航天器用光纜可靠性及壽命驗證技術(shù)綜述

龐 博，劉守文，周月閣，葉田園

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2.航天機電產(chǎn)品環(huán)境與可靠性北京重點實驗室：北京 100094）

0 引言

隨著航天器星內(nèi)數(shù)據(jù)快速傳輸、處理并進行星間及星-地交換的要求不斷提高，對總線傳輸提出了更高要求。與傳統(tǒng)電纜總線相比，光纜通信具有傳輸量大、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，是航天器數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)闹匾l(fā)展方向。以我國空間站為例，預(yù)計光纜的總需求量將達到6000 m以上，并要求具有不低于15年的使用壽命。雖然我國在“海洋”、“實踐”衛(wèi)星中已成功開展了光纜通信應(yīng)用，但這些衛(wèi)星在軌壽命都相對較短，并無光纜長壽命應(yīng)用的驗證數(shù)據(jù)。國外針對航天器用光纜可靠性及壽命開展了大量研究，并且在型號中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，積累了較多在軌長壽命應(yīng)用的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。但是，我國航天器用光纜無論從材料還是工藝上均與國外產(chǎn)品有較大差距，因此，不能簡單采用國外光纜壽命數(shù)據(jù)指導(dǎo)國內(nèi)型號工作，亟需針對國內(nèi)航天器用光纜開展長壽命驗證技術(shù)研究。

本文對國內(nèi)外航天器用光纜的失效機理、壽命試驗研究進行廣泛調(diào)研和總結(jié)、歸納，旨在為我國航天器用光纜壽命試驗技術(shù)研究提供參考。

1 航天器用光纜結(jié)構(gòu)及特點

光纜主要由光纖及其保護結(jié)構(gòu)組成，通常是在光纖外面增加緩沖層、外護套等包覆，形成具有一定機械強度和耐環(huán)境能力的成纜產(chǎn)品。航天器用光纜與普通光纜結(jié)構(gòu)類似，只是由于需要面臨極端高低溫和空間輻射等特殊環(huán)境，所以在材料和工藝上存在一定差別。某典型航天器艙外光纜的結(jié)構(gòu)和材料組成分別如圖1和表1所示。

圖1 某典型航天器艙外光纜的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of fiber optic cable outside the cabin of a typical spacecraft

表1 某典型航天器艙外光纜的材料Table 1 Materials of a typical spacecraft cabin cable

在光纜的制備過程中，為提高其綜合性能，都需要在光纖外面增加一定的涂覆包層。涂覆層一般為高分子材料，用于增強光纖的柔韌性、機械強度和耐老化特性[1]。目前光纜涂覆均由2層組成：第1層模量較低（＜5 MPa），與光纖包層緊密黏結(jié)，防止光纖表面微裂紋擴大，并減輕光纖的微彎損耗；第2層模量較高（＞800 MPa），可提高光纜的耐磨性能和機械強度。航天器用光纜的涂覆層材料應(yīng)能承受嚴酷的高低溫環(huán)境，在低溫下不易變脆，在高溫下不易軟化。增強層和外護套采用鍍銀纖維結(jié)構(gòu)編織，既可以起到電磁屏蔽作用[2]，也可提高光纜的機械強度和抗彎折強度等[3]。此外，航天器用光纜在保證傳輸性能的情況下，還要求具有良好的抗輻射特性。

2 光纜主要失效模式及退化規(guī)律

光纜在航天器艙外應(yīng)用時，其經(jīng)受的空間環(huán)境最為嚴酷，主要受極端高低溫循環(huán)和空間輻射影響[4]。以低地球軌道航天器為例，太陽直射時表面溫度最高可達150 ℃，處在地影面時的溫度最低會降至-150 ℃，且90 min左右經(jīng)歷一次溫差達300 ℃的熱循環(huán)過程。如此嚴酷的熱循環(huán)會使光纜材料經(jīng)受反復(fù)的熱應(yīng)力，長期作用下會導(dǎo)致材料熱疲勞[5]。此外，空間輻射也是引起航天器光纜老化甚至失效的重要因素。在空間高能電子、質(zhì)子、伽馬射線的照射下，纖芯會產(chǎn)生色心[6-7]，導(dǎo)致其光傳輸性能下降，進而影響光纜的可靠性和使用壽命[8]。

