載人航天器用電連接器耐結(jié)露性能研究

蘇 妤，張 磊，楊敏慧，李 楠

(1.中國空間技術(shù)研究院，北京，100094;2.鄭州航天電子技術(shù)有限公司，河南鄭州，450001)

1 引言

電連接器是為電氣終端之間提供連接與分離功能的一種元件，電連接器及其組件是航天系統(tǒng)工程重要的配套接口元件，分布在各個系統(tǒng)和部位，擔負著信號和能量的傳輸。其連接的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全可靠運行。

載人航天器中為提供宇航員適宜的工作和生活環(huán)境，對濕度有一定的要求。但是，當相對濕度偏高時，艙內(nèi)空氣在低溫區(qū)域附近容易達到露點溫度，導致水蒸氣冷凝成液態(tài)水，產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。在921一期載人飛行任務(wù)中，航天員在密封艙內(nèi)分布在艙壁低溫區(qū)的電纜電連接器表面觀察到明顯的結(jié)露現(xiàn)象。若電連接器無防結(jié)露性能，會由于表面結(jié)露而引起絕緣性能降低或失效，從而影響整船系統(tǒng)工作的可靠性。因此，對載人航天器用電連接器耐結(jié)露性能進行研究十分必要。

本文選取國產(chǎn)兩款矩形電連接器的典型規(guī)格，進行耐結(jié)露試驗研究，分析試驗時間與絕緣電阻的變化關(guān)系;并基于現(xiàn)有試驗條件，通過函數(shù)預計10年后連接器絕緣電阻變化情況。

2 結(jié)露產(chǎn)生的原理和成因

一般情況下，空氣是由干空氣和水蒸氣組合成的混合氣體。在一定溫度下，空氣包含的水蒸氣有一個最大限量，當空氣中水蒸氣的含量達到最大值時，稱為飽和空氣。衡量空氣中水蒸氣含量多少的濕度概念包括空氣絕對濕度、含濕量、相對濕度和露點溫度。

1)空氣的絕對濕度:在單位體積空氣中含有的水蒸氣質(zhì)量。

2)含濕量:1kg干空氣中有多少水蒸氣，直接反映濕空氣中水蒸氣量的增減。

3)空氣的相對濕度:指的是空氣的絕對濕度與同溫度下飽和絕對濕度的比值，常以百分數(shù)表示，直接反映一定溫度下空氣接近飽和的程度。當相對濕度為0時，空氣為干空氣，相對濕度為100%時，空氣為飽和空氣。相對濕度越大空氣越濕潤。

4)露點溫度:在空氣含濕量不變的情況下，降低空氣的溫度，其飽和絕對濕度變小，故相對濕度增加。當氣溫降低到某一溫度時，其相對濕度增至100%，空氣達到飽和狀態(tài)，此溫度稱為露點溫度。

當空氣溫度低于露點溫度時，就會發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。空氣的含濕量越大，它達到飽和狀態(tài)時溫度降低幅度就愈小，即它的露點溫度就愈高;反之，含濕量愈小，它的露點溫度也愈低［1］。

載人航天器相繼經(jīng)過陰影區(qū)和光照區(qū)，密封艙內(nèi)的空氣溫度隨之變化。在風機造成強迫對流不大的情況下，長時間外熱流較小的地方附近容易形成較大的溫度梯度，可能會出現(xiàn)空氣主體溫度較高，而低溫區(qū)域空氣降溫成為飽和濕空氣，艙內(nèi)設(shè)備尤其艙壁低溫區(qū)電連接器溫度低于冷凝除濕的回路溫度，空氣在低溫設(shè)備表面附近達到露點，空氣中的水蒸氣冷凝在低溫設(shè)備表面，形成結(jié)露現(xiàn)象［2］。

