存在金屬磨屑的空間盤式滑環(huán)真空電弧放電試驗(yàn)研究

沈 亮，王學(xué)強(qiáng)，王艷芬，經(jīng)貴如，李長江

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

滑環(huán)是一種實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部分和固定部分之間電流、信號(hào)傳輸?shù)难b置，廣泛應(yīng)用于航天器太陽電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是航天器系統(tǒng)能源供給和信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵通道[1-2]，其失效將對(duì)航天器造成災(zāi)難性后果[2]。

由于滑環(huán)內(nèi)部為環(huán)、刷滑動(dòng)接觸，在工作過程中產(chǎn)生磨屑是不可避免的。目前，對(duì)滑環(huán)磨屑產(chǎn)生的影響因素、磨屑的粒徑、形貌、產(chǎn)生規(guī)律及特征有較多研究[3-8]，王華慶等[9]曾對(duì)磨屑顆粒在空間微重力及電磁場(chǎng)環(huán)境下可能的運(yùn)動(dòng)遷移規(guī)律進(jìn)行仿真研究。但是磨屑的存在對(duì)滑環(huán)最大的威脅是增大了真空電弧放電的風(fēng)險(xiǎn)，放電會(huì)給滑環(huán)造成致命故障，進(jìn)而威脅航天器在軌壽命，目前針對(duì)該方面的研究較少。

為此，本課題對(duì)存在磨屑的空間盤式滑環(huán)真空電弧放電進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證磨屑和電壓對(duì)滑環(huán)真空電弧放電的影響，得出真空電弧放電的特征參數(shù)，模擬在軌真空電弧放電對(duì)滑環(huán)的破壞后果，并提出預(yù)防空間滑環(huán)真空電弧放電的改進(jìn)思路。

1 滑環(huán)真空電弧放電機(jī)理

真空電弧通常指的是金屬蒸氣中的電弧放電，真空環(huán)境中沒有氣體分子，放電燃燒通過不斷熔化和蒸發(fā)的金屬蒸氣得以維持，因此真空電弧也被稱為金屬蒸氣電弧。

典型的盤式滑環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。工作時(shí)，電刷觸頭一直與匯流盤上的導(dǎo)電環(huán)道發(fā)生滑動(dòng)接觸，將不可避免地產(chǎn)生金屬磨屑（主要成分為金、銅等），并可能積聚在相鄰焊點(diǎn)之間或焊點(diǎn)與環(huán)道之間。

圖 1 盤式滑環(huán)結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Schematic view of the disc slip ring

金屬磨屑如果在滑環(huán)內(nèi)部焊點(diǎn)間、環(huán)道與焊點(diǎn)之間搭接，會(huì)形成短路通道。電流經(jīng)過磨屑時(shí)釋放的大量能量使得金屬磨屑汽化形成金屬蒸氣，并在電場(chǎng)作用下電離成等離子體；等離子體畸變電場(chǎng)最終使得陰極產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射，從而發(fā)展成自持的真空電弧。在空間失重環(huán)境中，電極間的磨屑處于失重懸浮狀態(tài)，更易形成電弧。

電弧放電產(chǎn)生的局部高溫會(huì)造成燒蝕，嚴(yán)重情況下會(huì)破壞滑環(huán)絕緣，造成相鄰焊點(diǎn)之間、焊點(diǎn)與環(huán)道間出現(xiàn)短路或低阻抗通路，同時(shí)也可能造成焊點(diǎn)處出現(xiàn)高阻抗開路，從而影響滑環(huán)的電傳輸功能。

2 真空電弧放電試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盤片真空電弧放電試驗(yàn)電路如圖2 所示。試品間隙串聯(lián)在主回路中，當(dāng)間隙未導(dǎo)通時(shí)，間隙兩端電壓與電源輸出電壓一致；當(dāng)間隙發(fā)生導(dǎo)通時(shí)，間隙上流過的電流由電源的輸出電流來決定，整個(gè)回路通過空氣開關(guān)來控制通斷。試驗(yàn)所用的電源為直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，為防止試品間隙的導(dǎo)通引起直流電源的正負(fù)極短路，在回路中串聯(lián)1 個(gè)3 Ω 電阻。

