航天器單機產品通用低氣壓放電試驗條件

張 華，宗益燕，信太林，李 強

（上海衛星工程研究所，上海 201109）

航天器單機產品通用低氣壓放電試驗條件

張 華，宗益燕，信太林，李 強

（上海衛星工程研究所，上海 201109）

文章結合國內外文獻研究成果，并根據帕邢曲線計算，確定了通用的低氣壓放電氣壓范圍；根據運載火箭的飛行歷程以及理論計算，分別給出了非密閉單機和密閉單機經歷低氣壓環境的時間，從而確定了通用的低氣壓放電試驗時間；針對鑒定單機和驗收單機，分別給出試驗次數及單機通電要求。研究提出了更符合實際且滿足地面試驗考核需求的通用低氣壓放電試驗條件，可為航天器型號地面低氣壓試驗提供參考。

航天器；單機產品；低氣壓放電；試驗研究；試驗條件

0 引言

航天器自發射至入軌過程中，內部單機產品一般要經歷從1個標準大氣壓到1×10-6Pa以下的氣壓變化[1]。低氣壓環境中的氣體帶電粒子在電場的作用下，容易碰撞中性粒子或在金屬表面激發二次電子發射，造成空間中電子數雪崩式增長，使原本絕緣的氣體變為傳導等離子體，形成低氣壓放電[2]。主動段工作的航天器單機，主動段不工作但密閉性較好的單機，以及航天器在返回大氣層和登陸外星體過程中工作的單機，都容易產生低氣壓放電現象。低氣壓放電可導致單機信號功能下降、設備功能喪失甚至損毀，從而嚴重影響航天器的在軌可靠性。地面開展低氣壓放電試驗可有效檢驗產品設計的合理性，提前發現產品存在的在軌低氣壓放電風險。例如：“風云二號”衛星S頻段設備的微波旋轉關節因未專設排氣孔，在整星熱真空試驗第13 h發生了低氣壓放電現象，使得S頻段無線信道短暫失鎖[3]；“實踐十六號”衛星 S頻段微波產品也由于內部的腔體濾波器未設計排氣孔，在單機熱真空試驗時發生低氣壓放電，導致產品故障。

歐美國家在早期氣體放電的研究基礎上，持續開展了低氣壓放電形成機理、分析方法和抑制技術等方面的研究，構建了較為完備的理論體系，建立了低氣壓放電的分析模型，并采用數值方法精確分析低氣壓放電過程[2,4]。國內復旦大學、中國科學技術大學、西安交通大學等高校對氣體放電理論進行了深入研究，上海衛星工程研究所、西安空間無線電技術研究所等單位，根據型號工程研制需求，研究了低氣壓放電的預防與抑制方法[3,5-7]，但目前尚未查見航天器產品通用低氣壓放電試驗方面公開發表的文章。

本文在梳理航天器低氣壓放電試驗的工程基礎上，分析低氣壓放電的實際環境條件，提出了更符合實際且滿足地面試驗考核需求的通用低氣壓放電試驗條件。

1 低氣壓放電試驗分析

1.1 低氣壓放電試驗通用要求

低氣壓放電試驗是檢驗航天器單機產品對于低氣壓環境適應性的試驗項目。無源和有源單機產品的試驗連接與測試方法可參見文獻[8-9]。

低氣壓放電試驗在工程上一般結合熱真空試驗開展，通用要求如下：

1）從發射時開始工作的有源電子單機和微波單機應進行本項試驗，有斷續重復工作的單機在此期間還需要檢測重復啟動能力；2）在航天器發射過程中不工作，但在常壓下密閉、入軌后允許緩慢漏氣的單機產品，也應進行本項試驗；3）試驗時，單機應在額定電流和電壓下工作。

1.2 低氣壓放電試驗條件

航天器從發射至入軌過程中，采用不同運載火箭所經歷的低氣壓環境和時間差別不大。但是，在型號工程上，由于總體設計師對低氣壓放電理解認知的差異，不同的型號試驗規范或標準給出的低氣壓放電試驗條件差別較大（參見表1）。

表1 不同標準或型號的低氣壓放電試驗條件Table 1 Low pressure discharge test conditions in different standards or test documents

具體表現在：

1）低氣壓環境試驗壓力范圍不一致，有常壓～1.3 Pa、常壓～20 Pa、1000～20 Pa、1000～1 Pa，以及在900～500 Pa和1000～500 Pa的整百 Pa氣壓時停留等；

2）試驗時間不一致，有3 min、5 min、10 min、15 min、20 min等；

3）試驗次數不一致，有1次、2次、3次，以及根據試驗量級區分（鑒定級3次、驗收級1次）；

4）主、備機加電要求不一致，有備機加電試驗和對備機無明確要求2種。

以上試驗要求的差別，使得單機設計師和試驗實施方需要謹慎面對不同的要求。尤其當設計師需要同時應對多個型號要求時，容易造成錯誤。此外，這種型號間的差別化與當前航天“型譜化、產品化”的要求不相符合，型譜產品經歷相似的環境卻要做不同的地面低氣壓放電試驗。

