海洋環(huán)境下載人航天器電子設(shè)備防護(hù)技術(shù)

于 峰，張福生，孟憲會(huì)

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

海洋環(huán)境下載人航天器電子設(shè)備防護(hù)技術(shù)

于 峰，張福生，孟憲會(huì)

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

海南文昌發(fā)射場高溫、高濕、高鹽霧的氣候條件以及由天津到海南長距離的海上運(yùn)輸給航天器電子設(shè)備的三防性能帶來了挑戰(zhàn)。文章首先對(duì)運(yùn)輸過程中高濕、鹽霧和霉菌對(duì)航天器電子設(shè)備的影響進(jìn)行了分析，然后對(duì)航天器電子設(shè)備的三防工藝及運(yùn)輸技術(shù)進(jìn)行了研究，并提出了具有普遍適用性的三防措施，能夠有效降低環(huán)境因素帶來的不利影響。

載人航天器；電子設(shè)備；海上運(yùn)輸；三防工藝；防護(hù)技術(shù)

0 引言

海南文昌發(fā)射基地是我國載人航天器主要的發(fā)射場地，位于熱帶沿海地區(qū)，具有高溫、高濕、高鹽霧的氣候特點(diǎn)，同時(shí)由天津到文昌長距離海上運(yùn)輸也要經(jīng)歷溫濕度的劇烈變化，惡劣的海洋氣候環(huán)境直接影響航天器電子設(shè)備的功能、性能。為解決電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性的問題，本文從高濕、鹽霧和霉菌對(duì)電子設(shè)備影響的分析出發(fā)，對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段的選型、涂覆、防護(hù)等工藝進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)運(yùn)輸過程中降低外部環(huán)境影響的方法進(jìn)行研究，提出覆蓋電子設(shè)備設(shè)計(jì)、運(yùn)輸、使用階段的綜合防護(hù)技術(shù)，為提高電子設(shè)備的“三防”性能提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 問題分析

載人航天器運(yùn)輸需途經(jīng)天津、山東、江蘇、浙江、福建、廣東、海南等東南沿海地區(qū)，溫度高，濕度大，鹽霧濃度高，日照時(shí)間長，太陽輻射強(qiáng)烈，受海浪海風(fēng)影響較大。全年平均溫度大約為 20～35 ℃，年相對(duì)濕度平均值為70%～99%，一年四季都能滿足霉菌的生長條件[1]。離海岸7 km地區(qū)的含鹽量在0.3 mg/m3左右，離海岸2 km地區(qū)的含鹽量能達(dá)到0.7 mg/m3以上[2]。

高濕、鹽霧、霉菌對(duì)設(shè)備的影響是化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕以及生物腐蝕同時(shí)作用的結(jié)果，其腐蝕面廣，腐蝕速率快，無論是電子器件、線路、結(jié)構(gòu)部件還是電纜均面臨巨大的環(huán)境考驗(yàn)[3]。

1）高濕

當(dāng)空氣中的相對(duì)濕度超過65%時(shí)，物體表面會(huì)附著一層厚度約為0.001～0.01 μm的水膜，這時(shí)零部件材料表面絕緣狀況將明顯惡化，電阻率顯著減小，出現(xiàn)漏電和電弧[4]。

水膜會(huì)溶解大氣中氣體形成電解液，使得異種金屬之間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，氧化腐蝕金屬材料。

水不僅能吸附在材料表面，還能滲入材料內(nèi)部。材料吸濕后，從一般純介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楹肿拥慕橘|(zhì)，造成零部件材料整體性能惡化，例如電絕緣強(qiáng)度降低，介電常數(shù)增大等[5]。

高濕能使包括繼電器、電磁鐵、變壓器、電機(jī)等電磁性器件線圈產(chǎn)生的磁拉力減小，以致其不能正常工作[6]。

2）鹽霧

鹽霧的組成類似于海水，含有大量的氯離子。其易被吸附在金屬表面形成液膜。氯離子容易穿透金屬表面的氧化層進(jìn)入金屬內(nèi)部，排擠并取代氧化層中的氧而在吸附點(diǎn)上形成可溶的氯化物，從而破壞金屬鈍性，加速金屬腐蝕。

