運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品低氣壓環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究

武玉玉, 馬 上, 阮 征, 高 波, 任一鵬

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

在地球引力作用下，空氣依附在地球周圍?？諝饩哂幸欢ǖ馁|(zhì)量，在距離地球表面的不同高度形成壓力，該壓力被稱為大氣壓力(簡(jiǎn)稱氣壓)[1]。作用在單位面積上的氣壓，在數(shù)值上等于單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱所受到的重力。離地球表面越遠(yuǎn)(海拔越高)，氣壓越低。在標(biāo)準(zhǔn)海平面，大氣壓力為101325Pa；在海平面以上的30km以內(nèi)，氣壓下降速率為10Pa/m；在接近31km處的大氣壓力約為海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值的1%。通常把低于標(biāo)準(zhǔn)海平面的氣壓稱為低氣壓。

運(yùn)載火箭在其壽命周期內(nèi)(包括生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸及飛行等剖面)會(huì)經(jīng)歷低氣壓環(huán)境，特別是運(yùn)載火箭起飛后，氣壓從近似標(biāo)準(zhǔn)氣壓持續(xù)下降，直至真空。低氣壓會(huì)對(duì)箭上電氣產(chǎn)品形成環(huán)境效應(yīng)，引發(fā)一系列不利的、具有破壞性的結(jié)果，如結(jié)構(gòu)破壞、密封和電路失效等，輕則影響產(chǎn)品性能與功能，重則引發(fā)整個(gè)飛行任務(wù)失利。因此，運(yùn)載火箭研制時(shí)必須開展電氣產(chǎn)品低氣壓環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)[2]，確保其功能與性能滿足使用要求。

本文對(duì)運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品的低氣壓環(huán)境效應(yīng)及設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)考核方法進(jìn)行了研究，形成了較為系統(tǒng)的運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品低氣壓環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法，為電氣產(chǎn)品低氣壓環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供參考。

1 運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品低氣壓環(huán)境效應(yīng)分析

GJB 150.2A-2009[3]中明確了低氣壓環(huán)境可能導(dǎo)致軍用裝備產(chǎn)生以下物理、化學(xué)效應(yīng)：密封墊密封的殼體漏氣、漏液體，密封容器變形、破損或破裂，低密度材料的物理和化學(xué)性能發(fā)生變化，裝備因熱傳導(dǎo)降低而發(fā)生過(guò)熱，潤(rùn)滑劑蒸發(fā)，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和工作不穩(wěn)定，真空密封失效，由于電弧或電暈放電造成裝備失靈或工作不穩(wěn)定。

實(shí)際上，不同低氣壓環(huán)境條件會(huì)產(chǎn)生不同類型的環(huán)境效應(yīng)，且不同低氣壓環(huán)境條件下同類環(huán)境效應(yīng)破壞程度也不盡相同。對(duì)于密封結(jié)構(gòu)而言，只有在氣壓下降至結(jié)構(gòu)內(nèi)外壓差超過(guò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)閾值后才可能使結(jié)構(gòu)破裂，在此之前只能使結(jié)構(gòu)表面承受壓差載荷，產(chǎn)生形變?？紤]運(yùn)載火箭總體方案、任務(wù)特點(diǎn)、低氣壓環(huán)境條件及電氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)，典型的電氣產(chǎn)品低氣壓環(huán)境效應(yīng)主要包括以下幾種類型。

1.1 低壓放電導(dǎo)致產(chǎn)品電性能降低、失效

運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品多采用空氣作為絕緣介質(zhì)。在正常大氣條件下，空氣是絕好的絕緣介質(zhì)[4]，但處于低氣壓環(huán)境時(shí)，意味著空氣密度降低，氣體分子之間的相互作用力減弱。在電場(chǎng)作用下,空氣中殘留的帶電粒子獲得足夠的能量，碰撞中性粒子，使其激發(fā)或電離出電子和正離子，新產(chǎn)生的帶電粒子被電場(chǎng)加速，又發(fā)生新的激發(fā)或電離，于是空間中電子數(shù)產(chǎn)生雪崩式增長(zhǎng)，使原本絕緣的氣體變?yōu)閭鲗?dǎo)等離子體，發(fā)生了放電現(xiàn)象，甚至間隙擊穿[5]。輕則使得電氣產(chǎn)品電性能下降，重則損壞電路，導(dǎo)致整個(gè)飛行試驗(yàn)失利。

