溫度循環(huán)條件下某光電艙結霧現(xiàn)象分析

劉 志，羅吉，任國華，衛(wèi)麗君

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溫度循環(huán)條件下某光電艙結霧現(xiàn)象分析

劉 志1，羅吉1，任國華2，衛(wèi)麗君1

（1. 北京華航無線電測量研究所，北京100013；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

溫度循環(huán)篩選是提高產(chǎn)品可靠性的重要手段之一，而光電試驗艙內(nèi)溫度循環(huán)引發(fā)的呼吸作用可能是導致光電產(chǎn)品結霧的原因。文章詳細分析了某光電艙溫度循環(huán)時低溫結霧的現(xiàn)象，通過理論計算和相關試驗，表明器件內(nèi)部水汽含量過大是此現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因，而密封結構的呼吸作用影響較小。根據(jù)以上結果，提出了相關解決措施。

光電試驗艙；密封結構；溫度循環(huán)；水汽含量；呼吸作用；結霧；漏率

0 引言

產(chǎn)品結構設計中，為避免或減小外部環(huán)境對內(nèi)部系統(tǒng)的影響，通常會設計密封結構。密封結構使內(nèi)部與外界環(huán)境隔離，既能保護內(nèi)部材料表面和內(nèi)部安放的器件不受腐蝕，又可減輕結構件重量、節(jié)省材料。O型圈密封屬于比較常用的密封形式，合適的密封設計能達到很高的接合面壓力，一般可滿足防水和氣密要求。而工程實際中，一些密封結構長時間放置或經(jīng)歷外界往復的溫度、氣壓變化，內(nèi)部會出現(xiàn)結霧，嚴重的出現(xiàn)積水，造成腐蝕。一般認為此現(xiàn)象為密封結構的呼吸作用導致，是受環(huán)境大氣溫度變化影響的必然結果[1]。在呼吸作用下密封結構內(nèi)空氣含濕量越來越大，當相對濕度偏高時，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)生結霧現(xiàn)象[2]。呼吸作用的進行是一個非常緩慢的過程，在短期內(nèi)可能不會影響器件的工作性能[3]。

某光電艙研制過程中發(fā)現(xiàn)，在溫度循環(huán)由高溫降至低溫階段時，光電艙鏡片內(nèi)壁出現(xiàn)結霧現(xiàn)象。為查明是否為光電艙密封性能設計不足，發(fā)生較嚴重的呼吸作用所致，進行了理論計算和試驗分析。

1 結霧現(xiàn)象

某光電艙結構如圖1所示，在研制中按要求需要進行6個溫度循環(huán)篩選，條件為：高溫60℃，保持2h；低溫-40℃，保持2h，溫變速率15℃/min。篩選進行時發(fā)現(xiàn)溫度循環(huán)試驗箱由高溫60 ℃降溫至-40℃過程中，光電艙鏡片的內(nèi)壁從某個循環(huán)開始有水霧凝結，低溫保持階段水霧消失。該現(xiàn)象通常不會在剛開始的幾個溫度循環(huán)中出現(xiàn)，而是進行到某個循環(huán)階段后才出現(xiàn)；一旦出現(xiàn)，后續(xù)溫度循環(huán)中由高溫降至低溫階段水霧會重復出現(xiàn)。

A. 光學探測器；B. 光學鏡頭；C. 密封結構；1,2,3. O型密封圈。

-40 ℃時可見光光路結霧，會對光學成像造成一定影響。為提高產(chǎn)品可靠性，降低產(chǎn)品使用風險，有必要對此現(xiàn)象進行分析，以制定合理的解決措施。