圖 2 真空電弧放電試驗(yàn)電路Fig. 2 Test circuit of vacuum arc discharge

真空電弧放電試驗(yàn)系統(tǒng)主要由直流電源、真空系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成，如圖3 所示。

圖 3 真空電弧放電試驗(yàn)系統(tǒng)組成示意Fig. 3 Schematic diagram of the vacuum arc discharge test system

目前主流航天器對(duì)滑環(huán)的傳輸要求是單環(huán)傳輸電流5 A、電壓60 V；同時(shí)，根據(jù)太陽電池陣真空電弧放電的研究經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)電流為5 A 時(shí)，35 V 電壓是引起真空電弧放電的臨界值，因此本試驗(yàn)確定的條件為：真空條件下，分別在相鄰焊點(diǎn)之間、焊點(diǎn)與內(nèi)環(huán)道之間通5 A 電流，并保證兩極之間存在60 V、34 V 的電壓差，研究存在金屬磨屑的條件下，滑環(huán)的真空電弧放電特性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 相鄰焊點(diǎn)之間電弧放電試驗(yàn)

將磨屑撒在試品上相鄰焊點(diǎn)之間，使得相鄰焊點(diǎn)之間由無磨屑時(shí)的絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通，構(gòu)成“搭橋”狀態(tài)，如圖4 所示。

圖 4 相鄰焊點(diǎn)間存在磨屑的試品Fig. 4 Test product with wear debris between adjacent solder joints

將試品放入真空腔內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)，如圖5 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知：60 V 電源開關(guān)觸發(fā)后，相鄰焊點(diǎn)之間的電壓上升，當(dāng)電壓達(dá)到20 V 時(shí)，焊點(diǎn)之間開始燃起電??；在整個(gè)電弧持續(xù)期間，弧道電壓約20 V，電流由電源限制在5 A。真空電弧的產(chǎn)生和維持需要一定的弧道電壓與流過弧道的電流，根據(jù)P=UI可以計(jì)算出電弧功率約為100 W，電弧持續(xù)時(shí)間約1.28 s。電弧熄滅后，相鄰焊點(diǎn)燒蝕嚴(yán)重，電極附近絕緣碳化，但沒有損傷電極間的整體絕緣，因此電壓恢復(fù)到電源電壓。

圖 5 相鄰焊點(diǎn)間電弧放電試驗(yàn)結(jié)果Fig. 5 Test results for arc discharge between adjacent solder joints

試驗(yàn)后的試品表面如圖6 所示，可以看出：相鄰焊點(diǎn)之間出現(xiàn)了非常明顯的燒蝕痕跡，在其附近區(qū)域也出現(xiàn)了明顯的燒蝕痕跡；焊點(diǎn)之間的磨屑已被燒蝕。

圖 6 相鄰焊點(diǎn)間電弧放電試驗(yàn)后的試品表面形態(tài)Fig. 6 Appearance of test product after arc discharge between adjacent solder joints

按上述試驗(yàn)狀態(tài)，將電源輸出電壓降至34 V進(jìn)行電弧放電試驗(yàn)。當(dāng)開關(guān)觸發(fā)后，電流信號(hào)出現(xiàn)了1 個(gè)短時(shí)間的脈沖，同時(shí)電壓信號(hào)在上升的過程中也出現(xiàn)了短時(shí)間的振蕩，電流與電壓信號(hào)表明：當(dāng)開關(guān)觸發(fā)后，在試品表面的相鄰焊點(diǎn)之間出現(xiàn)了放電現(xiàn)象，但其持續(xù)時(shí)間很短且并未產(chǎn)生電弧放電；整個(gè)放電過程持續(xù)了9.6 ms 左右，隨后試品表面恢復(fù)了絕緣狀態(tài)，電流信號(hào)降為0 而電壓信號(hào)繼續(xù)上升至電源輸出電壓。從試驗(yàn)前、后試品的表面狀態(tài)對(duì)比可知，試品表面原本堆積在焊點(diǎn)之間的金屬磨屑在放電過程中并未被燒蝕掉。