3 試驗條件

3.1 試驗方法

根據(jù)一定溫度下濕度達到飽和而產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象的原理，在參考GJB1217第1002條潮濕方法基礎(chǔ)上，模擬載人運輸飛船密封艙內(nèi)環(huán)境條件:環(huán)境溫度為21±4℃，相對濕度大于70%。基于上述要求，確定結(jié)露試驗方法如下:

1)結(jié)露試驗箱內(nèi)部維持環(huán)境溫度在21±4℃，相對濕度為91% ±2%，結(jié)露試驗箱具備溫度、濕度測量工具;

2)將待測試電纜的插頭與插座插接后，放在結(jié)露試驗箱內(nèi)的冷板上，冷板溫度由液體冷源系統(tǒng)控制，冷板溫度控制在8℃ ～10℃范圍內(nèi)。電纜另一端接到結(jié)露試驗箱外;

3)用結(jié)露試驗箱維持艙內(nèi)濕度，降低冷板溫度，使電連接器保持表面結(jié)露狀態(tài)，并用濕度、溫度傳感器進行監(jiān)測。

4)試驗箱周圍環(huán)境溫度要求在18℃ ～28℃范圍內(nèi)，相對濕度不超過75%，防止有穿堂風和陽光射入。

5)為了考核連接器在長期工作狀態(tài)下的結(jié)露性能，試驗時間為2000h。

6)在此工況下連續(xù)進行試驗，試驗過程中，在240h、1000h、1500h和2000h按 GJB1217中3003方法測量絕緣電阻。

結(jié)露試驗連接示意圖和實物圖，如圖1和圖2所示。

圖1 結(jié)露試驗連接示意圖Fig.1 The diagram of the connection of condensation test

圖2 樣品在試驗箱中擺放實物圖Fig.2 The picture of connectors display in the test box

3.2 試驗樣品及處理

試驗樣品選取具有防結(jié)露設(shè)計的國產(chǎn)系列1和系列2兩款矩形連接器的典型代表品種。芯數(shù)覆蓋全型譜范圍。在試驗前，對樣品進行焊線、灌膠等工藝處理，試驗樣品及處理情況詳見表1。

表1 試驗樣品規(guī)格和處理情況統(tǒng)計表Table 1 The specification of connectors and treatment

4 試驗結(jié)果及分析

連接器2000h結(jié)露試驗中結(jié)露情況見圖3，試驗中和試驗后，測試絕緣電阻最小值結(jié)果統(tǒng)計見表2。

圖3 －1 試驗過程中結(jié)露情況Fig.3 －1 connectors＇condensation during test

圖3 －2 試驗過程中結(jié)露情況Fig.3 －2 The connectors＇condensation during test

表2 試驗后絕緣電阻最小值統(tǒng)計表Table 2 Connectors minimum insulation resistance after

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，對絕緣電阻值大于10MΩ樣品數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，絕緣電阻變化趨勢見圖4。

圖4 －1 系列1:9芯連接器1000h絕緣電阻隨時間變化趨勢Fig.4 －1 Degeneration current of X1 －size 9 concoctors after 1000h test

圖4 －2 系列1:9芯連接器2000h絕緣電阻隨時間變化趨勢Fig.4 －2 Degeneration current of X1 －size 9 concoctors after 2000h test

圖4 －3 系列2:74芯連接器1000h絕緣電阻隨時間變化趨勢Fig.4 －3 Degeneration current of X2 －size74 concoctors after 1000h test

圖4 －4 系列2:74芯連接器2000h絕緣電阻隨時間變化趨勢Fig.4 －4 Degeneration current of X2 －size 74 concoctors after 2000h test

由表2和圖4可知，隨試驗時間的增長，電連接器的絕緣電阻隨之下降;下降幅度隨時間逐漸變緩;在1000h后，絕緣電阻有個別增大現(xiàn)象;試驗后，絕緣電阻值均大于10MΩ，滿足目前型號要求。