2 低氣壓放電試驗環境研究

2.1 低氣壓范圍

關于低氣壓的范圍，目前國內尚未形成統一認識。上海衛星工程研究所的王宇平等認為產生低氣壓放電的壓力為 1300～300 Pa[3]；中國電子科技集團第十三研究所的張強等給出的低氣壓放電區域為1300～300 Pa[11]，劉中華等則提出 58 kPa～200 Pa為低氣壓閾值區域，其中1300～200 Pa為低氣壓放電敏感區域[12]；西安空間無線電技術研究所的王小林等對衛星功率合成器進行試驗得出的低氣壓放電氣壓值約為920 Pa[7]；北京衛星環境工程研究所的王志浩等根據對PCB焊點的測試研究試驗得到的低氣壓放電氣壓值約為1000～120 Pa[13]；西安空間無線電技術研究所的吳須大等研究認為750～260 Pa的氣壓范圍內最容易發生低氣壓放電[14]。

單機內氣體擊穿電壓既與氣壓有關，又與極板間距有關。帕邢曲線以圖形方式定量化表述了這一關系（見圖1[14]），氣體擊穿電壓最小值近似為300 V，對應的氣壓與極板間距乘積約為66 Pa·cm。根據文獻[15]和[16]，極板間距可按0.013～0.015 cm計算，則低氣壓放電的氣壓值范圍為5077～440 Pa。由于氣壓值過高時，空氣中的氣體分子較多，電子不易擴散，所以可將氣壓值范圍縮減為1300～440 Pa。

圖1 帕邢曲線Fig.1 The Paschen curve

文獻[5]通過試驗測試得到，頻率為3.13 GHz，極板間距為0.02、0.05和0.101 cm時的擊穿電壓與氣壓的關系如圖2所示。由圖可知，氣壓為2～5 torr（即266～665 Pa）時，擊穿電壓達到或接近最小值。

圖2 擊穿電壓與氣壓的關系Fig.2 Relationship between breakdown voltage and gas pressure

綜上可認為，低氣壓放電的氣壓敏感區域為幾百Pa到1000 Pa的氣壓范圍。部分單機內部印制板、器件布局及安裝而造成局部的密閉性，使單機在低氣壓放電試驗抽真空過程中內部氣壓下降較慢，單機內壓要稍高于真空罐內壓力，因此可將低氣壓放電的氣壓閾值向低壓拉偏。考慮現有型號工程實際，提出低氣壓放電試驗的氣壓為 1300～1.3 Pa（即10～0.01 torr）。

2.2 低氣壓試驗時間

航天器從發射至運載火箭拋罩前都置于整流罩內，隨著火箭飛行高度的上升，外界氣體密度和壓力降低，為保持罩內外壓力平衡，在整流罩表面開排氣孔，以使罩內氣壓可及時下降。對于非密閉、透氣良好的單機，整流罩內氣壓即可視為單機內壓。圖3為某低軌運載火箭發射時軌道高度隨時間變化曲線。根據文獻[1]的研究，軌道高度為29.7 km時的大氣壓力約為1300 Pa，軌道高度達到125 km時的氣壓約為1.3 Pa。結合圖3的主動段飛行高度變化曲線可知，整個過程約需要 100 s。低地球軌道航天器的軌道高度一般為1200 km以下，發射時運載火箭的飛行速度一般相差不是很大，因此航天器單機產品經歷低氣壓環境的時間也相差不大。考慮到不確定性以及單機布置在星體內部等因素，取3倍余量，即單機在軌經歷1300～1.3 Pa低氣壓過程的時間應不超過 300 s。高軌航天器的發射初始速度大于低軌航天器，因此其經歷低氣壓過程的時間要比低軌航天器的短，可認為300 s的時間也能覆蓋高軌航天器單機產品的實際環境。

圖3 某航天器發射主動段飛行高度隨時間變化曲線Fig.3 Flight altitude and time variation for a certain spacecraft in its launch phase

對無排氣孔、具有一定密閉性的單機，航天器單機機箱內部的壓力變化規律可表示為[13]

式中：p為單機內壓；C為常數；t為經歷低氣壓的時間；V為單機容積。

對于一般尺寸的單機，式(1)可簡化為

由式(2)可求解得到單機內部氣壓從1300 Pa下降到1.3 Pa的時間約為58 min。顯然，密閉單機內的氣壓變化較為緩慢，而由于真空設備的能力限制，在低氣壓放電試驗中，一般單機低氣壓抽真空過程很難覆蓋上述時間要求。因此，單機設計上應采取放氣措施，設置排氣孔。根據 NASA的 JPL實驗室的規定[17]，為縮短低氣壓放電可能發生的時間，單機的排氣孔設置應確保機箱內壓在1 min內迅速降低至3×10-3torr（0.4 Pa），同時外部壓力應在 6 min內從 1個大氣壓降低至 1×10-5torr（1.33×10-3Pa）。

