電連接器結露因素和防結露方法研究

翟筱羿，方 猛，何建鋒，景旭貞，謝志勇，孟憲會

（1. 中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094；2. 鄭州航天電子技術有限公司，鄭州 450066）

0 引言

結露是日常生活中普遍存在的自然現象，在人類直接參與活動的載人航天器中同樣有可能出現。真空熱試驗和航天器飛行數據表明，航天器密封艙內側壁、冷板等位置在表面溫度低于一定溫度時，就會出現結露現象。

電連接器作為重要的航天器元器件，是航天器設備和電纜網的組成部分。如何使電連接器適應載人航天器密封艙內有人工作環(huán)境的需要，在結露環(huán)境下保證航天器能源傳輸、信號傳遞工作正常，是目前在航天器環(huán)境適應性要求不斷提高的背景下亟需解決的技術問題之一。

本文通過對載人航天器密封艙內結露現象的研究和梳理以及對電連接器性能的影響分析，對電連接器進行了防結露適應性設計，并設計了防結——露性能測試方案，通過試驗結果證明了電連接器防結露設計的有效性以及測試方案的可行性。

1 密封艙內結露原因

1.1 結露現象的熱力學基本概念

未經特殊指出的空氣一般為濕空氣，是指干空氣和水蒸氣的混合體。

當氣溫降低到某一溫度時，空氣相對濕度增至100%，達到飽和狀態(tài)，此溫度稱為露點溫度。

當局部環(huán)境溫度低于環(huán)境露點溫度時，空氣中的水蒸氣從飽和空氣中分離出來，凝結成水滴，產生結露現象[1-2]。

1.2 密封艙內結露現象原因分析

載人航天器在軌飛行時，艙內狀態(tài)受微重力、空間環(huán)境影響，因而相對地面環(huán)境有其特殊性，但熱力學定律仍適用于研究艙內環(huán)境狀態(tài)參數相互作用和變化。根據理想氣體狀態(tài)方程[3]

式中：P為氣體壓強；V為氣體體積；n為氣體的物質量；R為摩爾氣體常數；T為熱力學溫度。一定空間內，體積不變V1=V2，空氣中的P（壓強）、T（溫度）相互作用、影響，促使空氣溫度、濕度發(fā)生關聯性變化，狀態(tài)1的P1、T1變?yōu)闋顟B(tài)2的P2、T2，空氣中包含的水蒸氣越多，達到飽和狀態(tài)時溫度降低幅度愈小，露點溫度就愈高；反之，空氣中包含的水蒸氣愈少，其露點溫度愈低。密封艙內，一方面，散發(fā)水分的源頭持續(xù)存在，可以促使空氣的絕對濕度增大；另一方面，存在吸熱源和溫度差，可以促使空氣的相對濕度增大，兩方面因素綜合作用促使密封艙內出現結露現象。

溫度保持穩(wěn)定時，結露是否發(fā)生取決于空氣中水蒸氣分壓的大小，即是否有新增水分。在密封艙狹小的空間內，由于航天員長時間的正常呼吸、皮膚表面代謝以及運動代謝都會持續(xù)散發(fā)水分、不斷增大絕對濕度，使艙內空氣中的水蒸氣分壓持續(xù)增大。而當溫控吹風時，進出艙溫、濕度的設計必須考慮航天員人體舒適性的需要，進風濕度控制在相對濕度 40%～60%范圍內[4]，局部空間濕度增加，容易產生結露。

航天器在軌運行期間要經歷冷黑環(huán)境（地球陰影區(qū)）與熱真空環(huán)境（光照區(qū)）的交互作用，由于兩種環(huán)境之間存在著巨大的溫差，艙外環(huán)境溫度交替變化，飛船艙體內壁形成吸熱源，使密封艙內的相對濕度增大。同時，艙內設備、器件眾多（其中有很多具有圓形、弧形表面），工況、能耗、散熱能力差異比較大，造成艙內空氣溫、濕度分布不均勻，而儀器設備產生的廢熱又由于在空間微重力環(huán)境下不能全部通過自然對流[5]排散，形成溫度梯度。密封艙內環(huán)境溫度越高，空氣中能夠包含的水蒸氣越多；而環(huán)境溫度越低，空氣中能夠包含的水蒸氣越少。當溫度高的空氣轉移到溫度低的區(qū)域時，空氣相對濕度增大，當密封艙內局部區(qū)域溫度低于露點溫度時，就會出現結露現象。

2 電連接器性能影響和適應性設計

2.1 結露對電連接器性能的影響

一般情況下，普通的電氣元器件要求存放在相對濕度 40%以下的環(huán)境中，超過 40%就需要采取防護措施。

電連接器由金屬材料和非金屬材料組成，如果不具備良好的防潮、防結露性能，則潮氣經過殼體對接面進入電連接器內部，會引起和加劇金屬的腐蝕，導致產品性能和質量下降[1]。當空氣濕度達到飽和的情況下，如果在產品內部形成結露，可能使供電正負極之間擊穿，引發(fā)設備和電纜網安全事故。