低氣壓放電的影響因素十分復(fù)雜，它與運(yùn)載火箭飛行條件、電氣產(chǎn)品材料特性、電容電壓、工藝等因素均相關(guān)。對(duì)于運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品放電氣壓范圍目前尚無(wú)可直接指導(dǎo)設(shè)計(jì)的預(yù)示模型。1889年，帕邢根據(jù)平行平板電極的間隙擊穿試驗(yàn)結(jié)果提出了帕邢定律，它描述了在氣體種類、產(chǎn)品表面材料等確定時(shí)，擊穿電壓U是氣壓與電極極間距離乘積Pd的函數(shù)U=f(Pd)[6]。圖1是帕邢定律曲線示意圖，該模型僅適用于電場(chǎng)十分均勻的放電情形。根據(jù)運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品研制經(jīng)驗(yàn)，發(fā)生低氣壓放電的氣壓范圍為300Pa～1.33Pa。

圖1 帕邢曲線

1.2 內(nèi)外壓差導(dǎo)致密封結(jié)構(gòu)變形、破裂

在地面組裝過(guò)程中，密封結(jié)構(gòu)內(nèi)壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(或接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)。但運(yùn)載火箭起飛后，隨著飛行高度增加外界氣壓降低，密封結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面就產(chǎn)生了壓差。高度越高，壓差越大，極限工況下密封結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面將承受一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的內(nèi)壓。在此過(guò)程中，隨著壓差的增大，密封結(jié)構(gòu)可能會(huì)變形，當(dāng)此壓差超過(guò)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，會(huì)導(dǎo)致密封結(jié)構(gòu)破裂，進(jìn)而密封失效。對(duì)于非完全密封結(jié)構(gòu)，若結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力下降速率比外界氣壓下降速率低，結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面也要承受一定的壓差。

1.3 散熱效率降低導(dǎo)致產(chǎn)品溫度過(guò)高

電氣產(chǎn)品在通電狀態(tài)下，部分電能會(huì)轉(zhuǎn)換為熱能，使其自身溫度升高。對(duì)于運(yùn)載火箭艙段內(nèi)以自然對(duì)流為主進(jìn)行熱交換的電氣產(chǎn)品而言，隨著氣壓下降，空氣密度下降，可用于熱交換的空氣質(zhì)量減少，空氣吸收的熱量也將減少，導(dǎo)致電氣產(chǎn)品散熱效率降低，產(chǎn)品溫度升高。當(dāng)超過(guò)產(chǎn)品正常工作溫度范圍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電氣產(chǎn)品不可逆的性能損傷。圖2是趙世宜等[1]研究的小型電動(dòng)機(jī)隨海拔高度的增加表面溫升曲線。而且，隨著氣壓下降，電氣產(chǎn)品表面的自然對(duì)流換熱所占的比例越來(lái)越小，輻射散熱所占的比例越來(lái)越大，輻射散熱將成為主要的散熱形式。

圖2 小型電動(dòng)機(jī)表面溫升與海拔高度關(guān)系

1.4 綜合環(huán)境效應(yīng)

運(yùn)載火箭在任務(wù)剖面內(nèi)不僅經(jīng)歷低氣壓環(huán)境，也要經(jīng)歷其他環(huán)境，如高、低溫環(huán)境，振動(dòng)環(huán)境等，這些環(huán)境共同作用會(huì)產(chǎn)生更為惡劣的綜合環(huán)境效應(yīng)。如低溫-低氣壓環(huán)境效應(yīng)，低氣壓環(huán)境使密封結(jié)構(gòu)承載內(nèi)壓，低溫會(huì)使材料收縮、變脆，加大產(chǎn)品密封結(jié)構(gòu)損壞的風(fēng)險(xiǎn)；低氣壓-高溫環(huán)境將進(jìn)一步加劇電氣產(chǎn)品過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)；低氣壓-振動(dòng)環(huán)境將加速密封產(chǎn)品結(jié)構(gòu)損傷及裂縫產(chǎn)生，致使密封失效[7-9]。

2 運(yùn)載火箭低氣壓環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

低氣壓環(huán)境適應(yīng)性是指產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)的貯存、運(yùn)輸和使用等狀態(tài)中經(jīng)歷的各種低氣壓環(huán)境作用下可實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能的能力，即正常工作的能力；低氣壓環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)則是通過(guò)設(shè)計(jì)使產(chǎn)品具備這種能力。運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品低氣壓環(huán)境設(shè)計(jì)是其總體方案設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)電氣產(chǎn)品的功能與性能、使用等要求，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、電壓電容、工藝等方面綜合考慮，盡可能從源頭上提高產(chǎn)品的低氣壓環(huán)境適應(yīng)性。結(jié)合運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品環(huán)境效應(yīng)，適應(yīng)性設(shè)計(jì)一般有如下措施。

