首次組團(tuán)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(hào)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(jìn)一步驗(yàn)證商業(yè)航天企業(yè)具備了從運(yùn)載火箭到載人飛船的全鏈條服務(wù)能力，隨時(shí)都可以開(kāi)放商業(yè)太空旅游的市場(chǎng)。

不僅歐美和中國(guó)等航天大國(guó)的國(guó)家航天機(jī)構(gòu)，還有私營(yíng)公司都為自己設(shè)定了雄心勃勃的航天計(jì)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(lè)觀精神，有一個(gè)行業(yè)將從航空航天市場(chǎng)的巨大增長(zhǎng)中受益：潔凈室。本文中，CleanRoomTec將談?wù)撨@些潔凈室部門(mén)如何協(xié)同工作的。

根據(jù)管理顧問(wèn)的預(yù)測(cè)，未來(lái)20年全球空間技術(shù)市場(chǎng)將增長(zhǎng)10倍，2040年將達(dá)到27,000億歐元。許多科學(xué)家、工程師、供應(yīng)商和服務(wù)提供商將從這種史無(wú)前例的增長(zhǎng)中發(fā)家致富。當(dāng)然，作為挑戰(zhàn)守護(hù)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?yàn)閹缀跛�有參與太空旅行的人都會(huì)執(zhí)行到一項(xiàng)共同的工作：潔凈室及其潔凈技術(shù)。

潔凈室技術(shù)對(duì)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(xì)節(jié)紕漏。1990年歐洲航天局 (ESA) 阿麗亞娜 4 號(hào)發(fā)射時(shí)，是管道中的一塊抹布導(dǎo)致了墜機(jī)。1994年有兩次錯(cuò)誤啟動(dòng)，因?yàn)槲酃甘箿u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(yuǎn)鏡的制造缺陷，因?yàn)橹麋R磨得太平了幾微米，但發(fā)現(xiàn)為時(shí)已晚，因?yàn)橐驯话l(fā)射到了太空。衛(wèi)星在到達(dá)預(yù)定軌道運(yùn)行時(shí)必須保持100%的功能，以求得幾十年的服役任務(wù)。一旦進(jìn)入太空，修理和清潔通常是不可能的。

通過(guò)事故后的錯(cuò)誤分析，工程師們意識(shí)到失敗任務(wù)的痛苦和高昂的代價(jià)。這使得工程師不停的積累經(jīng)驗(yàn)并不斷的發(fā)展?jié)崈羰壹捌浼夹g(shù)。畢竟這種精細(xì)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(jìn)實(shí)驗(yàn)室的潔凈室內(nèi)，在NASA的下一個(gè)火星車(chē)旁邊會(huì)見(jiàn)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(yán)格的清潔度。因?yàn)榧词故切☆w粒也能危及任務(wù)。臟污的光學(xué)元件、骯臟的焊點(diǎn)、不干凈的軸承是必須防止的薄弱點(diǎn)。在發(fā)射之前，漫游車(chē)、太空望遠(yuǎn)鏡等都被安置在潔凈室中，以防止對(duì)這些寶貴的有效載荷造成損壞。衛(wèi)星是沿著長(zhǎng)長(zhǎng)的潔凈室鏈創(chuàng)建的。這包括從組件生產(chǎn)和集成到運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射場(chǎng)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(guó)設(shè)有許多潔凈室，包括其學(xué)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(zhǔn)備就緒，并免受灰塵、細(xì)菌、頭發(fā)、空氣污染粒子等破壞性污染物的侵害，因?yàn)檫@些污染物的存在會(huì)損壞價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的航天器上的敏感儀器。

由于飛機(jī)和火箭的控制和監(jiān)測(cè)功能越來(lái)越精確，生產(chǎn)中對(duì)精度的需求也增加了。因此，潔凈室技術(shù)的進(jìn)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(dāng)今潔凈室對(duì)太空旅行的重要貢獻(xiàn)。

技術(shù)人員在位于佛羅里達(dá)州NASA肯尼迪航天中心的運(yùn)營(yíng)和結(jié)賬大樓高架棚內(nèi)的獵戶座乘員艙周?chē)�工�?圖源: NASA/Dimitri Gerondidakis