3.2 焊點(diǎn)與環(huán)道之間電弧放電試驗(yàn)

將磨屑撒在試品的內(nèi)環(huán)道與焊點(diǎn)之間，如圖7所示。

圖 7 焊點(diǎn)和內(nèi)環(huán)道間存在磨屑的試品Fig. 7 Test product with wear debris between solder joints and inner ring

將試品放入真空腔內(nèi)并開展試驗(yàn)，記錄整個(gè)試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)，如圖8 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知：60 V電源開關(guān)觸發(fā)后，內(nèi)環(huán)道與焊點(diǎn)之間出現(xiàn)電弧，電弧電壓并不穩(wěn)定，弧道平均電壓約為32 V，電流保持在5 A。因此可以計(jì)算出電弧的功率約為160 W，放電時(shí)間持續(xù)了1.36 s。放電過程中，弧道電壓出現(xiàn)了多次振蕩，表明電弧多次熄滅又重新燃起，并且電弧的位置也發(fā)生了改變。

圖 8 焊點(diǎn)和內(nèi)環(huán)道間電弧放電試驗(yàn)結(jié)果Fig. 8 Test results for arc discharge between solder joints and inner ring

圖9 為試驗(yàn)后的試品表面，可以看出：試品表面的燒蝕痕跡非常明顯，并且相比于相鄰焊點(diǎn)之間放電試驗(yàn)的燒蝕面積擴(kuò)大了很多，甚至擴(kuò)散到最外層的環(huán)道，與焊點(diǎn)相連的導(dǎo)線也被連根燒斷。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推測(cè)是由于電弧產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致連接焊點(diǎn)與導(dǎo)線之間的焊錫被熔化，使得導(dǎo)線移位，從而造成焊點(diǎn)與內(nèi)環(huán)道之間的電弧熄滅；而且隨著導(dǎo)線位置的改變，在其他區(qū)域重新產(chǎn)生了電弧，造成試品被大面積燒蝕。因此在實(shí)際運(yùn)行中，電弧不僅會(huì)對(duì)其附近區(qū)域造成損害，還有可能致使其他區(qū)域短路。

圖 9 焊點(diǎn)和內(nèi)環(huán)道間放電試驗(yàn)后的試品表面形態(tài)Fig. 9 Appearance of test product after arc discharge between solder joints and inner ring

試驗(yàn)完成后，試品焊點(diǎn)和環(huán)道之間的絕緣破壞嚴(yán)重，焊點(diǎn)和環(huán)道之間電阻測(cè)量結(jié)果顯示，阻抗已經(jīng)降到3.5 Ω。

按上述試驗(yàn)狀態(tài)，將電源電壓調(diào)至34 V 進(jìn)行焊點(diǎn)與內(nèi)環(huán)道之間的真空電弧放電試驗(yàn)。當(dāng)開關(guān)觸發(fā)后，在焊點(diǎn)與內(nèi)環(huán)道之間產(chǎn)生了短時(shí)間的放電現(xiàn)象，但并未出現(xiàn)持續(xù)性電弧放電。

3.3 試驗(yàn)小結(jié)

在60 V 電壓下對(duì)試品進(jìn)行的4 次試驗(yàn)均發(fā)生了電弧放電，對(duì)焊點(diǎn)和盤面燒蝕嚴(yán)重。對(duì)上述試驗(yàn)的電弧特性進(jìn)行分析總結(jié)，如表1 所示。從表中可以看到，維持電弧發(fā)展所需的弧道電壓在20～32 V之間，電弧持續(xù)時(shí)間達(dá)0.80～1.36 s。