2.1 電性能下降、失效

針對(duì)電氣產(chǎn)品低氣壓條件放電引起的電性能下降、失效環(huán)境效應(yīng)，運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可參考帕邢定律對(duì)電壓和極間距離進(jìn)行優(yōu)化；在借鑒成熟產(chǎn)品設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，綜合考慮質(zhì)量、尺寸以及其他設(shè)計(jì)要求，從結(jié)構(gòu)、材料、電路以及工藝等方面采取相應(yīng)的措施。

1)結(jié)構(gòu)或電路密封化，密封后的結(jié)構(gòu)或電路處于生產(chǎn)組裝時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)氣壓，可有效避免低氣壓放電效應(yīng)，但需對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行氣密性設(shè)計(jì)和檢查。

2)增大電路間隙，增大電容，降低電場(chǎng)強(qiáng)度；殼體材料采用聚合物材料，比如聚丙烯[10]；采用惰性氣體作為絕緣介質(zhì)，比如采用氙氣、氬氣等，通過(guò)這些措施，提高低氣壓環(huán)境適應(yīng)性。

3)在工藝設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中，電極邊緣附近盡量避免出現(xiàn)突變和尖點(diǎn)，采取平滑和圓角設(shè)計(jì)；防止污染，避免因污染而造成放電功率閾值降低。

2.2 密封結(jié)構(gòu)變形、破裂

電氣產(chǎn)品密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)實(shí)際任務(wù)剖面低氣壓環(huán)境，確定內(nèi)壓極限工況，并考慮一定裕度。為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度，可與提高結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的方法相同，比如采用加筋結(jié)構(gòu)，選用高強(qiáng)度材料等。

2.3 散熱效率降低

運(yùn)載火箭大部分電氣產(chǎn)品的溫度適應(yīng)范圍較小，高溫上限通常在65℃～75℃。由于火箭飛行時(shí)間相對(duì)較短，在方案設(shè)計(jì)中，對(duì)于低氣壓降低散熱效率問題關(guān)注相對(duì)較少。一般在設(shè)計(jì)上應(yīng)適當(dāng)提高產(chǎn)品的耐熱能力，如更換耐熱材料和結(jié)構(gòu)；或采取措施增強(qiáng)對(duì)流作用，如在電氣產(chǎn)品內(nèi)部增加風(fēng)扇，或表面包覆相變材料和熱管等主動(dòng)溫控措施。

2.4 綜合環(huán)境

對(duì)于運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品在飛行中經(jīng)歷的低氣壓與其他類型環(huán)境的綜合環(huán)境效應(yīng)，通常是在各單一環(huán)境效應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施基礎(chǔ)上，采取綜合的、優(yōu)化的設(shè)計(jì)來(lái)提高電氣產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。

3 低氣壓環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)考核方法

20世紀(jì)30年代左右，美國(guó)和歐洲等工業(yè)較為發(fā)達(dá)的國(guó)家，開始對(duì)產(chǎn)品作簡(jiǎn)單的環(huán)境試驗(yàn)，其中包括低氣壓環(huán)境試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)50年代開始產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)探索，并在80年代初頒布了一批電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)主要是等效采用或參照采用國(guó)際電工委員會(huì)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)制定的[10]。

正常大氣條件下無(wú)法驗(yàn)證與考核運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品低氣壓環(huán)境適應(yīng)性，必須開展專項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)方法主要有兩種：

1)低氣壓箱考核，對(duì)低氣壓箱內(nèi)進(jìn)行抽壓，模擬低氣壓變化過(guò)程，監(jiān)測(cè)電氣產(chǎn)品在加電狀態(tài)下各性能與功能，進(jìn)行低氣壓環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證與考核。運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品通常按照GJB 150.2A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第二部分低氣壓(高度)試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)[11-12]執(zhí)行；

2)熱真空箱考核，對(duì)熱真空箱內(nèi)進(jìn)行抽壓，并啟動(dòng)熱流(高溫)模擬設(shè)備，模擬低氣壓和熱流(高溫)變化過(guò)程，驗(yàn)證與考核電氣產(chǎn)品在低氣壓和熱流(高溫)環(huán)境下的適應(yīng)性，通常參照QJ 2630.1A-2012《航天器組件空間環(huán)境試驗(yàn)方法 第1部分：熱真空試驗(yàn)》執(zhí)行。