潔凈室部門(mén)整合與協(xié)調(diào)工作

將污染物控制在最低

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美國(guó)宇航局和其他機(jī)構(gòu)對(duì)太空產(chǎn)品的允許污染水平有嚴(yán)格的指導(dǎo)方針。環(huán)境污染物，如灰塵、指印、顆粒、蒸汽、微生物和細(xì)菌，是空間儀器和部件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要考慮因素，這些雜散的灰塵顆�；蛑讣y可能會(huì)破壞或禁用科學(xué)儀器。

潔凈室標(biāo)準(zhǔn)由聯(lián)邦和國(guó)際監(jiān)管并按等級(jí)指定，這是每單位體積允許的顆粒大小和數(shù)量的指示。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)：

ISO 5級(jí)潔凈室每立方米最多可容納100,000個(gè)大于十分之一微米的顆粒。或者，聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)100級(jí)潔凈室在每立方英尺的空氣中最多含有100個(gè)大于半微米的顆粒。ISO 7 級(jí)顯示52,000個(gè)粒徑為0.5m的顆粒和2,930個(gè)粒徑為5m的顆粒。在ISO 8 級(jí)中，與經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的過(guò)濾空氣進(jìn)行空氣交換的次數(shù)高達(dá)每小時(shí)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(guò)3,520,000個(gè)顆粒和每米每分鐘為5μm29,300個(gè)顆粒。

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

圖源：Astrotech

開(kāi)發(fā)航天器的挑戰(zhàn)之一是在組裝過(guò)程中操縱組件所需的空間�，F(xiàn)場(chǎng)高棚潔凈室使工程師能夠靈活地設(shè)計(jì)大型航天器。這間萬(wàn)級(jí)潔凈室還設(shè)有大型控制室、環(huán)境測(cè)試真空室、工作人員穿潔凈服的前廳和潔凈室。

定量設(shè)計(jì)的航天設(shè)備潔凈室對(duì)空氣懸浮微粒子控制有極端的要求。空氣模塊化過(guò)濾系統(tǒng) (MFS) 由便攜式HEPA過(guò)濾裝置組成，旨在過(guò)濾潔凈室空氣以消除工作級(jí)污染。該設(shè)計(jì)是通用的，允許使用單個(gè)或多個(gè)單元。MFS由HEPA送風(fēng)裝置、回風(fēng)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(guò)濾潔凈空氣，因此標(biāo)準(zhǔn)ISO 8（100,000 級(jí)）區(qū)域?qū)⒈３衷?ISO 7（10,000 級(jí)）之下。主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn) 90 +/- 30 英尺/分鐘的連續(xù)層流速度。在整個(gè)空間中保持粒子在區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，粒子群低于 ISO 7（10,000 級(jí)）以進(jìn)行活動(dòng)。設(shè)計(jì)通過(guò)完全開(kāi)放的天花板通道可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，并允許模塊化設(shè)計(jì)以適應(yīng)不斷變化的要求和設(shè)備放置。側(cè)壁設(shè)計(jì)取決于特定的客戶要求或人員入口點(diǎn)。

圖源：Lasp降落在其他天體上的探測(cè)器有著對(duì)純度的最高要求。它們必須既沒(méi)有顆粒也沒(méi)有細(xì)菌。如果孢子或桿菌隨探測(cè)器一起旅行，會(huì)影響尋找外星生命時(shí)測(cè)量結(jié)果。還將違反《外層空間條約》的一部分——各締約國(guó)從事研究、探索外層空間（包括月球和其他天體）時(shí)，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(xì)菌。組件經(jīng)過(guò)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(dá)到細(xì)菌數(shù)量的下限。完全無(wú)菌整合是不可能的。為此，對(duì)登陸單位進(jìn)行全面消毒是不可避免的。

所有高級(jí)潔凈室都裝有空調(diào)。它們的溫度通常為22°C (+/-3°C)，相對(duì)濕度為55% (+/-10%)。受控濕度可保護(hù)電子元件，因?yàn)楦稍锏目諝鈺?huì)導(dǎo)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(jìn)實(shí)驗(yàn)室的潔凈室中觀看了好奇號(hào)火星車(chē)的首次駕駛測(cè)試 圖源: NASAJPL-Caltech