2.1 高低溫環(huán)境對光纜失效的影響

2.1.1 高溫對光纜的影響

由于石英光纖的軟化溫度在1400 ℃以上，所以常規(guī)高溫對光纜可靠性和壽命的影響主要是對涂覆層、緩沖層等高分子材料的影響。高溫會加速涂覆層材料高分子鏈的斷裂過程，從而使涂覆層失去保護光纖的作用，加速光纖的疲勞過程，致使光纖表面微裂紋擴張，導(dǎo)致光纖失效[9]。目前，國內(nèi)外研究高溫對光纜壽命影響主要是針對涂覆層的老化壽命。美國康寧公司和OFS公司均對光纜涂覆層熱老化與光纜使用壽命之間的關(guān)系進行了較為深入的研究，并得出了一致性的結(jié)論，即認為涂覆層的熱失重與光纜強度存在著必然聯(lián)系，涂覆層在達到某一失重百分率時即可認為失效[10]。因此，目前行業(yè)內(nèi)主要以涂覆層的熱失重率達10%作為光纜失效判據(jù)[11]。利用熱失重分析（thermal gravimetric analysis, TGA）方法可推斷出涂覆層在某一溫度下達到10%失重率所需要的時間，即為光纜的使用壽命。高溫對光纜涂覆層的影響非常顯著，國外某研究團隊分別給出了以5%、10%、25%、50%失重率為失效條件下某種光纜涂覆層在不同溫度下的壽命曲線[10]，如圖2所示，可以看出，隨著溫度的不斷升高，該光纜涂覆層壽命急劇下降。

圖2 光纜涂覆層在不同溫度下的壽命曲線Fig.2 Life of optical cable coating at different temperatures

由于高分子涂覆層比石英光纖的熱延展率系數(shù)大3個數(shù)量級，高溫環(huán)境會造成石英光纖的徑向應(yīng)變，引起傳輸損耗的增大。此外，涂覆層熱失重的增加，也會導(dǎo)致傳輸損耗增大。圖3所示為某種光纜不同涂覆層熱老化試驗溫度與傳輸損耗的關(guān)系[10]，發(fā)現(xiàn)低溫時損耗明顯增大。

圖3 不同光纜涂覆層熱老化試驗溫度與傳輸損耗的關(guān)系Fig.3 The relationship between temperature in thermal aging test and loss of optical cable

高溫與輻射還存在耦合效應(yīng)，與未經(jīng)熱處理的光纜相比，經(jīng)過熱處理的光纜在經(jīng)受輻射后所導(dǎo)致的損耗更低，且光纜的輻射誘導(dǎo)損耗會隨著溫度的升高而降低[12]。

2.1.2 低溫對光纜的影響

低溫主要影響材料的物理和化學(xué)性質(zhì)：一方面能夠?qū)е鹿饫|光纖折射率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光纖的偏振性能改變[13]；另一方面會導(dǎo)致光纖各向異性應(yīng)力的改變[14]。低溫還會增強光纜對輻射的敏感性，溫度越低，光纖“色心”的自愈能力越差，即在低溫下光纜的輻射感生損耗最大。解放軍某部在高寒地區(qū)發(fā)現(xiàn)了光纜線路阻斷等故障現(xiàn)象，研究人員通過開展低溫對光纜損耗特性的影響分析，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，光纜損耗不斷增大，且在低溫-55 ℃左右，附加損耗特性的變化出現(xiàn)拐點，如圖4所示。低溫還會導(dǎo)致光纜產(chǎn)生微彎，長時間受壓會使光纜受到損傷，應(yīng)變超過-0.1%時，將引起很大的微彎損耗[15]。