在這兩種考核試驗(yàn)中，需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)問題：

1)目前國(guó)內(nèi)試驗(yàn)真空箱能達(dá)到的最低氣壓在10-3Pa～10-5Pa之間，在進(jìn)行低氣壓環(huán)境適應(yīng)性考核時(shí)，需綜合考慮低氣壓環(huán)境和實(shí)際的低氣壓設(shè)備能力，制定合理的試驗(yàn)條件。

2)運(yùn)載火箭在地面貯存、運(yùn)輸?shù)绕拭嫦碌蜌鈮涵h(huán)境變化不明顯，但飛行中低氣壓變化速率達(dá)到2kPa/s以上，不同氣壓變化速率引發(fā)的環(huán)境效應(yīng)也不同，在試驗(yàn)中應(yīng)予以考慮。為充分考核電氣產(chǎn)品低氣壓環(huán)境效應(yīng)，通常會(huì)降低氣壓變化速率，航天飛行器廣泛采用的壓力變化速率為不超過(guò)10kPa/min；也可結(jié)合低氣壓箱或熱真空箱設(shè)備能力，使其壓力變化率不大于實(shí)際飛行壓力變化速率。

3)低氣壓環(huán)境適應(yīng)性考核試驗(yàn)中，電氣產(chǎn)品必須加電(GJB 150.2A-2009中未明確規(guī)定)，在低氣壓試驗(yàn)前應(yīng)確定關(guān)鍵的監(jiān)測(cè)參數(shù)并進(jìn)行監(jiān)測(cè)；對(duì)于放電效應(yīng)，需在試驗(yàn)中觀測(cè)電氣產(chǎn)品的氣壓敏感值，為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)或類似產(chǎn)品的低氣壓環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供參考。

4 某天線低氣壓環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)與考核

某固體運(yùn)載火箭遙測(cè)天線安裝在箭體外表面，見圖3。根據(jù)火箭總體飛行方案，其經(jīng)歷的低氣壓環(huán)境為從101325Pa降至真空，最大壓力變化速率為3kPa/s，飛行過(guò)程中經(jīng)歷嚴(yán)重的氣動(dòng)熱環(huán)境(最大熱流約為300kW/m2)。遙測(cè)天線方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮到其功率較小(不超過(guò)10W)，在借用以往研制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選定了遙測(cè)天線表面材料；電路兩級(jí)設(shè)計(jì)接近于平行平板，根據(jù)帕邢定律對(duì)擊穿電壓進(jìn)行了估算，并對(duì)電路兩級(jí)間距進(jìn)行優(yōu)化；針對(duì)飛行過(guò)程中的氣動(dòng)熱環(huán)境，同時(shí)考慮到天線透波要求，采用了陶瓷防熱罩進(jìn)行熱防護(hù)，陶瓷防熱罩與箭體表面組成密封結(jié)構(gòu)。遙測(cè)天線結(jié)構(gòu)和防熱罩承載能力設(shè)計(jì)要求綜合考慮了低氣壓環(huán)境造成的內(nèi)外壓差和飛行外壓載荷。

圖3 遙測(cè)天線示意圖

在完成了遙測(cè)天線防熱罩防熱效果和結(jié)構(gòu)承載評(píng)估分析與驗(yàn)證后，依據(jù)GJB 150.2A-2009標(biāo)準(zhǔn)在低氣壓箱內(nèi)開展了遙測(cè)天線低氣壓環(huán)境適應(yīng)性專項(xiàng)試驗(yàn)。在綜合考慮低氣壓試驗(yàn)箱能力條件及其他運(yùn)載火箭遙測(cè)天線設(shè)計(jì)、試驗(yàn)考核結(jié)果的基礎(chǔ)上，低氣壓試驗(yàn)條件調(diào)整至101325Pa ～1×10-4Pa，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)遙測(cè)天線的各項(xiàng)電性能數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，遙測(cè)天線順利通過(guò)了低氣壓環(huán)境試驗(yàn)考核。

5 結(jié)論

低氣壓環(huán)境會(huì)引發(fā)運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品一系列環(huán)境破壞效應(yīng)，本文針對(duì)典型的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了分析，并針對(duì)這些效應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、電壓電容、工藝等方面提出了設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)措施；通過(guò)對(duì)低氣壓環(huán)境試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)研究，提出了低氣壓環(huán)境適應(yīng)性考核試驗(yàn)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問題，并完成了某運(yùn)載火箭遙測(cè)天線低氣壓環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)與考核?；诖耍纬闪溯^為系統(tǒng)的低氣壓環(huán)境工程設(shè)計(jì)方法，可為運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品低氣壓環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供參考。