2 光電艙性能要求及氣密性指標

光電艙在正常大氣壓下使用，研制任務書要求產(chǎn)品氣密，但無量化的漏率指標；例行試驗要求產(chǎn)品工作的最惡劣工況為-40℃。氣密性檢查時參考同類光電產(chǎn)品的指標，要求在常溫時進行打壓檢驗，即產(chǎn)品內(nèi)部加壓至130kPa（內(nèi)外壓差30kPa，產(chǎn)品由25℃降溫至-40℃，內(nèi)部氣壓下降21.8kPa），保壓3h壓降≤5%；同時考慮到光學系統(tǒng)的特點，要求產(chǎn)品在6個溫度循環(huán)過程中無結霧現(xiàn)象。

圖1中，光電艙由外部密封結構（C）和內(nèi)部光學器件（A、B）組成。密封結構（C）的構件通過螺釘進行連接，由硅橡膠O型密封圈（1,2,3）進行密封，鏡片通過硅橡膠粘接在構件上，組成密封結構的一部分。光學探測器（A）與光學鏡頭（B）一起安裝在光電艙內(nèi)部。光電艙內(nèi)部空間可分為3部分：光學探測器A內(nèi)部空間Ⅰ，光學鏡頭B內(nèi)部空間Ⅱ，以及光電艙內(nèi)除Ⅰ和Ⅱ外的空間Ⅲ，實際內(nèi)部空間（Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ）總和為=6×105mm3。按工藝流程，光電艙在進行溫度循環(huán)篩選試驗前進行了氣密性檢查，向其內(nèi)部沖入高純氮氣，加壓至130kPa，保壓3h后讀取壓力表數(shù)值，發(fā)現(xiàn)氣壓未下降，故按評判標準認為光電艙的氣密性達到設計指標。氣密性檢查通過后，向光電艙內(nèi)部充入高純氮氣，氣壓為1atm。

3 結霧現(xiàn)象分析

一定壓力下的不飽和水汽，在溫度降低時，會逐漸變得飽和而使部分水汽凝結為露（霜）。此時，水從氣相變?yōu)橐合?，對應的溫度稱為露點，水分含量亦稱為飽和水汽密度（絕對濕度）。在一定壓力下，露點與飽和水汽密度是一一對應的，因此空氣中水汽含量也可以用露點表示，標準[4]中已有準確測量值可供理論計算時參考（見表1）。在降溫過程中，光電艙光學鏡片內(nèi)壁有霧氣出現(xiàn)，表明艙內(nèi)密封空間中的水汽密度達到了該溫度下的飽和水汽密度，而根據(jù)光電艙的結構特征，溫箱降溫過程中，鏡片處的溫度較低，霧氣便凝結在鏡片內(nèi)壁。

表1 溫度與飽和水汽密度

根據(jù)溫度循環(huán)結霧現(xiàn)象分析：當溫度下降至-40℃時，光電艙內(nèi)部有霧氣（霜）凝出，說明此時空間Ⅲ內(nèi)的水汽密度應不低于該溫度下飽和水汽密度（0.102g/m3）。而溫度循環(huán)前已向光電艙內(nèi)充入高純氮氣，實際測試該氮氣露點為-71℃，且在起初幾個溫度循環(huán)中并未觀察到結霧現(xiàn)象，說明期間空間Ⅲ內(nèi)的水汽密度低于該溫度下飽和水汽密度，也就是說執(zhí)行氮氣充入工藝時未引入水汽。但隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，空間Ⅲ內(nèi)的水汽密度逐漸升高，到觀察到結霧現(xiàn)象時，已超過該溫度下飽和水汽密度。

4 氦質譜檢漏及漏率評定

為進一步評估光電艙密封性能，抽取同批次、同狀態(tài)2套氣密性合格的光電艙作為試件，委托某研究所對光電艙進行檢漏，根據(jù)對航天產(chǎn)品常用泄漏檢測方法的分類及介紹[5]，結合產(chǎn)品使用工況，選擇氦質譜檢測方法來定量測量系統(tǒng)漏率。設計了常溫負壓工況、高溫工況、低溫負壓工況的系統(tǒng)漏率測量試驗。實際測量時選取了不同工況，以全面評估密封結構的密封性能，檢測結果見表2。