運(yùn)行期間的蒸汽必須通過(guò)通風(fēng)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(dòng)——排放表面由一個(gè)帶有許多帶風(fēng)扇和終端過(guò)濾器的過(guò)濾器風(fēng)扇單元的格柵組成。工作臺(tái)/工作臺(tái)的表面通常是穿孔的，以允許空氣流過(guò)而不會(huì)產(chǎn)生干擾性的湍流。員工通過(guò) ISO 7/8 潔凈室等級(jí)的氣閘系統(tǒng)進(jìn)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(xué)系統(tǒng)的衛(wèi)星，例如偵察衛(wèi)星都集成在5級(jí)潔凈室中。光學(xué)表面上的顆粒會(huì)增加散射光分量，而分子雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致光譜干擾。用軟刷清潔很費(fèi)時(shí)間，而且會(huì)劃傷涂層。洗滌后，可能會(huì)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(jī)硅會(huì)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(guó)宇航局位于加利福尼亞州的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的潔凈室中觀看了Mars2020火星車(chē)的首次駕駛測(cè)試 圖源: NASA/JPL-Caltech

僅具有雷達(dá)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(lái)自ISO 7級(jí)和8級(jí)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(mén)必須嚴(yán)密，因?yàn)樾孤��?huì)縮短使用壽命。這些組件通常在集成過(guò)程中被覆蓋。

其他設(shè)備功能包括帶有封裝驅(qū)動(dòng)裝置和涂層皮帶的專(zhuān)門(mén)配備的起重機(jī)。這是因?yàn)槿~輪會(huì)產(chǎn)生磨損，而潤(rùn)滑的懸掛繩會(huì)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?yàn)樗�每分鐘釋�?到3000 萬(wàn)個(gè)大于0.3 m的顆粒。（相關(guān)文章請(qǐng)閱讀《“最大”污染源管控 | 基于RFID技術(shù)身份識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)潔凈室人員精確管理》）。因此，在潔凈區(qū)活動(dòng)的人員都穿著特殊的防護(hù)服。這些保護(hù)產(chǎn)品而不是人員 。因此潔凈室長(zhǎng)袍或工作服、潔凈室鞋和頭飾是強(qiáng)制性的，胡須佩戴者的胡須繃帶也是強(qiáng)制性的。任何操作飛機(jī)的人都必須戴手套。組件只能通過(guò)氣閘進(jìn)出飛機(jī)。

技術(shù)人員在科羅拉多州洛克希德馬J公司的無(wú)塵室內(nèi)對(duì)NASA的InSight Lander進(jìn)行太陽(yáng)能電池陣列測(cè)試 圖源: NASAJPL Caltech/Lockheed Martin

雖然是潔凈室，但房間并非無(wú)塵，必須按計(jì)劃和規(guī)定進(jìn)行清潔。污染物會(huì)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(jìn)行一次重新認(rèn)證和校準(zhǔn)，這也是必須的。

未來(lái)衛(wèi)星集成室的發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)宇宙至關(guān)重要

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

在處理這些成本時(shí)，在商業(yè)項(xiàng)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(jí)或減少使用壽命。自動(dòng)化沒(méi)有出路，衛(wèi)星集成仍然是一項(xiàng)手動(dòng)任務(wù)。

特別是光學(xué)系統(tǒng)增加了對(duì)潔凈室的要求。像太空望遠(yuǎn)鏡能夠越來(lái)越遠(yuǎn)地觀察太空或拍攝更詳細(xì)的地球照片。人類(lèi)目前只能看到估計(jì)100000000萬(wàn)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(gè)例子是ESA項(xiàng)目ATHENA，這是一種X射線望遠(yuǎn)鏡，其鏡面結(jié)構(gòu)由數(shù)百萬(wàn)微米尺寸的硅晶片制成。邊緣長(zhǎng)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(yuǎn)鏡 圖源：Timken

詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡是有史以來(lái)最大、最復(fù)雜的太空望遠(yuǎn)鏡，NASA將其設(shè)計(jì)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(yuǎn)鏡與地球之間的數(shù)據(jù)鏈接，使人類(lèi)能夠目睹韋伯的驚人發(fā)現(xiàn)。軸承及其傳動(dòng)系統(tǒng)部件的清潔度需要在更高的潔凈室內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(duì)灰塵就越敏感。將來(lái)，此類(lèi)衛(wèi)星將必須集成到 ISO 5或更高級(jí)別的潔凈房間中。這可以通過(guò)僅在有限區(qū)域內(nèi)建立更高級(jí)別的方式以控制或增加更多成本實(shí)現(xiàn)。