2.2 電連接器防結露設計

密封艙內的熱力學環(huán)境防護方式分為主動和被動2種方式。主動方式是指通過艙內溫控系統(tǒng)來調節(jié)區(qū)域溫、濕度的平衡；被動方式是指采取防護性設計提高艙內設備的防結露能力。根據艙內設備、電纜的分布情況和實際工作情況，電連接器需要提高被動防護能力。

為滿足載人航天器密封艙的特殊環(huán)境要求，設計了新型防結露電連接器，利用橡膠類密封圈和殼體設計相結合的方式，增強了電連接器插緊時的密封性，提高電連接器的防結露能力，保證對接面的絕緣要求。密封圈材料具有彈性，能貼緊電連接器殼體，在插頭和插座插合狀態(tài)下不會被擠出；密封圈的材料具有阻燃性，在低氣壓下不得逸出有害氣體；對密封圈質量嚴格把關，確保不同批次產品的互換性和可操作性；使用密封圈后，不影響電連接器的電接觸性能，且能保護其電氣性能。

3 電連接器防結露性能測試試驗

3.1 試驗方法

國內針對電連接器性能檢查的主要標準是GJB 1217（電連接器試驗方法）[6]，其在防潮性能方面的考核方法包括鹽霧試驗和潮濕試驗，沒有專門針對電連接器防結露性能考核的標準與試驗方法。鹽霧試驗主要考核電連接器在鹽溶液噴霧中，其零件、表面處理層、機械結構、電氣參數是否受到很大影響。潮濕試驗主要考核電連接器所用材料的特性，即這些材料經高濕熱條件作用后受到的影響和損壞情況，是一種加速老煉的環(huán)境試驗。以上2種試驗方法與結露試驗考核電連接器防結露密封圈與插頭殼體相配時，能否有效防止潮氣進入電連接器并在其對接面形成結露的要求區(qū)別很大，只能作為參考，不能代替。結露試驗方案需要根據結露現象產生的機理結合密封艙內真實的環(huán)境條件來設計，嚴格考核新型電連接器在結露環(huán)境中的絕緣特性。

要選擇對環(huán)境溫度、濕度能夠進行良好控制的試驗設備。純粹用于濕熱試驗的試驗箱本身只能提供環(huán)境溫度控制，要想獲得可控的溫度差，必須改進試驗箱，采用溫、濕度計量工具，根據測試的要求設定溫、濕度的計量標準和范圍，在試驗箱中加入溫度可閉環(huán)調節(jié)的系統(tǒng)，通過設計和設置液體冷源系統(tǒng)控制試驗箱內的溫度差，從而使電連接器外表面始終處于結露環(huán)境中。這種結露試驗箱的環(huán)境控制系統(tǒng)原理如圖1所示。試驗時，液體冷源系統(tǒng)將冷板溫度調至低于環(huán)境露點溫度，將電連接器放置在冷板上，形成持續(xù)的結露環(huán)境。

圖1 結露試驗箱控制系統(tǒng)原理Fig. 1 Control system of the condensation test device

1）試驗環(huán)境：防結露性能測試要求在不會泄漏氣體的密封結露試驗箱中進行。結露試驗箱周圍環(huán)境條件須滿足GJB 1217試驗測試方法的要求，將結露試驗箱（內壁材質應耐腐蝕，保證不影響電連接器）放置于無腐蝕成分的環(huán)境中，防止內部測試設備與電連接器相互影響，從而影響測試結果。

2）試驗產品準備與放置：本試驗主要考核電連接器的對接面防結露性能，測試前需首先對試驗產品的外觀涂層、機械特性、電氣（導通、絕緣、耐壓等）特性檢查確認正常后，完成電連接器的防護生產工藝和轉接電纜尾部防護工作。準備工作完成后，將待測試電連接器按照圖2所示將插頭、插座插接到位，擺放在結露試驗箱內的指定位置上，連接轉接電纜。在試驗過程中，定時在引出結露試驗箱外的轉接電纜上按GJB 1217中3003方法檢定電連接器的絕緣電阻。

圖2 結露試驗中的電連接器連接關系Fig. 2 Connection of the electric connector in condensation test

3）試驗判定標準：高密度電連接器絕緣阻值不小于10 MΩ/500 V，普通密度電連接器絕緣阻值不小于20 MΩ/500 V，則認為滿足防結露性能要求。

當多個電連接器同時進行測試時，根據實際情況合理放置電連接器，使其不互相接觸，并能充分進行熱交換，不影響試驗測試結果。試驗完成后對試驗產品的外觀以及各項特性進行檢查確認是否滿足產品設計要求。試驗全周期內利用溫、濕度計量工具和控制系統(tǒng)確保測試環(huán)境條件滿足測試要求，保持持續(xù)結露的環(huán)境；利用專檢設備判斷單位面積冷凝水結露量和試驗過程中結露試驗箱的實際用水量，用以評估結露試驗的強度。