5 耐結(jié)露壽命預計分析

通過試驗結(jié)果可知，2000h結(jié)露試驗后電連接器絕緣電阻值大于10MΩ，滿足目前載人航天器用電連接器要求。隨著載人空間站長壽命需求的提出，對電連接器結(jié)露性能提出更高要求，為預計連接器長壽命在軌可靠性，在已有結(jié)露試驗絕緣電阻測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進行分析和處理，外推試驗條件10年(87600h)后的絕緣電阻值。該分析是在已進行2000h試驗的基礎(chǔ)上，不考慮在軌載人環(huán)境時人為處理結(jié)露環(huán)境，可視為最惡劣情況。

通常，典型的退化趨勢擬合函數(shù)一般包括:線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)等。最小二乘法作為一種數(shù)學優(yōu)化方法，可通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。上述四種典型函數(shù)均可以線性化，且在結(jié)露試驗產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，通過最小二乘法進行線性回歸，可實現(xiàn)簡單準確地估計函數(shù)參數(shù)。所以，本文采用最小二乘法擬合退化曲線，并估計函數(shù)中的參數(shù)。

為了確定擬合函數(shù)，分別對每個電連接器的退化數(shù)據(jù)進行參數(shù)擬合，得到以上四種典型的函數(shù)表達式以及對應參數(shù)估計值，由于采用最小二乘法線性回歸，所以選用對應的判定系數(shù)R2評價擬合優(yōu)度。R2值在0到1之間，R2越接近1表示擬合優(yōu)度越好;反之，越接近0則表示擬合優(yōu)度越差。通過計算，冪函數(shù)、線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的R2值分別為 0.91、0.29、0.69 和 0.76。因此，本文選取選擇冪函數(shù)為最佳退化趨勢的數(shù)學描述模型。以系列1:9芯為例，冪函數(shù)擬合退化趨勢圖見圖5。

將2000h后絕緣電阻大于10MΩ的每個樣品參數(shù)代入擬合函數(shù)，得出試驗條件下絕緣電阻和時間退化函數(shù)關(guān)系，并計算R=f(87600)，結(jié)果見表3。

圖5 系列1:9芯連接器2000h絕緣電阻變化趨勢擬合圖Fig.5 Degeneration current fitting curves of X1 － size 9 concoctors after 2000h test

表3 10年后連接器絕緣電阻值預計表Table 3 The forecast insulation resistance after10 years

由表3可以看出，按照最惡劣情況進行壽命預計，系列1:9芯和系列2:38芯各1套樣品。預計10年后，絕緣電阻可大于10MΩ，預計的最小值均大于1MΩ。

6 結(jié)論

通過對系列1和系列2矩形電連接器2000h結(jié)露性能進行試驗研究，并對該系列連接器耐結(jié)露壽命進行預計分析，可以得出結(jié)論如下:

1)通過對矩形連接器插頭和插座灌膠后進行耐結(jié)露試驗，電連接器絕緣電阻隨結(jié)露時間的增長，明顯下降，但下降趨勢收斂，試驗結(jié)果滿足現(xiàn)有使用要求;

2)按照最惡劣情況進行10年結(jié)露壽命預計，部分試品指標滿足現(xiàn)有要求，預計的最小值大于1MΩ。

3)灌膠處理工藝對連接器耐結(jié)露性能有重要影響，建議關(guān)注以下幾個方面:

(1)灌膠材料的選擇和預處理方法，建議在灌膠前對膠進行抽真空預處理;

(2)灌膠時，根據(jù)連接器結(jié)構(gòu)特點，針對薄弱環(huán)節(jié)，確定灌膠方法、次數(shù)和灌膠高度;

(3)灌膠后固化時間和線束處理。

4)電連接器研制廠家針對產(chǎn)品特點進一步完善密封性設(shè)計，加強工藝過程一致性控制。

［1］ 何建鋒.小型矩形電連接器防結(jié)露性能的改進，機電元件，Vol.28.No.1，2008.

［2］ 金巖.載人航天器密封艙內(nèi)結(jié)露的原因及對策，航天器環(huán)境工程，Vol.30.No.2，2013.