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

即使這對(duì)于具有復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的衛(wèi)星來(lái)說(shuō)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(jī)成分。具體知識(shí)可參見(jiàn)CleanRoomTec已發(fā)布文章《微電子潔凈室分子污染物監(jiān)控 | AMC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)+FFU風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元提升良品率》

如果員工甚至在太陽(yáng)能電池板上呼吸，績(jī)效就會(huì)顯著降低。這是永久性的，清潔不會(huì)改變這一點(diǎn)。分子可以用非特定的活性炭過(guò)濾器過(guò)濾掉，用于供應(yīng)和循環(huán)空氣。該標(biāo)準(zhǔn)很快將適用于每個(gè)ISO 5級(jí)潔凈室。還必須對(duì)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，在接觸采樣器數(shù)天后，只能進(jìn)行后續(xù)分析。為了立即消除源，需要實(shí)時(shí)測(cè)量。

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

在移動(dòng)潔凈室中運(yùn)輸

太空垃圾將成地球人家門(mén)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(yùn)輸?shù)臈l件必須與整合的條件相同。運(yùn)輸容器原則上是一個(gè)堅(jiān)固的8級(jí)移動(dòng)潔凈室，包括氣候控制。它通常充滿干燥的氮?dú)獠⒃谳p微超壓下加壓。在衛(wèi)星機(jī)身從上方或側(cè)面進(jìn)入之前，粗略預(yù)清潔的運(yùn)輸容器在氣閘中進(jìn)行精細(xì)清潔。

集裝箱只與主氣閘中的衛(wèi)星相遇。太陽(yáng)能收集器和天線等大件附件分開(kāi)運(yùn)輸。使用平板卡車(chē)運(yùn)輸時(shí)，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(guò)彈簧元件分離。

衛(wèi)星在具有大型ISO 7級(jí)和8級(jí)潔凈室的測(cè)試中心進(jìn)行測(cè)試，這些潔凈室并非在每個(gè)集成站點(diǎn)都可用。從中央潔凈室進(jìn)入測(cè)試設(shè)施，其中模擬負(fù)壓、溫度場(chǎng)景和振動(dòng)等空間條件。

德克薩斯州休斯頓約翰遜航天中心的一個(gè)干凈的管理實(shí)驗(yàn)室，里面有從月球上收集的阿波羅巖石 圖源：K.喬伊/美國(guó)宇航局

在“振動(dòng)器”上，衛(wèi)星的振動(dòng)方式與發(fā)射時(shí)相同。如果組件在此過(guò)程中斷裂，可以及時(shí)加固或重新設(shè)計(jì)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(cè)試成功后，衛(wèi)星通常由貨機(jī)直接帶到發(fā)射場(chǎng)。用于航空運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸集裝箱必須符合 IATA（國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)）的要求。

發(fā)射場(chǎng)也必須保持潔凈室的質(zhì)量。衛(wèi)星將在一個(gè)單獨(dú)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(shì)是通過(guò)額外的適配器購(gòu)買(mǎi)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(huì)檢查“偷渡者”是否已經(jīng)悄悄進(jìn)入。當(dāng)外殼在100公里的高度被吹走時(shí)，大氣非常稀薄，不再有被大氣污染物“偷渡”的風(fēng)險(xiǎn)。

一種網(wǎng)式太空垃圾清理裝置 圖源：科幻世界

盡管人類(lèi)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(guò)600,000個(gè)直徑超過(guò)10毫米的物體在環(huán)繞地球的軌道上運(yùn)行。其他模擬估計(jì)有1.5億個(gè)毫米大小的物體。當(dāng)他們接近時(shí)航天器時(shí)，需要進(jìn)行規(guī)避機(jī)動(dòng)，國(guó)際空間站也被迫不時(shí)進(jìn)行航向修正。如果太空國(guó)家想要在地球軌道上進(jìn)行清理這些垃圾，還有很多工作等待著他們。

如果人類(lèi)成功地在自家門(mén)口將太空垃圾掃蕩，這將證明人類(lèi)長(zhǎng)期在太陽(yáng)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。