此外，鹽霧中溶解有比同體積的海水多得多的氧。氧能引起金屬表面陰極去極化，從而阻止由于腐蝕物的產(chǎn)生而使腐蝕速度下降的趨勢，促使陽極腐蝕能繼續(xù)進(jìn)行下去[7]。

鹽霧導(dǎo)致的電化學(xué)反應(yīng)能迅速腐蝕金屬器件，因此對(duì)電氣或電子系統(tǒng)、金屬結(jié)構(gòu)部件及電纜接插件等都是巨大的威脅。

3）霉菌

霉菌最適宜的生長溫度為20～35 ℃，在相對(duì)濕度為70%開始生長，電子設(shè)備材料均能作為其營養(yǎng)物質(zhì)[8]。

霉菌將非抗霉材料分解作為自己的養(yǎng)分，造成對(duì)設(shè)備材料的直接侵蝕；且其分泌物或代謝產(chǎn)物對(duì)包括抗霉材料在內(nèi)的所有材料造成間接侵蝕。霉菌直接侵蝕的對(duì)象是非金屬材料，而間接侵蝕對(duì)象是包含金屬材料在內(nèi)的所有材料[9]。

2 電子設(shè)備三防技術(shù)

為增強(qiáng)航天器電子設(shè)備的三防性能，提高航天器電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力，在載人航天器電子設(shè)備的設(shè)計(jì)及運(yùn)輸過程中均需重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備的三防要求。

電子設(shè)備在研制過程中的選型、涂覆、防護(hù)等工藝是影響電子設(shè)備自身三防性能的關(guān)鍵因素。同時(shí)，電子設(shè)備運(yùn)輸使用過程中，減少外部環(huán)境的接觸也是降低電子設(shè)備受環(huán)境影響的有效手段。

因此，下文從電子設(shè)備三防工藝及三防運(yùn)輸技術(shù)兩個(gè)方面出發(fā)，提出針對(duì)性措施。

2.1 電子設(shè)備三防工藝

航天器電子設(shè)備內(nèi)部主要包括以下幾類部件：

1）結(jié)構(gòu)部件，主要指機(jī)箱、機(jī)柜等機(jī)械結(jié)構(gòu)部件；

2）電路板，包括電子設(shè)備內(nèi)部電路板、電連接器、電子器件等電性能部件；

3）電纜，包括設(shè)備內(nèi)部電連接器和線纜。對(duì)電子設(shè)備內(nèi)不同類型的零部件或元器件，須設(shè)計(jì)不同的防護(hù)工藝。

2.1.1 結(jié)構(gòu)部件防護(hù)設(shè)計(jì)

1）選用“三防”性能良好的材料，例如不銹鋼、防銹鋁合金、鈦合金鋼、鑄鐵、鑄鋼。

2）選用環(huán)境耐受性良好的涂覆材料進(jìn)行完整、可靠的表面處理，以阻止腐蝕、老化，可采用涂油漆或者鍍金屬的方法。

若采用涂油漆的方法，可使用常規(guī)噴漆工藝，可選油漆及其性能特點(diǎn)如下：

① 氨基漆。國內(nèi)電子設(shè)備應(yīng)用最多的漆種，但耐水性差，雨淋或者潮濕浸水后易起泡、易粉化。

② 聚氨酯漆。在軍用電子設(shè)備中做三防漆使用，戶外耐候性不夠理想，如聚氨酯白磁漆，在海南加積地區(qū)戶外暴曬3個(gè)月后表面發(fā)黃、失光、密布裂紋。

③ 丙烯酸漆。國際上公認(rèn)具有優(yōu)異“三防”性能的漆種，保光、包色、耐粉化性好，在海南加積地區(qū)一般要戶外暴曬10年以后才會(huì)出現(xiàn)輕微粉化。

