飞机和火箭的控制和监测功能越来越精确,生产中对精度的需求也增加了。因此,洁净室技术的进一步发展为航空航天业提供有力保障——最大限度地提高可靠性,即降低发射器和有效载荷的故障率,是当今洁净室对太空旅行的重要贡献

技术人员在位于佛罗里达州NASA肯尼迪航天中心的运营和结账大楼高架棚内的猎户座乘员舱周围工作 图源: NASA/Dimitri Gerondidakis

洁净室部门整合与协调工作

将污染物控制在最低

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美国宇航局和其他机构对太空产品的允许污染水平有严格的指导方针。环境污染物,如灰尘、指印、颗粒、蒸汽、微生物和细菌,是空间仪器和部件开发过程中的重要考虑因素,这些杂散的灰尘颗粒或指纹可能会破坏或禁用科学仪器。

洁净室标准由联邦和国际监管并按等级指定,这是每单位体积允许的颗粒大小和数量的指示。国际标准化组织标准:

ISO 5级洁净室每立方米最多可容纳100,000个大于十分之一微米的颗粒。或者,联邦标准100级洁净室在每立方英尺的空气中最多含有100个大于半微米的颗粒。ISO 7 级显示52,000个粒径为0.5m的颗粒和2,930个粒径为5m的颗粒。在ISO 8 级中,与经过调节的过滤空气进行空气交换的次数高达每小时40次。房间内有20到30帕斯卡的超压。另外激光粒子传感器监视器的大小为0.5μm不超过3,520,000个颗粒和每米每分钟为5μm29,300个颗粒。

根据它们的等级名称,洁净室具有特殊的系统和功能来控制污染。这些包括隔离的空气过滤、湿度和温度系统;供员工进出洁净室的休息室;工人的特殊防护服,包括工作服、鞋套、口罩、手套、发网和护目镜。洁净室内的设备也受到控制,使其不会产生空气或微粒污染。

图源:Astrotech

开发航天器的挑战之一是在组装过程中操纵组件所需的空间。现场高棚洁净室使工程师能够灵活地设计大型航天器。这间万级洁净室还设有大型控制室、环境测试真空室、工作人员穿洁净服的前厅和洁净室。

定量设计的航天设备洁净室对空气悬浮微粒子控制有极端的要求。空气模块化过滤系统 (MFS) 由便携式HEPA过滤装置组成,旨在过滤洁净室空气以消除工作级污染。该设计是通用的,允许使用单个或多个单元。MFS由HEPA送风装置、回风装置(HEPA 或非 HEPA)和全侧 ESD 墙组成。由于该装置在洁净室内过滤洁净空气,因此标准ISO 8(100,000 级)区域将保持在 ISO 7(10,000 级)之下。主要目标是实现 90 +/- 30 英尺/分钟的连续层流速度。在整个空间中保持粒子在区域内运动,粒子群低于 ISO 7(10,000 级)以进行活动。设计通过完全开放的天花板通道可实现这一目标,并允许模块化设计以适应不断变化的要求和设备放置。侧壁设计取决于特定的客户要求或人员入口点。

图源:Lasp降落在其他天体上的探测器有着对纯度的最高要求。它们必须既没有颗粒也没有细菌。如果孢子或杆菌随探测器一起旅行,会影响寻找外星生命时测量结果。还将违反《外层空间条约》的一部分——各缔约国从事研究、探索外层空间(包括月球和其他天体)时,应避免使其遭受有害的污染。为此,在航天器工作休息期间,紫外线灯可以杀死空气中的细菌。组件经过放射性辐照、用氯气充气或加热到140°C 以上。应用灭菌措施直到达到细菌数量的下限。完全无菌整合是不可能的。为此,对登陆单位进行全面消毒是不可避免的。

所有高级洁净室都装有空调。它们的温度通常为22°C (+/-3°C),相对湿度为55% (+/-10%)。受控湿度可保护电子元件,因为干燥的空气会导致电击穿。ESD(静电放电)地板还可以防止闪络。ESD设备包括耗散衣服、鞋子和手套,均适用于防止100 伏以上的电压。