圖4 光纜低溫特性曲線Fig.4 Low-temperature characteristics of the optical cable

2.1.3 高低溫循環(huán)對光纜的影響

溫度循環(huán)會導(dǎo)致光纜高分子有機材料性能退化[16]，改變光纜應(yīng)力分布。光纜不同結(jié)構(gòu)材料的熱膨脹系數(shù)與彈性模量各不相同，當溫度變化劇烈時，材料之間的熱失配會導(dǎo)致光纜不同界面間產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力和形變。例如，光纖與涂覆層的熱膨脹系數(shù)通常相差3個數(shù)量級，在溫度降低時，涂覆層的收縮相對較快，光纖的收縮相對較慢，故光纖受到涂覆層的軸向壓力，在光纖界面容易產(chǎn)生較大應(yīng)力和應(yīng)變，軸向產(chǎn)生的應(yīng)力為[17]

式中：E、A、α分別為材料的楊氏模量、橫截面積和熱膨脹系數(shù)；下標c為涂敷層，g為光纖；ΔT為溫度的變化量。

軸向應(yīng)力在溫度交變環(huán)境下得不到釋放，積累到一定程度就會使涂覆層收縮，導(dǎo)致光纜微彎，傳輸信號的功率損失，輸出光功率降低，損耗增加[18]。圖5所示為NASA對星載Northern Light品牌光纜輸出功率隨溫度循環(huán)次數(shù)變化的研究[19]，可以看出，該品牌光纜輸出光功率隨溫度循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

圖5 光纜輸出功率隨溫度循環(huán)次數(shù)的變化Fig.5 Output power of the optical cable against the number of thermal cycles

溫度循環(huán)還會導(dǎo)致涂覆層材料質(zhì)量損失，進而導(dǎo)致衰減值增大。圖6給出了-55～125 ℃溫度循環(huán)條件下，不同涂覆層材料隨溫度循環(huán)850 nm波長衰減值的變化情況[10]，可以看出，隨溫度循環(huán)的進行，損耗逐漸增大。

圖6 -55～125 ℃ 溫度循環(huán)下 850 nm 誘導(dǎo)損耗變化Fig.6 Variation of induced loss at 850 nm under thermal cycling at -55～125 ℃

2.2 輻射環(huán)境對光纜失效的影響

空間輻射對光纜失效的影響非常復(fù)雜，受多種因素綜合影響。目前國內(nèi)外對于輻射導(dǎo)致光纜性能退化規(guī)律和損傷機理的研究較多，但主要集中在不同輻射總劑量和劑量率對光纜輻射誘導(dǎo)損耗的影響，以及不同摻雜元素對光纜抗輻射特性的影響[20]。空間輻射環(huán)境主要由帶電粒子、中子與高能電磁輻射組成，其中高能電磁輻射環(huán)境中的伽馬射線是影響光纜性能的主要原因[21-22]，目前對于光纜進行輻射模擬主要是通過伽馬輻照實現(xiàn)[23-24]，國內(nèi)外近幾十年的研究也多是在這種輻照環(huán)境下進行的[25]。

輻射作用會使光纜中光纖內(nèi)部形成“色心”，導(dǎo)致可見光波段吸收增加，破壞SiO2共價鍵的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生Si—OH，影響單模光纜1310 nm波長光信號的傳輸損耗。光纜的輻射誘導(dǎo)損耗隨總劑量增加，呈現(xiàn)出冪指數(shù)的變化規(guī)律[26]；在相同總劑量下，還隨劑量率的增大而增大[27]。但這并不是說光纜輻射損耗可以無限增大，輻射誘導(dǎo)損耗還存在著飽和現(xiàn)象，不同類型的光纜具有不同的飽和值。摻鍺光纜或純硅光纜最容易飽和，純硅光纜飽和速度更快。另外，這個飽和值同樣與總劑量和劑量率有關(guān)，隨總劑量的變化滿足飽和e指數(shù)規(guī)律，輻射劑量率越高，則飽和損耗越大[28]。T.S.Rose 等研究發(fā)現(xiàn)：輻射總劑量相同的質(zhì)子與伽馬射線對光纜造成的輻射損傷相同，產(chǎn)生的輻射損耗相同，且波長越短，輻射損耗越大；此外，試驗也證明了伽馬射線輻射可以用來模擬空間環(huán)境中高能質(zhì)子輻射對光纜損傷的影響[29]。

