首次組團太空旅行的四名公民（非宇航員） 圖源：SpaceX

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9月16日，特斯拉老板馬斯克的私人太空探索技術(shù)公司SpaceX使用獵鷹9號火箭成功發(fā)射首次商業(yè)載人太空飛行任務(wù)Inspiration4——“龍飛船”將4名普通乘客送上太空，并完成環(huán)繞地球軌道飛行的三天奇幻之旅。進一步驗證商業(yè)航天企業(yè)具備了從運載火箭到載人飛船的全鏈條服務(wù)能力，隨時都可以開放商業(yè)太空旅游的市場。

不僅歐美和中國等航天大國的國家航天機構(gòu)，還有私營公司都為自己設(shè)定了雄心勃勃的航天計劃。SpaceX等新興公司的成功首先表明一件事：商業(yè)太空旅行充滿樂觀精神，有一個行業(yè)將從航空航天市場的巨大增長中受益：潔凈室。本文中，CleanRoomTec將談?wù)撨@些潔凈室部門如何協(xié)同工作的。

根據(jù)管理顧問的預(yù)測，未來20年全球空間技術(shù)市場將增長10倍，2040年將達到27,000億歐元。許多科學家、工程師、供應(yīng)商和服務(wù)提供商將從這種史無前例的增長中發(fā)家致富。當然，作為挑戰(zhàn)守護航天器最后一道防線的潔凈室技術(shù)人員也將大獲裨益。因為幾乎所有參與太空旅行的人都會執(zhí)行到一項共同的工作：潔凈室及其潔凈技術(shù)。

潔凈室技術(shù)對于航空是最后防線

最大限度提高可靠性，降低故障率

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在太空旅行中，任務(wù)失敗往往出于細節(jié)紕漏。1990年歐洲航天局 (ESA) 阿麗亞娜 4 號發(fā)射時，是管道中的一塊抹布導致了墜機。1994年有兩次錯誤啟動，因為污垢使渦輪泵癱瘓。這不僅發(fā)生在歐航局身上，NASA曾五次維修哈勃望遠鏡的制造缺陷，因為主鏡磨得太平了幾微米，但發(fā)現(xiàn)為時已晚，因為已被發(fā)射到了太空。衛(wèi)星在到達預(yù)定軌道運行時必須保持100%的功能，以求得幾十年的服役任務(wù)。一旦進入太空，修理和清潔通常是不可能的。

通過事故后的錯誤分析，工程師們意識到失敗任務(wù)的痛苦和高昂的代價。這使得工程師不停的積累經(jīng)驗并不斷的發(fā)展?jié)崈羰壹捌浼夹g(shù)。畢竟這種精細化工作與太空旅行的安全可靠性密切相關(guān)。

2019年12月，媒體成員在加州噴氣推進實驗室的潔凈室內(nèi)，在NASA的下一個火星車旁邊會見了火星2020任務(wù)構(gòu)建者 圖源: NASA/JPL-Caltech

航天制造是精密制造的前沿領(lǐng)域，零部件必須保持嚴格的清潔度。因為即使是小顆粒也能危及任務(wù)。臟污的光學元件、骯臟的焊點、不干凈的軸承是必須防止的薄弱點。在發(fā)射之前，漫游車、太空望遠鏡等都被安置在潔凈室中，以防止對這些寶貴的有效載荷造成損壞。衛(wèi)星是沿著長長的潔凈室鏈創(chuàng)建的。這包括從組件生產(chǎn)和集成到運輸?shù)桨l(fā)射場和太空，都和潔凈室技術(shù)息息相關(guān)。

NASA在其所有航天設(shè)施制造之間，在全國設(shè)有許多潔凈室，包括其學術(shù)和商業(yè)合作伙伴設(shè)施。這些潔凈室有助于使關(guān)鍵的飛行組件任務(wù)準備就緒，并免受灰塵、細菌、頭發(fā)、空氣污染粒子等破壞性污染物的侵害，因為這些污染物的存在會損壞價值數(shù)百萬美元的航天器上的敏感儀器。

