没有洁净室就没有太空旅行航天探测器如何

首次组团太空旅行的四名公民（非宇航员）图源：SpaceX

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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，年将达到27,亿欧元。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。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。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%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。

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/DimitriGerondidakis

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：

ISO5级洁净室每立方米最多可容纳,个大于十分之一微米的颗粒。或者，联邦标准级洁净室在每立方英尺的空气中最多含有个大于半微米的颗粒。ISO7级显示52,个粒径为0.5m的颗粒和2,个粒径为5m的颗粒。在ISO8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,,个颗粒和每米每分钟为5μm29,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ISO8（,级）区域将保持在ISO7（10,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ISO7（10,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°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，均适用于防止伏以上的电压。

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ISO7/8洁净室等级的气闸系统进入ISO5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。

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Mars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ISO7级和8级洁净室，但它们的敏感部件值得更多

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