表 1 真空放電試驗(yàn)的電弧特性Table 1 Arc parameters drawn from the vacuum discharge test

由存在磨屑條件下的盤式滑環(huán)真空電弧放電試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)電壓較低（如施加34 V 電壓）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)ms 級(jí)的非持續(xù)性放電，產(chǎn)生的電壓不足以維持試品出現(xiàn)持續(xù)性電弧，放電后電極之間又恢復(fù)了絕緣狀態(tài)；當(dāng)電壓升至60 V 時(shí)，容易發(fā)生持續(xù)性的電弧放電，高溫導(dǎo)致焊錫熔融，導(dǎo)線在焊點(diǎn)處出現(xiàn)脫焊或開焊狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀環(huán)道。

盤式滑環(huán)真空電弧放電會(huì)破壞盤片絕緣，造成相鄰焊點(diǎn)之間、焊點(diǎn)和環(huán)道間的短路或開路。在軌實(shí)際工作中，磨屑情況往往更加復(fù)雜，磨屑量、磨屑形狀、失重環(huán)境、密閉腔體都會(huì)對(duì)電弧放電帶來影響，其電弧破壞性可能會(huì)更強(qiáng)。

4 盤式滑環(huán)防電弧放電設(shè)計(jì)

針對(duì)空間滑環(huán)的可靠性設(shè)計(jì)通常從絕緣材料的選用、冗余設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)等方面考慮[10-12]。從本試驗(yàn)結(jié)果可知，磨屑和電壓差是滑環(huán)發(fā)生真空電弧放電的關(guān)鍵因素，因此為防止在軌出現(xiàn)真空電弧放電可采取的措施包括：

1）減少滑環(huán)磨屑：改善盤式滑環(huán)上環(huán)道與電刷之間的接觸狀態(tài)，包括優(yōu)化設(shè)計(jì)盤片表面鍍層的硬度、厚度及粗糙度；增加滑環(huán)真空烘烤、充分跑合等工藝和環(huán)節(jié)。

2）降低電壓差（盡量降到34 V 以下）：改進(jìn)盤式滑環(huán)的設(shè)計(jì)和使用狀態(tài)，盤片同一表面的所有環(huán)道均按同一極性進(jìn)行排布，并且相鄰環(huán)道盡量降低電壓差；相鄰盤片的相對(duì)工作面也應(yīng)采用同一極性；正、負(fù)焊點(diǎn)分開排布，保證安全距離；同時(shí)消除焊點(diǎn)上的毛刺和尖端，并在表面涂三防漆絕緣；最大程度降低相鄰環(huán)道、相鄰焊點(diǎn)以及焊點(diǎn)與內(nèi)環(huán)滑道之間的電壓差，保證壓差在34 V 以內(nèi)。

5 結(jié)束語

本研究分別在60 V 和34 V 電壓下完成了空間盤式滑環(huán)焊點(diǎn)之間、焊點(diǎn)與內(nèi)環(huán)道之間存在磨屑時(shí)的真空電弧放電試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在60 V 電壓下均發(fā)生了嚴(yán)重的電弧放電，而在34 V 電壓下只有短時(shí)間的放電，未出現(xiàn)持續(xù)性電弧放電，驗(yàn)證了磨屑和電壓是滑環(huán)真空電弧放電的關(guān)鍵因素；通過地面試驗(yàn)?zāi)M了在軌真空電弧放電對(duì)滑環(huán)的破壞性，表明真空電弧放電會(huì)造成滑環(huán)內(nèi)部大面積燒蝕，破壞產(chǎn)品絕緣性能，影響航天器在軌能源傳輸。

根據(jù)試驗(yàn)情況，從設(shè)計(jì)和使用方面提出了預(yù)防空間盤式滑環(huán)預(yù)防真空電弧放電的改進(jìn)思路，即通過減少磨屑、降低相鄰環(huán)道、相鄰焊點(diǎn)以及焊點(diǎn)和內(nèi)環(huán)道之間的電壓差，從根本上防止滑環(huán)發(fā)生真空電弧放電。