④ 環(huán)氧漆。黏結(jié)強(qiáng)度好，多用于底漆，但抗粉化性能差，一旦面漆被破壞，會(huì)很快粉化，性能喪失。

若采用鍍金屬層的方法，可使用常規(guī)電鍍工藝，可選鍍金屬及其性能特點(diǎn)如下：

① 鋅。在海南加積地區(qū)潮濕而有鹽霧的空氣環(huán)境中，容易產(chǎn)生粉白點(diǎn)腐蝕，30 μm鍍鋅層在海洋大氣環(huán)境中壽命為8年，主金屬不腐蝕。

② 鎘。較耐大氣冷凝物的煙霧侵蝕，不易出現(xiàn)粉白點(diǎn)，能較長時(shí)間保持金屬光澤，12 μm鍍鎘層在海南加積地區(qū)戶外暴曬9年不發(fā)生銹蝕。

③ 鎳、鉻。裝飾性好，但耐候性不好，容易銹蝕，在海南加積地區(qū)戶外只兩三個(gè)月就會(huì)面目全非。

綜合分析，航天器電子設(shè)備結(jié)構(gòu)外部可以選擇“三防”性能優(yōu)異、持續(xù)時(shí)間最長的丙烯酸漆；鍍金屬可以選擇“三防”性能優(yōu)異、持續(xù)時(shí)間最長的鎘。

3）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

航天器電子設(shè)備合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效降低惡劣環(huán)境帶來的影響[10]。

① 表面形狀力求簡單，避免出現(xiàn)過深的凹陷和棱角，連接處過渡圓滑；

② 易腐蝕的部位，特別是關(guān)鍵零部件應(yīng)保有維修保養(yǎng)和檢查通道；

③ 選擇接觸材料時(shí)盡量避免異種金屬和合金相互接觸，不可避免時(shí)應(yīng)選取在電偶序中位于同組或者位置較近的金屬或合金；

④ 在設(shè)備結(jié)構(gòu)方面，陰陽極面積應(yīng)保持適當(dāng)比例，切忌形成大陰極、小陽極的不利面積比。

2.1.2 電路板防護(hù)設(shè)計(jì)

1）選用具備“三防”性能的電連接器。若無，也可選用防潮電連接器，隔絕與外部環(huán)境的接觸，同樣能達(dá)到“三防”的目的。

2）對(duì)于無“三防”能力器件，包括繼電器、PCB本身，則采用涂覆三防漆的工藝。常用涂覆材料及其性能如下[11]：

① 丙烯酸樹脂（AR）。具有良好的電性能和優(yōu)良的附著力，工藝性良好，以單組分居多，操作方便，涂層美觀。

② 改性環(huán)氧樹脂（ER）。具有良好電性能和優(yōu)良的附著力，工藝性良好，但硬度較大。

③ 有機(jī)硅樹脂（SR）。電性能優(yōu)良，介質(zhì)損耗和介電常數(shù)比其他類涂料低，防潮濕性好，適用于高頻電路板的涂覆，亦適用于高溫下工作電路板的涂覆。

④ 聚氨酯樹脂（UR）。耐濕熱和耐鹽霧腐蝕性能優(yōu)越，涂層的漆膜光滑、豐滿、堅(jiān)硬、附著力強(qiáng)，耐水、防潮、防霉、耐磨、防化學(xué)腐蝕等性能優(yōu)越[12]。

⑤ 聚對(duì)二甲苯（XY）。防潮、防霉、耐磨、防化學(xué)腐蝕、耐濕熱、耐鹽霧等性能均非常好。

綜合分析，選用XY可保證電子設(shè)備板具有優(yōu)良的防潮、防結(jié)露、防鹽霧的性能。

3）涂覆工藝的選擇

涂覆工藝手段主要包括浸漬、刷涂、手工噴涂和選擇性涂覆[13]，其工藝特點(diǎn)如表1所示。

綜合分析，選擇一致性較高、邊沿精度高的選擇性涂覆，有助于提高涂覆質(zhì)量和效率。

2.1.3 電纜防護(hù)設(shè)計(jì)