2010年,技术人员在加利福尼亚喷气推进实验室的洁净室中观看了好奇号火星车的首次驾驶测试 图源: NASAJPL-Caltech

运行期间的蒸汽必须通过通风系统排除。从天花板到地板的垂直低湍流置换流是理想的途径。另一种可能性是水平流动——排放表面由一个带有许多带风扇和终端过滤器的过滤器风扇单元的格栅组成。工作台/工作台的表面通常是穿孔的,以允许空气流过而不会产生干扰性的湍流。员工通过 ISO 7/8 洁净室等级的气闸系统进入 ISO 5 洁净室,在那里他们根据更高的要求调整自己的服装。

具有极其敏感光学系统的卫星,例如侦察卫星都集成在5级洁净室中。光学表面上的颗粒会增加散射光分量,而分子杂质会导致光谱干扰。用软刷清洁很费时间,而且会划伤涂层。洗涤后,可能会留下条纹。因此,优先考虑的是尽量避免所有的污染。因此,在洁净室中不应使用硅胶。有机硅会在20年以上蒸发,从而释放出分子。

2019年,技术人员在美国宇航局位于加利福尼亚州的喷气推进实验室的洁净室中观看了Mars2020火星车的首次驾驶测试 图源: NASA/JPL-Caltech

仅具有雷达或通信系统等电子元件的卫星具有中等要求。大多数卫星来自ISO 7级和8级洁净室,但它们的敏感部件值得更多关注。这些卫星还配备了用于自给自足定位的星传感器,以及使用液体或气体操作的姿态控制系统。阀门必须严密,因为泄漏会缩短使用寿命。这些组件通常在集成过程中被覆盖。

其他设备功能包括带有封装驱动装置和涂层皮带的专门配备的起重机。这是因为叶轮会产生磨损,而润滑的悬挂绳会释放气体。

除了技术,关键因素始终是人——洁净室中的最大污染源,因为他每分钟释放1到3000 万个大于0.3 m的颗粒。(相关文章请阅读《最大”污染源管控 | 基于RFID技术身份识别系统实现洁净室人员精确管理。因此,在洁净区活动的人员都穿着特殊的防护服。这些保护产品而不是人员 。因此洁净室长袍或工作服、洁净室鞋和头饰是强制性的,胡须佩戴者的胡须绷带也是强制性的。任何操作飞机的人都必须戴手套。组件只能通过气闸进出飞机。

技术人员在科罗拉多州洛克希德马J公司的无尘室内对NASA的InSight Lander进行太阳能电池阵列测试 图源: NASAJPL Caltech/Lockheed Martin

虽然是洁净室,但房间并非无尘,必须按计划和规定进行清洁。污染物会沉积在地面或表面的安静区域。每天使用拖把和蒸馏水擦拭房间一次,是必须的。

洁净室本身每年进行一次重新认证和校准,这也是必须的。

未来卫星集成室的发展趋势

对太空望远镜观测宇宙至关重要

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在展望太空旅行洁净室的未来时,更高的要求和成本显得尤为突出。一颗长约5m的卫星集成需要约300平方米的面积。每平方米的价格基于每天数百欧元的使用费。这意味着仅洁净室的成本就已经吞噬了数百万美元。

在处理这些成本时,在商业项目中可以看出租户倾向于选择更便宜的,即太低的洁净室等级或减少使用寿命。自动化没有出路,卫星集成仍然是一项手动任务

特别是光学系统增加了对洁净室的要求。像太空望远镜能够越来越远地观察太空或拍摄更详细的地球照片。人类目前只能看到估计100000000万亿颗恒星中的一小部分,更深入地观察太空需要更精确的技术。这方面的一个例子是ESA项目ATHENA,这是一种X射线望远镜,其镜面结构由数百万微米尺寸的硅晶片制成。边缘长度仅为10厘米的微型卫星也需要更高的洁净室质量。

即将代替哈勃服役的韦伯太空望远镜 图源:Timken

詹姆斯?韦伯太空望远镜是有史以来最大、最复杂的太空望远镜,NASA将其设计成像折纸花一样折叠,使其适合火箭,然后将其发射到太空中。轴承是定位结构的一部分,该结构可定位天线并维持望远镜与地球之间的数据链接,使人类能够目睹韦伯的惊人发现。轴承及其传动系统部件的清洁度需要在更高的洁净室内实现无缝灵活的组装,就需要尽量谢绝任何微尘的加入。