表2 光電艙漏率檢測結果

光電艙沒有量化的漏率指標，需參考同類型產(chǎn)品漏率指標以及產(chǎn)品實際使用情況綜合評價其密封性能。盛放介質毒性程度為極度危害的容器，對氣密性要求嚴格，一般允許的泄漏率為不大于1×106Pa·m3·s-1[6]。大型空間環(huán)境模擬器中用到的熱沉，其密封性能直接影響到模擬器所模擬的冷、黑真空環(huán)境的指標，其漏率也要求較高，實際使用中對每一級熱沉進行漏率測試，保證熱沉整體最大允許漏氣率＜1.33×10-6Pa·m3·s-1[7]。載人航天器密封系統(tǒng)設計中，要求密封艙體結構單位長度焊縫漏率＜2.0×10-7Pa·m3·s-1·m-1[8]。從表2給出的漏率檢測結果看，光電艙密封結構的實測漏率也基本達到了10-7量級，實際工作時內(nèi)外壓差不超過21.8kPa，工況良好，因此，可認為光電艙密封性能滿足使用要求。

5 水汽來源分析

5.1 外部引入水量分析

由理想氣體狀態(tài)方程=可知，密封腔體內(nèi)氣體壓力因溫度變化而變化。式中：為氣體壓力，Pa；為氣體體積，m3；為氣體的物質的量，mol；為氣體摩爾常數(shù)，8.3143J/(K·mol)；為氣體熱力學溫度，K。當密封結構內(nèi)氣體溫度發(fā)生變化時，氣壓也隨著變化，其變化量為

Δ=Δ/。 (1)

若結構密封性能不足，溫度循環(huán)的高溫階段，艙內(nèi)溫度升高，艙內(nèi)氣體就會自內(nèi)向外流出；溫度循環(huán)的低溫階段，艙內(nèi)溫度降低，氣體就會自外向內(nèi)流入。由于不可能做到絕對的氣密，光電艙肯定存在一定的泄漏率，即艙內(nèi)溫度變化時會有呼吸作用。

如系統(tǒng)結構密封性能不足、固有漏率過大，在溫度循環(huán)時的呼吸作用下，溫箱內(nèi)水汽進入艙內(nèi)，也可導致光電艙鏡片出現(xiàn)結霧現(xiàn)象。為評估該密封結構經(jīng)溫度循環(huán)后會否引入水汽及引入水汽的量，下面進行理論分析和試驗驗證。

5.1.1 理論分析

目前，光電艙在嚴格控制濕度的25℃條件下進行裝配，內(nèi)部氣壓為1atm，即101kPa；可利用式(1)計算出溫度循環(huán)高低溫狀態(tài)下艙內(nèi)氣壓1的變化：60℃溫度穩(wěn)定時，1=101+11.7=112.7kPa；-40℃溫度穩(wěn)定時，1=101?21.8=79.2kPa。即，單個溫度循環(huán)時，氣體既有流入也有流出。

一定空間內(nèi)空氣水汽含量為

=， (2)

式中：為相對濕度，%；為飽和水汽密度，g/m3。

假設：1）充入氮氣后，空間Ⅲ內(nèi)水汽密度為露點-70℃；2）對光電艙進行72個溫度循環(huán)試驗，試驗結束后，空間Ⅲ內(nèi)水汽密度為露點-40℃；3）各個循環(huán)進入的水汽量相等，為0，則有

0=(-40?-70)3/。 (3)

式中：-40和-70分別為-40和-70℃時的飽和水汽含量，g/m3；3為空間Ⅲ的體積，mm3；為溫度循環(huán)次數(shù)。計算得0=8.3×10-7g=0.83μg。

光電艙的溫度循環(huán)條件為60℃高溫2h，-40℃低溫2h，單個循環(huán)進入的水汽量為1；若在-40℃低溫下保持4h，單個循環(huán)進入的水汽量為2，則1＜2。常溫負壓氦質譜檢漏測定光電艙的漏率為=7.4×10-7Pa·m3/s，可判定該漏率下氣體分子沿漏孔的流動狀態(tài)為分子流[9]。25℃條件下，內(nèi)部真空度低于5Pa，外部氣壓1×105Pa，則