1）選用“三防”性能良好的電連接器。若無“三防”電連接器，可選用防潮電連接器，降低與外部環(huán)境的接觸，同樣能達(dá)到“三防”的目的。

2）對(duì)電連接器與線纜的焊點(diǎn)采用灌封工藝進(jìn)行密封。線纜本身有絕緣外皮保護(hù)，只要將電連接器和線纜的焊點(diǎn)進(jìn)行密封，就能有效降低潮濕空氣的接觸，達(dá)到“三防”目的。

2.2 航天器三防運(yùn)輸技術(shù)

2.2.1 專用包裝箱

航天器由天津運(yùn)輸至海南文昌發(fā)射場過程中，狀態(tài)為艙段總裝狀態(tài)，置于專用的包裝箱內(nèi)[15]。為提高專用包裝箱的三防效果，在傳統(tǒng)的航天器包裝箱的基礎(chǔ)上，在密封和監(jiān)測手段2個(gè)方面進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)。

1）航天器傳統(tǒng)專用包裝箱密封在保證潔凈度方面主要關(guān)注外部灰塵的進(jìn)入。海運(yùn)包裝箱應(yīng)進(jìn)一步提高包裝箱的密封性能，以阻隔更小顆粒的鹽霧、濕氣；同時(shí)，包裝箱內(nèi)可以充填潔凈、干燥氣體，保持正壓狀態(tài)，進(jìn)一步阻止外部空氣的進(jìn)入。

2）保證對(duì)箱體內(nèi)部空氣濕度、鹽霧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，一方面實(shí)時(shí)掌握航天器所處環(huán)境情況，另一方面也為運(yùn)輸影響的量化提供數(shù)據(jù)支持。

2.2.2 集裝箱防護(hù)

載人航天器運(yùn)輸過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注集裝箱的密封、防潮、隔熱等需求[16]。雖然標(biāo)準(zhǔn)集裝箱本身的設(shè)計(jì)可以滿足風(fēng)雨密閉性要求，但因箱內(nèi)溫度變化劇烈，且有集裝箱雨的存在，仍有必要對(duì)集裝箱進(jìn)行防潮隔熱措施，解決辦法是采用密封條、干燥劑、加阻隔板等。

1）密封條

為了減少集裝箱外部濕氣及風(fēng)雨等的侵襲造成的內(nèi)部設(shè)備受潮，一般集裝箱在接縫處及門框處使用集裝箱密封條。按其功能可分為風(fēng)雨密封條（普通貨物集裝箱用）和氣密膠條（保溫集裝箱用）2類，使用環(huán)境溫度為-45～80 ℃，通常采用PVC材質(zhì)生產(chǎn)，正常條件下使用壽命不少于5年，且耐候性極佳。氣密膠條能夠最大限度地降低與外界空氣的交換，在源頭上降低潮濕空氣的進(jìn)入。

2）干燥劑

集裝箱干燥劑又叫強(qiáng)力干燥劑、生化干燥劑，主要用于吸附海運(yùn)集裝箱的集裝箱雨。目前干燥劑的原料主要有氯化鈣、硅膠、蒙脫石、生石灰等，其中氯化鈣吸附能力強(qiáng)且持久、安全性能高，是航天器集裝箱干燥劑的首選材料，其單位吸附能力為：在相對(duì)濕度為20%時(shí)，吸附量（吸收水分的質(zhì)量比原有干燥劑的質(zhì)量）≥60%；相對(duì)濕度為40%時(shí)，吸附量≥100%；相對(duì)濕度為 90%時(shí)，吸附量≥200%。