系统越小型化,它们对灰尘就越敏感。将来,此类卫星将必须集成到 ISO 5或更高级别的洁净房间中。这可以通过仅在有限区域内建立更高级别的方式以控制或增加更多成本实现。

马里兰州戈达德太空飞行中心的一间洁净室,该中心设有美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜 图源: NASA/Goddard/Chris Gunn

即使这对于具有复杂光学系统的卫星来说也是不够的。它们不再只关注粒子,而是关注AMC——空气分子污染,尤其是空气中的有机成分。具体知识可参见CleanRoomTec已发布文章《微电子洁净室分子污染物监控 | AMC实时监测系统+FFU风机过滤单元提升良品率

如果员工甚至在太阳能电池板上呼吸,绩效就会显著降低。这是永久性的,清洁不会改变这一点。分子可以用非特定的活性炭过滤器过滤掉,用于供应和循环空气。该标准很快将适用于每个ISO 5级洁净室。还必须对测量技术应用更严格的标准。到目前为止,在接触采样器数天后,只能进行后续分析。为了立即消除源,需要实时测量。

美国宇航局的新视野号航天器位于佛罗里达州肯尼迪航天中心有效载荷危险服务设施内的一个洁净室中 图源:美国宇航局

在移动洁净室中运输

太空垃圾将成地球人家门口的最大障碍

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卫星集成需要许多传输。链条中最薄弱的环节决定了最终的质量。因此,运输的条件必须与整合的条件相同。运输容器原则上是一个坚固的8级移动洁净室,包括气候控制。它通常充满干燥的氮气并在轻微超压下加压。在卫星机身从上方或侧面进入之前,粗略预清洁的运输容器在气闸中进行精细清洁。

集装箱只与主气闸中的卫星相遇。太阳能收集器和天线等大件附件分开运输。使用平板卡车运输时,只能以阻尼方式传递冲击。为此,容器和卫星的支撑结构通过弹簧元件分离。

卫星在具有大型ISO 7级和8级洁净室的测试中心进行测试,这些洁净室并非在每个集成站点都可用。从中央洁净室进入测试设施,其中模拟负压、温度场景和振动等空间条件。

德克萨斯州休斯顿约翰逊航天中心的一个干净的管理实验室,里面有从月球上收集的阿波罗岩石 图源:K.乔伊/美国宇航局

在“振动器”上,卫星的振动方式与发射时相同。如果组件在此过程中断裂,可以及时加固或重新设计安装件并确定其尺寸。为了避免不必要地提高洁净室的质量要求,敏感子系统被涵盖在内。测试成功后,卫星通常由货机直接带到发射场。用于航空运输的运输集装箱必须符合 IATA(国际航空运输协会)的要求。

发射场也必须保持洁净室的质量。卫星将在一个单独的封闭有效载荷舱中的洁净室中组装。集成室和火箭空间分离的优势是通过额外的适配器购买的。另一种可能性是将卫星直接安装在载体上。在这种情况下,载体与有效载荷的接口水平延伸到洁净室,在那里放置卫星并与夹紧环连接。在外壳(整流罩)关闭之前,会检查“偷渡者”是否已经悄悄进入。当外壳在100公里的高度被吹走时,大气非常稀薄,不再有被大气污染物“偷渡”的风险。

一种网式太空垃圾清理装置 图源:科幻世界

尽管人类努力尝试以清洁的状态发送天空信使,但它却疏忽了处于生命周期另一端的卫星——太空垃圾。ESA模型MASTER-2005假设有超过600,000个直径超过10毫米的物体在环绕地球的轨道上运行。其他模拟估计有1.5亿个毫米大小的物体。当他们接近时航天器时,需要进行规避机动,国际空间站也被迫不时进行航向修正。如果太空国家想要在地球轨道上进行清理这些垃圾,还有很多工作等待着他们。

如果人类成功地在自家门口将太空垃圾扫荡,这将证明人类长期在太阳系定居的努力——为了从这里出发,也许以后可能不断征服和殖民新的行星世界。

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