由于飛機和火箭的控制和監(jiān)測功能越來越精確，生產(chǎn)中對精度的需求也增加了。因此，潔凈室技術(shù)的進一步發(fā)展為航空航天業(yè)提供有力保障——最大限度地提高可靠性，即降低發(fā)射器和有效載荷的故障率，是當今潔凈室對太空旅行的重要貢獻。

技術(shù)人員在位于佛羅里達州NASA肯尼迪航天中心的運營和結(jié)賬大樓高架棚內(nèi)的獵戶座乘員艙周圍工作 圖源: NASA/Dimitri Gerondidakis

潔凈室部門整合與協(xié)調(diào)工作

將污染物控制在最低

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美國宇航局和其他機構(gòu)對太空產(chǎn)品的允許污染水平有嚴格的指導方針。環(huán)境污染物，如灰塵、指印、顆粒、蒸汽、微生物和細菌，是空間儀器和部件開發(fā)過程中的重要考慮因素，這些雜散的灰塵顆粒或指紋可能會破壞或禁用科學儀器。

潔凈室標準由聯(lián)邦和國際監(jiān)管并按等級指定，這是每單位體積允許的顆粒大小和數(shù)量的指示。國際標準化組織標準：

ISO 5級潔凈室每立方米最多可容納100,000個大于十分之一微米的顆粒�；蛘�，聯(lián)邦標準100級潔凈室在每立方英尺的空氣中最多含有100個大于半微米的顆粒。ISO 7 級顯示52,000個粒徑為0.5m的顆粒和2,930個粒徑為5m的顆粒。在ISO 8 級中，與經(jīng)過調(diào)節(jié)的過濾空氣進行空氣交換的次數(shù)高達每小時40次。房間內(nèi)有20到30帕斯卡的超壓。另外激光粒子傳感器監(jiān)視器的大小為0.5μm不超過3,520,000個顆粒和每米每分鐘為5μm29,300個顆粒。

根據(jù)它們的等級名稱，潔凈室具有特殊的系統(tǒng)和功能來控制污染。這些包括隔離的空氣過濾、濕度和溫度系統(tǒng)；供員工進出潔凈室的休息室；工人的特殊防護服，包括工作服、鞋套、口罩、手套、發(fā)網(wǎng)和護目鏡。潔凈室內(nèi)的設(shè)備也受到控制，使其不會產(chǎn)生空氣或微粒污染。

圖源：Astrotech

開發(fā)航天器的挑戰(zhàn)之一是在組裝過程中操縱組件所需的空間。現(xiàn)場高棚潔凈室使工程師能夠靈活地設(shè)計大型航天器。這間萬級潔凈室還設(shè)有大型控制室、環(huán)境測試真空室、工作人員穿潔凈服的前廳和潔凈室。

定量設(shè)計的航天設(shè)備潔凈室對空氣懸浮微粒子控制有極端的要求。空氣模塊化過濾系統(tǒng) (MFS) 由便攜式HEPA過濾裝置組成，旨在過濾潔凈室空氣以消除工作級污染。該設(shè)計是通用的，允許使用單個或多個單元。MFS由HEPA送風裝置、回風裝置（HEPA 或非 HEPA）和全側(cè) ESD 墻組成。由于該裝置在潔凈室內(nèi)過濾潔凈空氣，因此標準ISO 8（100,000 級）區(qū)域?qū)⒈３衷?ISO 7（10,000 級）之下。主要目標是實現(xiàn) 90 +/- 30 英尺/分鐘的連續(xù)層流速度。在整個空間中保持粒子在區(qū)域內(nèi)運動，粒子群低于 ISO 7（10,000 級）以進行活動。設(shè)計通過完全開放的天花板通道可實現(xiàn)這一目標，并允許模塊化設(shè)計以適應(yīng)不斷變化的要求和設(shè)備放置。側(cè)壁設(shè)計取決于特定的客戶要求或人員入口點。