3.2 試驗結果

以10種防結露電連接器產品和未作防結露處理的比對產品參加試驗，包括具有代表性的9芯、17芯、26芯、52芯等多種芯數規(guī)格。試驗開始前按照測試方案設置環(huán)境溫、濕度（電連接器放置在冷板上，冷板溫度為8～10 ℃；冷板放置在潮濕環(huán)境中，箱內相對濕度不小于90%，溫度維持在21℃±4 ℃）。試驗開始9 min后電連接器表面及冷板表面出現小露珠，16 min時電連接器表面及冷板表面出現大量水珠，4 h后發(fā)現連接器表面及冷板表面水珠已經連成片，且導線表面也有大量水珠。未作防結露處理的比對產品的絕緣性能大幅下降，8 h后絕緣電阻低于10 MΩ/500 V，不滿足試驗判定標準。而10種防結露產品系列在240 h持續(xù)結露環(huán)境下，試驗完成時的絕緣電阻測試結果如表1所示。絕緣性能均滿足防結露性能試驗判定標準。

試驗中，電連接器絕緣性能的3種基本變化趨勢如圖3所示。第1種趨勢如圖3(a)所示，電連接器絕緣電阻值在全測試周期內保持不變，檢測結果保持在大于2000 MΩ的狀態(tài)；第2種趨勢如圖3(b)所示，絕緣電阻值在測試的初期和后期有漸變下降逐步保持穩(wěn)定的變化趨勢，后期保持在大于191 MΩ的狀態(tài)；第3種趨勢如圖3(c)所示，絕緣電阻值在經過測試初期的漸變下降后逐步保持穩(wěn)定，后期保持在大于1100 MΩ的狀態(tài)。3種變化趨勢過程和結果均滿足防結露性能試驗判定標準的要求。

表1 防結露性能試驗結果Table 1 Result of anti-condensation property test

圖3 電連接器絕緣電阻變化趨勢Fig. 3 The variations of the insulation resistance of the electric connectors

試驗箱內結露現象明顯，結露環(huán)境分析與試驗情況相吻合，這說明模擬結露環(huán)境條件的方案設計合理，驗證了密封艙內結露產生原因的分析。由試驗數據比對分析可知，經過防結露處理的電連接器在試驗全程阻值測量滿足設計要求，絕緣性能明顯優(yōu)于未作防結露處理的比對電連接器，驗證了電連接器適應性設計的有效性。

4 結束語

本文闡述了密封艙內環(huán)境溫濕度相互作用和變化及與結露現象產生的內在關系，為載人航天器用電連接器的環(huán)境條件分析、防結露設計和結露試驗研究提供了依據。對電連接器的防結露設計經試驗證明能適應載人航天器短期有人駐留的環(huán)境條件的需要。未來載人航天器飛行時間將呈跨越式增加，空間環(huán)境對電連接器的材料和結構的長期影響分析需要更多試驗數據的支撐和更加科學有效的分析。

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[1]郭濱濱. 電氣設備結露及其防治對策[J]. 科技情報開發(fā)與經濟, 2004, 14(3): 184-185

Guo Binbin. The condensation of electric equipment and preventive measures[J]. SCI/TECH Information Development& Economy, 2004, 14(3): 184-185

[2]顧文芳. 結露的產生與防止[J]. 上海儀器儀表, 2005(1): 9

Gu Wenfang. The formation of dew and prevent[J].Shanghai Instrument, 2005(1): 9

[3]Von Jouanne R G, Barker R S, Sitler G A. Dew point analysis for spaces station freedom, SAE 921221[R], 1992

[4]季旭, 梁新剛, 任建勛, 等. 載人航天器通風除濕系統(tǒng)運行參數的優(yōu)化分析[J]. 航天醫(yī)學與醫(yī)學工程, 2001,14(4): 272-275

Ji Xu, Liang Xin’gang, Ren Jianxun, et al. Optimization analysis of ventilation and dehumidification in manned spacecraft[J]. Space Medicine & Medical Engineering,2001, 14(4): 272-275

[5]徐小平, 鐘奇, 范含林, 等. 大型航天器艙內流動與傳熱傳質集成分析[J]. 空間科學學報, 2004, 24(4):295-300

Xu Xiaoping, Zhong Qi, Fan Hanlin, et al. Integrated flow heat and mass transfer analysis in large spacecraft[J].Chinese Journal of Space Science, 2004, 24(4): 295-300

[6]GJB 1217—1991 電連接器試驗方法[S]