不同摻雜元素對光纜抗輻射特性同樣有較大影響。West通過實驗證明，不同摻雜成分（Er、Al、Ge、P）的纖芯受到輻射都會產(chǎn)生暗化效果，引入附加損耗，而且這種附加損耗與纖芯材料成分密切相關(guān)[30]。GeO2、P2O5等摻雜氧化物會使光纜芯內(nèi)產(chǎn)生點缺陷和位錯，在輻射環(huán)境下產(chǎn)生缺陷能級，降低光纜的抗輻射性能[8]。純硅芯光纜與傳統(tǒng)芯層摻雜光纜相比，具有較低的損耗和較高的輻射穩(wěn)定性，更適于在空間環(huán)境注中應(yīng)用。

光纜的輻射誘導(dǎo)損耗是因為輻射引起的缺陷濃度增加所致，而在缺陷形成的同時，存在著光、熱等恢復(fù)效應(yīng)；在無輻射時，光纜本身也存在自愈效應(yīng)，且在通光情況下自愈能力更強，通入5～10 μW連續(xù)光源信號，可激發(fā)“光漂白”效應(yīng)，通過自愈特性減小輻射損傷。同時，恢復(fù)效應(yīng)與光纜中傳輸?shù)墓夤β视嘘P(guān)，在相同劑量率伽馬射線的輻射下，光功率越大，波長越短，光纜的恢復(fù)效應(yīng)越強[31]。工作波長為850 nm的相同長度的同種石英光纖，在受到相同劑量率的伽馬射線輻照時，通光和不通光光纜的輻射誘導(dǎo)損耗會相差2～3倍[32]。

光纜在較高溫度下會發(fā)生熱退火。熱退火可以抵消光纖色心的產(chǎn)生，當退火性能與色心生成之間的競爭趨于穩(wěn)定，達到平衡時，光纜的輻射誘導(dǎo)損耗就會達到飽和。可見，光纜的實際工作模式和環(huán)境，也會對輻射損耗有很大影響。是 22.7 rad(Si)/min（-18.3 ℃）和 11.2 rad(Si)/min（-24.1 ℃），總劑量 30 krad(Si)。從輻照試驗結(jié)果得出：相同輻射劑量率下，直徑越大的光纜抗輻射能力越強[34]。

2.3 溫度+輻射綜合環(huán)境對光纜失效的影響

Kalomiris等在-150～20 ℃、伽馬輻照劑量率140 rad(Si)的條件下研究了溫度+輻射綜合效應(yīng)對光纜性能的影響，發(fā)現(xiàn)載氫光纜在-150 ℃下表現(xiàn)出更高的輻射敏感性[33]。AT&T Bell Labs的研究結(jié)果顯示，在空間用單模光纜的各項性能要求中，-150～150 ℃的工作溫度范圍極具挑戰(zhàn)性，因為光纖在較低溫度時的輻射敏感性會增高[33]。

NASA按照水星激光高度計（MLA）的應(yīng)用環(huán)境進行了熱試驗和輻照試驗，MLA上的光纜布置如圖7所示。試驗溫度范圍-30～50 ℃，高/低溫各保持 25 min，溫變速率 2 ℃/min；輻照條件分別

圖7 水星激光高度計光纜布置Fig.7 Cable layout of MLA

2.4 小結(jié)

光纜的主要失效模式見表2。

表2 光纜的主要失效模式Table 2 The main failure modes of the optical cable

3 光纜可靠性試驗及壽命評價技術(shù)

由于航天產(chǎn)品高可靠、長壽命的要求，必須進行充足的地面試驗驗證。而對于使用壽命的驗證，目前主要采用加速試驗方法，通過試驗獲取高應(yīng)力條件下的壽命特征量，再利用加速模型，外推至正常應(yīng)力條件下的使用壽命。因此，加速模型建立和應(yīng)力條件設(shè)置是開展光纜加速壽命試驗的關(guān)鍵。

3.1 溫度加速模型

根據(jù)前文可知，高溫對光纜壽命的影響，主要是加速涂覆層、橡膠和有機塑料等高分子材料熱老化，導(dǎo)致涂覆層材料的熱失重。目前國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)頒布的高分子材料壽命預(yù)測標準，都用溫度加速的Arrhenius模型進行外推。如GB/T 20028—2005/ISO 11346:1997《硫化橡膠或熱塑性橡膠應(yīng)用阿累尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度模型》明確指出利用阿累尼烏斯公式推算涂覆層的使用壽命[35]。