圖源：Lasp降落在其他天體上的探測器有著對純度的最高要求。它們必須既沒有顆粒也沒有細菌。如果孢子或桿菌隨探測器一起旅行，會影響尋找外星生命時測量結(jié)果。還將違反《外層空間條約》的一部分——各締約國從事研究、探索外層空間（包括月球和其他天體）時，應(yīng)避免使其遭受有害的污染。為此，在航天器工作休息期間，紫外線燈可以殺死空氣中的細菌。組件經(jīng)過放射性輻照、用氯氣充氣或加熱到140°C 以上。應(yīng)用滅菌措施直到達到細菌數(shù)量的下限。完全無菌整合是不可能的。為此，對登陸單位進行全面消毒是不可避免的。

所有高級潔凈室都裝有空調(diào)。它們的溫度通常為22°C (+/-3°C)，相對濕度為55% (+/-10%)。受控濕度可保護電子元件，因為干燥的空氣會導致電擊穿。ESD（靜電放電）地板還可以防止閃絡(luò)。ESD設(shè)備包括耗散衣服、鞋子和手套，均適用于防止100 伏以上的電壓。

2010年，技術(shù)人員在加利福尼亞噴氣推進實驗室的潔凈室中觀看了好奇號火星車的首次駕駛測試 圖源: NASAJPL-Caltech

運行期間的蒸汽必須通過通風系統(tǒng)排除。從天花板到地板的垂直低湍流置換流是理想的途徑。另一種可能性是水平流動——排放表面由一個帶有許多帶風扇和終端過濾器的過濾器風扇單元的格柵組成。工作臺/工作臺的表面通常是穿孔的，以允許空氣流過而不會產(chǎn)生干擾性的湍流。員工通過 ISO 7/8 潔凈室等級的氣閘系統(tǒng)進入 ISO 5 潔凈室，在那里他們根據(jù)更高的要求調(diào)整自己的服裝。

具有極其敏感光學系統(tǒng)的衛(wèi)星，例如偵察衛(wèi)星都集成在5級潔凈室中。光學表面上的顆粒會增加散射光分量，而分子雜質(zhì)會導致光譜干擾。用軟刷清潔很費時間，而且會劃傷涂層。洗滌后，可能會留下條紋。因此，優(yōu)先考慮的是盡量避免所有的污染。因此，在潔凈室中不應(yīng)使用硅膠。有機硅會在20年以上蒸發(fā)，從而釋放出分子。

2019年，技術(shù)人員在美國宇航局位于加利福尼亞州的噴氣推進實驗室的潔凈室中觀看了Mars2020火星車的首次駕駛測試 圖源: NASA/JPL-Caltech

僅具有雷達或通信系統(tǒng)等電子元件的衛(wèi)星具有中等要求。大多數(shù)衛(wèi)星來自ISO 7級和8級潔凈室，但它們的敏感部件值得更多關(guān)注。這些衛(wèi)星還配備了用于自給自足定位的星傳感器，以及使用液體或氣體操作的姿態(tài)控制系統(tǒng)。閥門必須嚴密，因為泄漏會縮短使用壽命。這些組件通常在集成過程中被覆蓋。

其他設(shè)備功能包括帶有封裝驅(qū)動裝置和涂層皮帶的專門配備的起重機。這是因為葉輪會產(chǎn)生磨損，而潤滑的懸掛繩會釋放氣體。

除了技術(shù)，關(guān)鍵因素始終是人——潔凈室中的最大污染源，因為他每分鐘釋放1到3000 萬個大于0.3 m的顆粒。（相關(guān)文章請閱讀《“最大”污染源管控 | 基于RFID技術(shù)身份識別系統(tǒng)實現(xiàn)潔凈室人員精確管理》）。因此，在潔凈區(qū)活動的人員都穿著特殊的防護服。這些保護產(chǎn)品而不是人員 。因此潔凈室長袍或工作服、潔凈室鞋和頭飾是強制性的，胡須佩戴者的胡須繃帶也是強制性的。任何操作飛機的人都必須戴手套。組件只能通過氣閘進出飛機。