2.3 試驗次數及其他

在低氣壓放電試驗中，當單機的功率容量（工作電壓）與試驗要求功率（電壓）臨界時，放電現象是以一定概率的方式出現，而非100%發生。例如，“實踐”某衛星應答機在熱真空試驗過程中，當罐內氣壓為 100 Pa左右時發生了低氣壓放電，后重復3次該過程，僅第1次在230 Pa左右時再次發生低氣壓放電。因此，為盡可能暴露臨界功率時的概率性放電現象，從統計經驗上可以對鑒定單機增加試驗次數為不少于3次，并兼顧備份單機的加電試驗要求；驗收單機可結合單機熱真空試驗完成1次低氣壓放電試驗。

3 低氣壓放電試驗條件制定

3.1 原則和通用考慮

航天器單機產品低氣壓放電試驗條件制定應滿足如下原則：

1）覆蓋航天器單機在軌低氣壓環境；

2）兼顧當前航天器型號低氣壓試驗現狀；

3）考慮現有低氣壓試驗設備能力。

根據以上原則，并結合前面的論述，確定的航天器單機產品通用低氣壓放電試驗條件為：

1）環境壓力：1300～1.3 Pa。

2）壓力允差范圍：壓力為1.3～133 Pa時允許偏差應優于±25%；壓力大于 133 Pa時應優于±10%。

3）環境溫度：常溫。

4）試驗時間：環境壓力從 1300 Pa下降到1.3 Pa 的時間不少于5 min。

5）試驗次數：鑒定級3次，中間1次備份加電，其他2次主份加電；驗收級1次，主份加電。

3.2 試驗條件分析

上述試驗條件的制定未考慮密閉單機，密閉單機的低氣壓放電問題可通過設計或使用手段予以解決。設計上，可合理設置排氣孔，將密閉單機改為透氣性較好的單機；或者在使用過程中單機主動段不加電，入軌后靜置一段時間（可根據式(1)計算），待單機內壓與外界壓力接近時再開機工作，從而主動避開低氣壓環境。

航天器單機產品低氣壓放電試驗使用的真空容器一般相對較小，抽真空過程較快。圖4給出了某單機產品在有效尺寸為φ1.5 m的真空容器中，完成低氣壓放電試驗3次抽真空的曲線圖。從圖中可知，真空容器壓力從1300 Pa下降到1.3 Pa的持續時間為12 min。對尺寸大于φ1.5 m的真空容器，單機低氣壓環境的持續時間一般要超過上述時間，即試驗設備能力基本都能滿足環境壓力從1300 Pa下降到1.3 Pa 的時間不少于5 min的要求。

表1的“風云三號”和“風云四號”衛星試驗規范中提出了在整百 Pa氣壓時的停留要求，但在上述試驗條件的制定中未予以選用。氣壓停留要求的目的是增加在低氣壓放電敏感區域的停留時間，以便更充分地檢驗單機產品的適應性。但是，該項要求的可操作性不是很好——真空容器在抽真空過程中的氣壓停留較難實現，而且目前的單機地面低氣壓放電試驗過程（見圖4）已經可以覆蓋航天器在軌的真實環境，因此在制定低氣壓放電試驗的通用試驗條件時不作氣壓停留的要求。

圖4 某單機產品低氣壓放電試驗真空度曲線Fig.4 Vacuum curve of low pressure discharge test for an individual product

4 結束語

本文在梳理國內低氣壓放電的標準和不同型號試驗文件的基礎上，總結歸納其中的差異。結合國內外文獻研究成果并根據帕邢曲線計算，確定了通用的低氣壓放電氣壓范圍；根據運載火箭的飛行過程以及理論計算公式，分別給出了非密閉單機和密閉單機的低氣壓放電試驗時間；針對鑒定單機和驗收單機，分別給出試驗次數及加電要求。在此基礎上，形成了通用的航天器單機產品低氣壓放電試驗條件，并對試驗條件進行了解釋和地面可操作性分析。

后續，將對航天器整星級（整船級）低氣壓放電試驗的條件與方法開展進一步研究，從而形成較為系統的低氣壓放電試驗要求，為航天器型號地面試驗提供參考。

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（編輯：張艷艷）

General test conditions for low pressure discharge of spacecraft units

ZHANG Hua, ZONG Yiyan, XIN Tailin, LI Qiang
(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

Combined with the calculation of the Paschen curve, a general low pressure discharge test pressure range is proposed.According to the rocket’s flight course and the theoretical calculation, the general single machine low pressure discharge test time is obtained.According to different single machines, the test times and the power demands are put forward and the general conditions of the low pressure discharge test for single machine products are presented.

spacecraft; single machine product; low pressure discharge; test study; test conditions

O461.2

：A

：1673-1379(2016)06-0643-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.012

張 華（1987—），男，碩士學位，從事環境與可靠性技術研究。E-mail: zhanghua_seu@126.com。

2016-05-21；

：2016-11-21

國家自然科學基金項目（編號：51605080）