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)
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。
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]。
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
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
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。
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。
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.