Andrei等依據(jù)Arrhenius基本模型，推導(dǎo)出了涂覆層質(zhì)量損失與光纜使用壽命之間的關(guān)系[11]，

式中：α為質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)；t為時間；A為Arrhenius頻率常數(shù)；Ea為激活能；R為摩爾氣體常數(shù)；T為溫度；f(α)為動力學(xué)模型函數(shù)。

通過分別建立質(zhì)量損失與溫度、時間的關(guān)系，得到不同溫度水平與壽命之間的關(guān)系為

式中：lnτF0為預(yù)設(shè)常數(shù)；τF為失效預(yù)測時間；Tav為平均溫度。

該方法的優(yōu)點是能夠直接進行壽命預(yù)測，不依賴任何結(jié)構(gòu)模型，可以通過試驗數(shù)據(jù)，應(yīng)用回歸分析來確定激活能Ea等模型參數(shù)。

除高溫影響外，高低溫循環(huán)也會對光纜產(chǎn)生影響?，F(xiàn)有生產(chǎn)工藝下，光纖表面不可避免地存在缺陷，在高低溫循環(huán)條件下，承受反復(fù)的熱應(yīng)力作用，會導(dǎo)致光纖本身微裂紋的生成和擴展，乃至斷裂失效。其機理可以用格里菲斯（Griffith）裂紋理論進行解釋：脆性材料在其表面存在微裂紋或者缺陷，特別是這些裂紋或者是缺陷極易受到水分、塵埃或者化學(xué)物質(zhì)的侵蝕時，會出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。這是因為在外力的作用下，裂紋尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋開始擴展，即出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕，對于石英光纜來講稱之為光纜的靜態(tài)疲勞。當裂紋擴展達到某個臨界值時，將導(dǎo)致光纜強度降低以至于斷裂[36]。

高低溫循環(huán)的加速試驗，可以借鑒JESD94A標準中的Norris-Landzbery加速模型，即

式中：t為壽命時間；f為溫變速率；ΔT為溫變幅度；Tmax為高溫水平；A、B、C均為常數(shù)。

式(4)為修正的Coffin-Manson模型，廣泛用于描述固體器件或塑性材料溫度交變應(yīng)力引起的熱疲勞失效。而研究表明，Coffin-Manson模型本身雖然最初用于描述塑性材料的熱疲勞失效，但如果選取合適的參數(shù)，同樣適用于脆性材料的裂紋擴展引起的疲勞失效[37]，因此，可以應(yīng)用于光纜高低溫循環(huán)的加速試驗。

3.2 輻射加速模型

對光纜輻射效應(yīng)的研究主要通過伽馬射線輻照進行模擬，一般采用劑量率加速方法[38]。由于光纜輻射效應(yīng)的復(fù)雜性，目前并無成熟準確的加速模型，很多學(xué)者僅從輻射作用機理角度，嘗試提出了一些解釋性模型，如Henschel描述缺陷類型的產(chǎn)生與湮滅競爭過程的方程[39]

式中：ni類型為i缺陷濃度；t為輻射時間；Fi為缺陷的單位時間改變系數(shù)；Pi0為先驅(qū)缺陷濃度；Ki為輻射產(chǎn)生缺陷的系數(shù)；Ri為輻射缺陷的消失系數(shù)；Ui為缺陷的熱消退系數(shù)。

對于同一種輻射而言Fi與Ki意義相近，故可將二者歸類統(tǒng)稱為Fi。其與劑量率成線性關(guān)系，即

式中：fi為常數(shù)；為劑量率。

對式(5)進行簡化和變換，可得到輻射誘導(dǎo)損耗α與劑量率和總劑量D之間的關(guān)系[40]為

可以看出，輻射誘導(dǎo)損耗是有飽和值的，由于不同類型光纜有不同的參量，所以該模型必須依靠試驗數(shù)據(jù)進行參數(shù)選擇。

國內(nèi)研究人員比較了保偏光纖在不同劑量率伽馬射線輻照下的實際損耗與模擬結(jié)果，如圖8所示[40]，發(fā)現(xiàn)試驗數(shù)值和模擬結(jié)果基本吻合。