3）阻隔板

在干燥劑不能完全吸附集裝箱雨時(shí)，可以使用阻隔板從源頭上控制集裝箱雨的產(chǎn)生。選用防潮紙與防潮襯墊復(fù)合阻隔板，在運(yùn)輸過程中能減緩?fù)獠窟^高或過低的溫度通過集裝箱壁傳導(dǎo)，從而有效避免箱內(nèi)溫差急劇變化，減緩集裝箱雨的產(chǎn)生。

3 “三防”技術(shù)應(yīng)用效果

以海南發(fā)射場XX-1型號(hào)為例，對(duì)三防技術(shù)應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

XX-1作為連續(xù)發(fā)射型號(hào)，需對(duì)其典型電子設(shè)備內(nèi)電路板、場區(qū)留存電纜、結(jié)構(gòu)部件、運(yùn)輸工裝等進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，以獲得“三防”技術(shù)效果，為后續(xù)型號(hào)工藝改進(jìn)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。具體試驗(yàn)結(jié)果如表 2所示。

表2 “三防”技術(shù)在某型號(hào)上的應(yīng)用效果Table 2 The effect of protection technology applied for XX-1 spacecraft

以電纜轉(zhuǎn)接箱為例，置于無環(huán)境控制的海南文昌發(fā)射基地廠房36個(gè)月。廠房內(nèi)未采取防護(hù)措施的電纜受腐蝕嚴(yán)重，采取了密封、干燥措施的電纜轉(zhuǎn)接箱內(nèi)部電纜狀況良好，無腐蝕、發(fā)霉等現(xiàn)象，防護(hù)措施有效。

綜合分析各類“三防”技術(shù)及運(yùn)輸技術(shù)防護(hù)效果，針對(duì)各類電子部件的防護(hù)工藝實(shí)際效果良好，能很好地對(duì)抗惡劣環(huán)境的影響，保證電子設(shè)備的性能。

4 結(jié)束語及建議

本文根據(jù)載人航天器電子設(shè)備的特殊運(yùn)輸環(huán)境，分析了高濕、鹽霧和霉菌對(duì)設(shè)備的影響，并從電子設(shè)備三防工藝及三防運(yùn)輸技術(shù) 2個(gè)方面提出并實(shí)施有效措施，提高了電子設(shè)備的三防性能，經(jīng)實(shí)際分析效果良好，保證了航天器電子設(shè)備發(fā)射場運(yùn)輸及使用期間的可靠性。

隨著國防工業(yè)基礎(chǔ)實(shí)力的提升，各類新型材料、涂覆工藝的防護(hù)性能越來越高，在此，提出以下幾點(diǎn)建議，旨在持續(xù)提高航天器電子設(shè)備的三防性能：

1）關(guān)注導(dǎo)彈、火箭等國防領(lǐng)域新型材料的應(yīng)用，積極選用高密度、惰性材料，降低電解腐蝕；

2）提高設(shè)備加工精度，能夠減少表面液膜形成量，還能改善涂覆層均勻度，改進(jìn)防護(hù)性能；

3）完善運(yùn)輸過程中的監(jiān)測手段，提高對(duì)霉菌、顆粒物的分析能力。

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（編輯：馮露漪）

Protection technology for electronic equipment used on manned spacecraft in coastal areas

YU Feng, ZHANG Fusheng, MENG Xianhui
(Institute of Manned Spacecraft System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

In the Wenchang launching site located in Hainan province, the high humidity, high salt fog conditions, mould, and long distance transportation from Tianjin to Hainan pose challenges to the protection of the electronic equipment used in manned spacecraft. This paper firstly analyzes the influence of damp heat, salt fog and mould on the electronic equipment, and then proposes universal measures of the protection to reduce the adverse effects of environmental factors effectively.

manned spacecraft; electronic equipment; marine transportation; three-proofing technique;protection technology

V551.5;TB304;TN60

：A

：1673-1379(2017)03-0330-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.03.018

于 峰（1984—），男，碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)檩d人航天器綜合測試及測試系統(tǒng)開發(fā)。E-mail：yufishers@163.com。

2017-01-15；

2017-05-31

國家重大科技專項(xiàng)工程

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