技術(shù)人員在科羅拉多州洛克希德馬J公司的無塵室內(nèi)對NASA的InSight Lander進行太陽能電池陣列測試 圖源: NASAJPL Caltech/Lockheed Martin

雖然是潔凈室，但房間并非無塵，必須按計劃和規(guī)定進行清潔。污染物會沉積在地面或表面的安靜區(qū)域。每天使用拖把和蒸餾水擦拭房間一次，是必須的。

潔凈室本身每年進行一次重新認證和校準，這也是必須的。

未來衛(wèi)星集成室的發(fā)展趨勢

對太空望遠鏡觀測宇宙至關(guān)重要

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在展望太空旅行潔凈室的未來時，更高的要求和成本顯得尤為突出。一顆長約5m的衛(wèi)星集成需要約300平方米的面積。每平方米的價格基于每天數(shù)百歐元的使用費。這意味著僅潔凈室的成本就已經(jīng)吞噬了數(shù)百萬美元。

在處理這些成本時，在商業(yè)項目中可以看出租戶傾向于選擇更便宜的，即太低的潔凈室等級或減少使用壽命。自動化沒有出路，衛(wèi)星集成仍然是一項手動任務(wù)。

特別是光學系統(tǒng)增加了對潔凈室的要求。像太空望遠鏡能夠越來越遠地觀察太空或拍攝更詳細的地球照片。人類目前只能看到估計100000000萬億顆恒星中的一小部分，更深入地觀察太空需要更精確的技術(shù)。這方面的一個例子是ESA項目ATHENA，這是一種X射線望遠鏡，其鏡面結(jié)構(gòu)由數(shù)百萬微米尺寸的硅晶片制成。邊緣長度僅為10厘米的微型衛(wèi)星也需要更高的潔凈室質(zhì)量。

即將代替哈勃服役的韋伯太空望遠鏡 圖源：Timken

詹姆斯?韋伯太空望遠鏡是有史以來最大、最復雜的太空望遠鏡，NASA將其設(shè)計成像折紙花一樣折疊，使其適合火箭，然后將其發(fā)射到太空中。軸承是定位結(jié)構(gòu)的一部分，該結(jié)構(gòu)可定位天線并維持望遠鏡與地球之間的數(shù)據(jù)鏈接，使人類能夠目睹韋伯的驚人發(fā)現(xiàn)。軸承及其傳動系統(tǒng)部件的清潔度需要在更高的潔凈室內(nèi)實現(xiàn)無縫靈活的組裝，就需要盡量謝絕任何微塵的加入。

系統(tǒng)越小型化，它們對灰塵就越敏感。將來，此類衛(wèi)星將必須集成到 ISO 5或更高級別的潔凈房間中。這可以通過僅在有限區(qū)域內(nèi)建立更高級別的方式以控制或增加更多成本實現(xiàn)。

馬里蘭州戈達德太空飛行中心的一間潔凈室，該中心設(shè)有美國宇航局的詹姆斯韋伯太空望遠鏡 圖源: NASA/Goddard/Chris Gunn

即使這對于具有復雜光學系統(tǒng)的衛(wèi)星來說也是不夠的。它們不再只關(guān)注粒子，而是關(guān)注AMC——空氣分子污染，尤其是空氣中的有機成分。具體知識可參見CleanRoomTec已發(fā)布文章《微電子潔凈室分子污染物監(jiān)控 | AMC實時監(jiān)測系統(tǒng)+FFU風機過濾單元提升良品率》