圖8 不同劑量率伽馬射線輻照誘導(dǎo)損耗的試驗和模擬結(jié)果比較Fig.8 Experimental and simulation results of induced loss of optical fiber under different dose rates of gamma irradiation

Friebele等建立了一種描述光纜輻射損耗的劑量率依賴關(guān)系模型，

式中：A(D)為預(yù)期的誘導(dǎo)衰減；C0為劑量率決定的常數(shù)；f為與劑量率無關(guān)的常數(shù)；n為動態(tài)恢復(fù)系數(shù)。

該模型以真實的動力學(xué)階數(shù)和冪律增長的經(jīng)驗指數(shù)來描述光纜輻射損耗的劑量率依賴關(guān)系[41]。依據(jù)該模型推測輻射誘導(dǎo)損耗的方法又被稱為外推法。外推法有時不能很好地預(yù)測非常低和非常高的總劑量下光纜性能退化的結(jié)果，若以低劑量率試驗下獲得的系數(shù)進行高劑量率下輻射損耗評估，會造成錯誤的結(jié)果。因為F與n是根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)擬合出來的，在兩種劑量率相差遠的情況下，其值可能相差很大。而且，由于試驗裝置的限制，所收集的數(shù)據(jù)并不精確，也使得外推法不能提供準確預(yù)測所有劑量率和總劑量衰減的正確數(shù)據(jù)。

圖9為NASA使用外推法推算出的某型號光纜誘導(dǎo)衰減數(shù)據(jù)和實際衰減數(shù)據(jù)的比較[18]，研究發(fā)現(xiàn)較低劑量率時外推的數(shù)據(jù)偏大。

圖9 不同劑量率誘導(dǎo)衰減數(shù)據(jù)和外推衰減數(shù)據(jù)的比較Fig.9 The actual and extrapolated induced attenuation data under different dose rates for a certain type of optical fiber

3.3 光纜可靠性和壽命保證試驗技術(shù)

美國已在國際空間站高速數(shù)據(jù)鏈路HRDL、水星激光高度計MLA、月球軌道激光高度計LOLA等數(shù)10個航天器載荷中應(yīng)用了光纜通信，其可靠性保證經(jīng)驗較為成熟。NASA的戈達德空間飛行中心（GSFC）成立了專業(yè)的研究團隊，主要負責(zé)對美國宇航任務(wù)中采用的光纖/光纜、激光器等光電組件在空間環(huán)境應(yīng)用中的可靠性和壽命進行保證。但目前尚未形成空間應(yīng)用光纖/光纜的可靠性標準。

此外，為了節(jié)約成本，NASA大量采購商業(yè)光纖/光纜等組件，并通過嚴格的試驗驗證來保證其可靠性和壽命滿足宇航任務(wù)的要求，為此制定了通用的試驗程序，主要包括真空、熱交變或熱循環(huán)、振動、輻射等試驗[39]，如圖10所示。

圖10 NASA 商用光纜組件質(zhì)量保證方法Fig.10 NASA’s qualification assurance plan for commercial optical cable assembly

NASA對光纖/光纜使用壽命的驗證，重點關(guān)注的是涂覆層材料的熱失重壽命以及任務(wù)期內(nèi)的抗輻射能力。因此，為驗證光纜在空間環(huán)境下的使用壽命（5年以上），重點開展高低溫交變試驗和輻照總劑量試驗。

Sang Yoon Park 等對 3 種光纜涂覆層材料開展了2000個循環(huán)的真空熱加速試驗，溫度范圍-175～120 ℃，總試驗時長 1432 h，通過考察材料熱失重來評價其使用壽命[42]，試驗的溫度剖面如圖11所示。對于光纜加速壽命試驗時間，并沒有明確的評估方法，Telecordia標準規(guī)定至少要進行2000 h的加速老化試驗，而 GSFC 的 Melanie 給出的結(jié)論是：溫度環(huán)境對壽命的影響，通過60～100個熱循環(huán)試驗即可得出評估[34]。

