航天高壓機電設備低氣壓絕緣技術研究

徐志書 何雨昂 桑慶宏 張華 郭昊宇

摘要

因在距離地面30-100Km的亞軌道空間領域空氣分子自由行程距離變短，易引起氣體分子電離，繼而引發放電，使得運載火箭設備高壓機電設備在低氣壓環境下絕緣能力發生下降，本文從亞軌道空間易放電敏感區域辨識、低氣壓放電環境下高壓機電設備絕緣電氣間隙與加強絕緣方法進行研究，對航天高壓機電設備的設計與工程應用具有重要參考意義。

【關鍵詞】大功率機電伺服 高可靠驅動技術應用研究

1 引言

隨著磁性材料技術、電力電子技術、數字控制技術的發展，高壓機電設備被越來越多的應用在航天領域。因距離30～100Km臨近空間軌道區域空氣分子自由行程距離下降，容易引發放電，導致高壓設備絕緣性能下降。本文從亞軌道空間易放電敏感區域辨識、低氣壓放電環境下高壓機電設備絕緣電氣間隙與加強絕緣方法進行研究，對航天高壓機電設備的設計與工程應用具有重要參考意義。

2 亞軌道空間易放電敏感區域辨識

根據低氣壓放電表述，低氣壓放電指在1.3Pa～1000Pa的氣壓范圍內，殘留氣體中的自由電子因微波功率激發獲得能量撞擊氣體分子，引起氣體分子電離，繼而引發放電的現象，在空氣介質中最低放電的氣壓值在60Pa～133Pa附近。

經查閱相關數據，分析得到空間高度與大氣壓強關系。

從圖1可以看出，低氣壓放電的空間區域為距離地面高度為30～80km，其中在空間高度為45km～55km放電的氣壓值最低。

3 低氣壓放電環境下高壓機電設備絕緣電氣間隙

從兩個電級間電場的均勻性考慮，高壓大功率機電伺服設備電氣間隙分為整機級與印制板級兩方面考慮。整機級電氣間隙在設計之初應采用電極端小區率設計保證電極之間電場的均勻性：

均勻電場氣體間隙擊穿電壓、間隙距離和氣壓值的關系由帕邢定律來表示。帕邢定律計算公式為：

U_d=B×P×d/ln[A×P×d/in（1+1/γ）]（1）

式中：

U_d——低氣壓條件下的耐壓值，單位為V;

B——系數，在空氣中B=2.744V/（cm.Pa）;

P——大氣壓，單位為Pa;

d——導線間距，單位為cm;

A——系數，在空氣中A=0.110V/（cm.Pa）

γ——系數，在空氣中為0.025

根據公式（I），對于確定的電壓U_d，可以計算出不同大氣壓P下最小電氣間隙d。帕邢定律適用范圍需要滿足以下2點：

（1）兩個電極下電場為均勻電場;

（2）當pd<133pa.mm無法適用;對于pd<133pa情況下的電氣間隙，可參照低氣壓條件下耐電壓、大氣壓與電氣間隙部分補充數據曲線如圖2所示。

4 低氣壓放電環境下高壓機電設備加強絕緣方法研究

結合航天電氣設備在亞軌道內飛行時存在電氣設備內氣壓變低導致設備電氣絕緣性能下降的特點，從以下兩個方面進行加強絕緣研究：

（1）增強機電設備的密封性，保證運載火箭飛行于亞軌道時，機電設備內部氣壓不致迅速隨外界環節降低，導致設備絕緣性能下降。

（2）針對功率電部分，辨識易放電的部件，采用加強絕緣措施，將強電部件與空氣隔絕，避免低氣壓放電現象的發生。由于航天用RTV-GD414具有極強的絕緣強度（不小于18Mv/mm），且在低氣壓環境下絕緣性能基本不變，強電部件采用GD414密封后與空氣隔絕，進一步避免了低氣壓放電現象的發生。

5 總結

本文分別從亞軌道空間易放電敏感區域辨識、低氣壓放電環境下高壓機電設備絕緣電氣間隙、低氣壓放電環境下高壓機電設備加強絕緣方法進行了研究，對于航天機電設備在亞軌道空間領域的工程應用具有重要參考意義。

參考文獻

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