如果員工甚至在太陽能電池板上呼吸，績效就會顯著降低。這是永久性的，清潔不會改變這一點。分子可以用非特定的活性炭過濾器過濾掉，用于供應(yīng)和循環(huán)空氣。該標準很快將適用于每個ISO 5級潔凈室。還必須對測量技術(shù)應(yīng)用更嚴格的標準。到目前為止，在接觸采樣器數(shù)天后，只能進行后續(xù)分析。為了立即消除源，需要實時測量。

美國宇航局的新視野號航天器位于佛羅里達州肯尼迪航天中心有效載荷危險服務(wù)設(shè)施內(nèi)的一個潔凈室中 圖源：美國宇航局

在移動潔凈室中運輸

太空垃圾將成地球人家門口的最大障礙

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衛(wèi)星集成需要許多傳輸。鏈條中最薄弱的環(huán)節(jié)決定了最終的質(zhì)量。因此，運輸?shù)臈l件必須與整合的條件相同。運輸容器原則上是一個堅固的8級移動潔凈室，包括氣候控制。它通常充滿干燥的氮氣并在輕微超壓下加壓。在衛(wèi)星機身從上方或側(cè)面進入之前，粗略預(yù)清潔的運輸容器在氣閘中進行精細清潔。

集裝箱只與主氣閘中的衛(wèi)星相遇。太陽能收集器和天線等大件附件分開運輸。使用平板卡車運輸時，只能以阻尼方式傳遞沖擊。為此，容器和衛(wèi)星的支撐結(jié)構(gòu)通過彈簧元件分離。

衛(wèi)星在具有大型ISO 7級和8級潔凈室的測試中心進行測試，這些潔凈室并非在每個集成站點都可用。從中央潔凈室進入測試設(shè)施，其中模擬負壓、溫度場景和振動等空間條件。

德克薩斯州休斯頓約翰遜航天中心的一個干凈的管理實驗室，里面有從月球上收集的阿波羅巖石 圖源：K.喬伊/美國宇航局

在“振動器”上，衛(wèi)星的振動方式與發(fā)射時相同。如果組件在此過程中斷裂，可以及時加固或重新設(shè)計安裝件并確定其尺寸。為了避免不必要地提高潔凈室的質(zhì)量要求，敏感子系統(tǒng)被涵蓋在內(nèi)。測試成功后，衛(wèi)星通常由貨機直接帶到發(fā)射場。用于航空運輸?shù)倪\輸集裝箱必須符合 IATA（國際航空運輸協(xié)會）的要求。

發(fā)射場也必須保持潔凈室的質(zhì)量。衛(wèi)星將在一個單獨的封閉有效載荷艙中的潔凈室中組裝。集成室和火箭空間分離的優(yōu)勢是通過額外的適配器購買的。另一種可能性是將衛(wèi)星直接安裝在載體上。在這種情況下，載體與有效載荷的接口水平延伸到潔凈室，在那里放置衛(wèi)星并與夾緊環(huán)連接。在外殼（整流罩）關(guān)閉之前，會檢查“偷渡者”是否已經(jīng)悄悄進入。當外殼在100公里的高度被吹走時，大氣非常稀薄，不再有被大氣污染物“偷渡”的風險。

一種網(wǎng)式太空垃圾清理裝置 圖源：科幻世界

盡管人類努力嘗試以清潔的狀態(tài)發(fā)送天空信使，但它卻疏忽了處于生命周期另一端的衛(wèi)星——太空垃圾。ESA模型MASTER-2005假設(shè)有超過600,000個直徑超過10毫米的物體在環(huán)繞地球的軌道上運行。其他模擬估計有1.5億個毫米大小的物體。當他們接近時航天器時，需要進行規(guī)避機動，國際空間站也被迫不時進行航向修正。如果太空國家想要在地球軌道上進行清理這些垃圾，還有很多工作等待著他們。

如果人類成功地在自家門口將太空垃圾掃蕩，這將證明人類長期在太陽系定居的努力——為了從這里出發(fā)，也許以后可能不斷征服和殖民新的行星世界。