(21)。 (4)

式中：為測定漏率，為流導，2為外部氣壓，1為光電艙內(nèi)部氣壓；可計算出漏孔的流導≈7.4×10-12m3/s，假設漏孔可等效為一圓截面長管，其流導與漏孔的模型可簡化為[9]

式中：f為分子流時圓截面長管流導，m3/s；為管道直徑，m；為管道長度，m；為氣體摩爾質量，kg/mol；為氣體溫度，K。

可以推測出-40℃時，漏孔對水分子的流導為H2O, -40=3.08×10-12m3/s，據(jù)此計算光電艙在-40℃時對水的漏率

H2O, -40=H2O, -40·Δ。 (6)

此時光電艙內(nèi)外壓差為Δ=1.97×104Pa，水的飽和蒸汽壓為，空氣濕度為，則環(huán)境大氣進入光電艙內(nèi)部的水汽含量-40為

式中，為-40℃時環(huán)境試驗箱的大氣壓力，為1個標準大氣壓。

光電艙在-40℃環(huán)境下保持4h，則進入密封結構內(nèi)部的水汽含量可由

==-40。 (8)

計算得到，進入水汽的物質的量=5.78×10-18mol，其質量2=1.004×10-16g，2遠小于0，說明單個溫度循環(huán)進入的水汽含量不足以構成光電艙內(nèi)壁結霧的水汽來源。

5.1.2 試驗驗證

選取出現(xiàn)結霧現(xiàn)象的光電艙樣品1套進行摸底試驗。試驗前拆除內(nèi)部光學元件，僅組裝密封結構，組裝后，該密封結構通過了氣密性檢查驗證，然后內(nèi)部充入高純氮氣，將密封結構內(nèi)原空氣置換出，按溫度循環(huán)條件進行摸底試驗。首個循環(huán)未觀察到結霧現(xiàn)象，證明氮氣置換充分有效；繼續(xù)溫度循環(huán)試驗至第72個循環(huán)，仍未觀察到光電艙光學鏡片上有霧氣出現(xiàn)，說明內(nèi)部絕對水汽含量仍未富集至露點（-40℃），證明此溫度循環(huán)條件下，單個循環(huán)引入水汽量遠小于0.83μg。表明該密封結構氣密性能滿足工程使用要求，呼吸作用不是光電艙結霧的主要原因。

5.2 內(nèi)部固有水汽含量分析

-40℃時飽和水汽密度-40=0.102g/m3，則光電艙在-40℃時的臨界水汽含量為=-40·=6×10-5g=60μg，即光電艙在-40℃結霧的必要條件為內(nèi)部水汽含量超過60μg。下面對圖1所示的光電艙內(nèi)部3個空間的水汽含量逐一進行計算。

1）空間Ⅰ水汽含量

光電器件裝配車間有嚴格的溫濕度控制，裝配作業(yè)時濕度維持在25%，室溫維持在25℃，此時飽和水汽密度25=25.1g/m3，光學探測器內(nèi)部結構如圖2所示，內(nèi)部（空間I）的體積為A，A=5.0×104mm3；組件內(nèi)水汽含量為A=25%×25×A=3.1×10-4g=310μg，A≈5。

圖2 光學探測器A內(nèi)部結構示意

2）空間Ⅱ水汽含量

如圖3，空間Ⅱ為光學鏡頭（B）內(nèi)部空間，由鏡片區(qū)和遮光筒組成；鏡片區(qū)內(nèi)由6個光學鏡片組成，鏡片通過止檔卡在結構上，無密封措施，鏡片區(qū)內(nèi)空間體積為1；遮光筒對外敞開，體積為2。