圖11 LEO 環(huán)境熱真空循環(huán)溫度剖面Fig.11 Temperature profile of thermal cyclings in thermal vacuum test under LEO environment

對于輻照加速試驗，劑量率加速是主要手段。NASA大部分宇航型號中光纜的耐輻射總劑量為幾十到幾百krad(Si)，劑量率的要求也并無一個明確值。在NASA的標準EEE-INST-002中，關(guān)于光纜伽馬輻照加速試驗的試驗參照標準為FTOP-64，即EIA/TIA 455-64，它是美國電子工業(yè)協(xié)會和通信工業(yè)聯(lián)合會的標準，其中規(guī)定光纜加速輻照劑量率應(yīng)小于100 rad(Si)/min[41]。表3給出了國內(nèi)外光纖/光纜輻照試驗標準及條件[43]。

表3 國內(nèi)外關(guān)于光纖/光纜的γ輻照試驗標準及條件Table 3 Domestic and foreign testing standards and conditions for gamma irradiation of optical fibers

3.3.1 MLA 光纜組件可靠性和壽命保證試驗

MLA是NASA于2004年發(fā)射的用來測量水星地形的激光高度計[38]，如圖12所示。光學(xué)望遠鏡與MLA探測器通過4根階躍折射率多模光纜（如圖13所示）進行連接。GSFC對該型光纜進行了可靠性試驗，以保證其8年的使用壽命。試驗條件如表4[43]所示。

圖12 水星激光高度計側(cè)面圖Fig.12 Side view of MLA

圖13 一根階躍折射率多模光纜Fig.13 An step index multimode optic fiber

3.3.2 LOLA 光纜組件可靠性和壽命保證試驗

月球軌道激光高度計（LOLA）是月球勘測軌道飛行器（LRO）上用來測量月球形狀的一種儀器。LOLA探測器通過3根7芯光纖組成的光纜與LR（激光測距）接收望遠鏡相連，參見圖14。LOLA光纜組件能夠適應(yīng)惡劣的空間環(huán)境，并可集成到飛行儀器的單個連接器中[38]。GSFC對該組件進行了振動、熱循環(huán)和輻照試驗，試驗條件如表4[43]所示，以保證組件穩(wěn)定可靠工作[44]。

圖14 LOLA 側(cè)視圖和 LOLA 光纜組件Fig.14 Side view of LOLA LRO fiber optics and LOLA flight assembly

表4 LOLA 與 MLA 測試項目Table 4 Test programs for LOLA and MLA

4 結(jié)束語

本文總結(jié)歸納了光纜在空間應(yīng)用環(huán)境下的主要失效模式、退化規(guī)律，以及壽命試驗有關(guān)的加速模型及試驗方法等，主要結(jié)論及建議如下：

1）高低溫和輻射環(huán)境是影響光纜性能退化的重要因素，尤其是在低于-55 ℃溫度條件下，光纜性能和可靠性對輻射環(huán)境更加敏感，建議盡量在溫度和輻射綜合環(huán)境下開展光纜長壽命試驗研究。

2）Arrhenius模型主要適用于-55 ℃以上的溫度條件，因此僅能用于評估光纜在-55 ℃以上應(yīng)用環(huán)境的使用壽命；目前對于航天器艙外-55 ℃以下的低溫應(yīng)用條件，缺少成熟的低溫加速模型。建議基于較大樣本的統(tǒng)計加速試驗方法建立低溫統(tǒng)計加速試驗?zāi)Ｐ?，開展光纜在-55 ℃以下低溫環(huán)境的加速壽命評價。

3）準確的加速壽命模型是開展光纜壽命評價的關(guān)鍵，模型中激活能等關(guān)鍵參數(shù)與光纜材料、工藝等因素密切相關(guān)，且對壽命評價結(jié)果影響很大。我國開展光纜壽命試驗不能簡單采用國外數(shù)據(jù)，須結(jié)合國內(nèi)光纜產(chǎn)品材料及工藝特點，提取模型參數(shù)，以保證壽命評價結(jié)果的準確性。