圖3 光學鏡頭B外形示意圖

可計算出1=1.2×103mm3，2=1.45×104mm3；現(xiàn)有充氮工藝不易將鏡片區(qū)內(nèi)氣體排出，但1較小，僅為探測器內(nèi)空間體積（A）的2.4%，鏡片區(qū)內(nèi)水汽含量為V1=25%×25×1=7.44μg=0.124；遮光筒空間對外開放，充氮時水汽可排出，因此，可以認為光學鏡頭內(nèi)部空間的水汽含量B≈V1。

3）空間Ⅲ水汽含量

空間Ⅲ為密封結構C圍成的除探測器A和鏡頭B外的空間，其體積為3=5.343×105mm3，其水汽絕對含量為0=25%×25×3=3.352×10-3g（3352μg），是臨界水汽含量的55.8倍。

因此，如不進行氮氣置換工藝，溫度降至-40℃時，必然結霧。執(zhí)行氮氣置換工藝后，該處空間內(nèi)的水汽大部分可排出，但暫無法計算殘留量；若產(chǎn)品在氮氣置換后進行溫度循環(huán)，鏡片處不出現(xiàn)霧氣，說明氮氣置換后空間Ⅲ內(nèi)部的水汽含量C＜。

4）小結

在執(zhí)行氮氣置換工藝后，探測器A（空間Ⅰ）內(nèi)水汽含量A≈5，鏡頭B（空間Ⅱ）內(nèi)含水汽含量B≈0.124，空間Ⅲ內(nèi)部水汽含量C＜，故探測器A內(nèi)水汽是光電艙結霧的主要原因。

由于探測器A為獨立的半密封空間，常規(guī)氮氣置換方法短時間內(nèi)無法將空間Ⅰ內(nèi)的水汽完全置換，在長時間存儲或試驗過程中，空間Ⅰ內(nèi)的水汽將慢慢釋放，向空間Ⅲ內(nèi)富集，最終造成低溫結霧現(xiàn)象，與實際觀察到的試驗現(xiàn)象相符。

6 問題總結及解決措施

本文通過對光電艙結霧機理、結構密封性能及產(chǎn)品內(nèi)部結構的分析，并結合相關試驗，證明此次光電艙溫度循環(huán)結霧現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是光學探測器內(nèi)部固有水汽含量過大所致，密封結構的呼吸作用不是主要原因。

解決該問題可采取如下措施：

1）加強光電產(chǎn)品裝配環(huán)境控制，如提供純氮氣裝配作業(yè)環(huán)境等；

2）探測器等光學器件在純氮氣環(huán)境下裝配，降低其內(nèi)部水汽含量；

3）對探測器等光學器件進行全密封設計，避免空間Ⅰ內(nèi)殘留水汽外溢；

4）通過試驗等改進氮氣置換工藝，延長氮氣置換時間，最大限度降低空間Ⅲ內(nèi)殘留水汽含量。

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（編輯：閆德葵）

Analysis of fogging phenomenon in a sealed cabin under condition of temperature cycling

LIU Zhi1, LUO Ji1, REN Guohua2, WEI Lijun1

(1. Beijing Institute of Huahang Radio Measurement, Beijing 100013, China；2. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Temperature cycle screening is important to improve the product reliability, and the respiration is a main cause of fogging in optoelectronic products, thus the study of fog phenomenon in photoelectric products under the condition of temperature cycle is of significance for similar engineering problems. The low-temperature fogging during the temperature cycle of a sealed chamber is analyzed in detail in this paper. Theoretical calculation and the experiment show that the internal moisture content of the device is the main factor of fogging. The respiration of the chamber’s sealed structure has a relatively small effect. Technical improvements can be made based on this finding.

photoelectric test tank; sealed structure; temperature cycle; water content; respiration; fogging; leakage rate

V416.4; X830.7

A

1673-1379(2017)04-0376-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.006

劉志（1988—），男，碩士學位，主要研究領域為機械結構設計及結構優(yōu)化分析等。E-mail: liuzhi_1988@126.com。

2016-12-25；

2017-07-24