存在金屬磨屑的空間盤式滑環真空電弧放電試驗研究

沈 亮，王學強，王艷芬，經貴如，李長江

（上海宇航系統工程研究所，上海 201109）

0 引言

滑環是一種實現旋轉部分和固定部分之間電流、信號傳輸的裝置，廣泛應用于航天器太陽電池陣驅動機構，是航天器系統能源供給和信號傳輸的關鍵通道[1-2]，其失效將對航天器造成災難性后果[2]。

由于滑環內部為環、刷滑動接觸，在工作過程中產生磨屑是不可避免的。目前，對滑環磨屑產生的影響因素、磨屑的粒徑、形貌、產生規律及特征有較多研究[3-8]，王華慶等[9]曾對磨屑顆粒在空間微重力及電磁場環境下可能的運動遷移規律進行仿真研究。但是磨屑的存在對滑環最大的威脅是增大了真空電弧放電的風險，放電會給滑環造成致命故障，進而威脅航天器在軌壽命，目前針對該方面的研究較少。

為此，本課題對存在磨屑的空間盤式滑環真空電弧放電進行試驗研究，驗證磨屑和電壓對滑環真空電弧放電的影響，得出真空電弧放電的特征參數，模擬在軌真空電弧放電對滑環的破壞后果，并提出預防空間滑環真空電弧放電的改進思路。

1 滑環真空電弧放電機理

真空電弧通常指的是金屬蒸氣中的電弧放電，真空環境中沒有氣體分子，放電燃燒通過不斷熔化和蒸發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。

典型的盤式滑環結構如圖1 所示。工作時，電刷觸頭一直與匯流盤上的導電環道發生滑動接觸，將不可避免地產生金屬磨屑（主要成分為金、銅等），并可能積聚在相鄰焊點之間或焊點與環道之間。

圖 1 盤式滑環結構示意Fig. 1 Schematic view of the disc slip ring

金屬磨屑如果在滑環內部焊點間、環道與焊點之間搭接，會形成短路通道。電流經過磨屑時釋放的大量能量使得金屬磨屑汽化形成金屬蒸氣，并在電場作用下電離成等離子體；等離子體畸變電場最終使得陰極產生場致發射，從而發展成自持的真空電弧。在空間失重環境中，電極間的磨屑處于失重懸浮狀態，更易形成電弧。

電弧放電產生的局部高溫會造成燒蝕，嚴重情況下會破壞滑環絕緣，造成相鄰焊點之間、焊點與環道間出現短路或低阻抗通路，同時也可能造成焊點處出現高阻抗開路，從而影響滑環的電傳輸功能。

2 真空電弧放電試驗設計

盤片真空電弧放電試驗電路如圖2 所示。試品間隙串聯在主回路中，當間隙未導通時，間隙兩端電壓與電源輸出電壓一致；當間隙發生導通時，間隙上流過的電流由電源的輸出電流來決定，整個回路通過空氣開關來控制通斷。試驗所用的電源為直流穩壓穩流電源，為防止試品間隙的導通引起直流電源的正負極短路，在回路中串聯1 個3 Ω 電阻。

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

真空電弧放電試驗系統主要由直流電源、真空系統和測量系統組成，如圖3 所示。

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

目前主流航天器對滑環的傳輸要求是單環傳輸電流5 A、電壓60 V；同時，根據太陽電池陣真空電弧放電的研究經驗，當電流為5 A 時，35 V 電壓是引起真空電弧放電的臨界值，因此本試驗確定的條件為：真空條件下，分別在相鄰焊點之間、焊點與內環道之間通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，滑環的真空電弧放電特性。

3 試驗結果分析

3.1 相鄰焊點之間電弧放電試驗

將磨屑撒在試品上相鄰焊點之間，使得相鄰焊點之間由無磨屑時的絕緣狀態變為導通，構成“搭橋”狀態，如圖4 所示。

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

將試品放入真空腔內進行試驗，并記錄試驗過程數據，如圖5 所示。由試驗結果可知：60 V 電源開關觸發后，相鄰焊點之間的電壓上升，當電壓達到20 V 時，焊點之間開始燃起電弧；在整個電弧持續期間，弧道電壓約20 V，電流由電源限制在5 A。真空電弧的產生和維持需要一定的弧道電壓與流過弧道的電流，根據P=UI可以計算出電弧功率約為100 W，電弧持續時間約1.28 s。電弧熄滅后，相鄰焊點燒蝕嚴重，電極附近絕緣碳化，但沒有損傷電極間的整體絕緣，因此電壓恢復到電源電壓。

圖 5 相鄰焊點間電弧放電試驗結果Fig. 5 Test results for arc discharge between adjacent solder joints

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

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

按上述試驗狀態，將電源輸出電壓降至34 V進行電弧放電試驗。當開關觸發后，電流信號出現了1 個短時間的脈沖，同時電壓信號在上升的過程中也出現了短時間的振蕩，電流與電壓信號表明：當開關觸發后，在試品表面的相鄰焊點之間出現了放電現象，但其持續時間很短且并未產生電弧放電；整個放電過程持續了9.6 ms 左右，隨后試品表面恢復了絕緣狀態，電流信號降為0 而電壓信號繼續上升至電源輸出電壓。從試驗前、后試品的表面狀態對比可知，試品表面原本堆積在焊點之間的金屬磨屑在放電過程中并未被燒蝕掉。

3.2 焊點與環道之間電弧放電試驗

將磨屑撒在試品的內環道與焊點之間，如圖7所示。

圖 7 焊點和內環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并開展試驗，記錄整個試驗過程數據，如圖8 所示。由試驗結果可知：60 V電源開關觸發后，內環道與焊點之間出現電弧，電弧電壓并不穩定，弧道平均電壓約為32 V，電流保持在5 A。因此可以計算出電弧的功率約為160 W，放電時間持續了1.36 s。放電過程中，弧道電壓出現了多次振蕩，表明電弧多次熄滅又重新燃起，并且電弧的位置也發生了改變。

圖 8 焊點和內環道間電弧放電試驗結果Fig. 8 Test results for arc discharge between solder joints and inner ring

圖9 為試驗后的試品表面，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之間放電試驗的燒蝕面積擴大了很多，甚至擴散到最外層的環道，與焊點相連的導線也被連根燒斷。結合試驗數據，推測是由于電弧產生的高溫導致連接焊點與導線之間的焊錫被熔化，使得導線移位，從而造成焊點與內環道之間的電弧熄滅；而且隨著導線位置的改變，在其他區域重新產生了電弧，造成試品被大面積燒蝕。因此在實際運行中，電弧不僅會對其附近區域造成損害，還有可能致使其他區域短路。

圖 9 焊點和內環道間放電試驗后的試品表面形態Fig. 9 Appearance of test product after arc discharge between solder joints and inner ring

試驗完成后，試品焊點和環道之間的絕緣破壞嚴重，焊點和環道之間電阻測量結果顯示，阻抗已經降到3.5 Ω。

按上述試驗狀態，將電源電壓調至34 V 進行焊點與內環道之間的真空電弧放電試驗。當開關觸發后，在焊點與內環道之間產生了短時間的放電現象，但并未出現持續性電弧放電。

3.3 試驗小結

在60 V 電壓下對試品進行的4 次試驗均發生了電弧放電，對焊點和盤面燒蝕嚴重。對上述試驗的電弧特性進行分析總結，如表1 所示。從表中可以看到，維持電弧發展所需的弧道電壓在20～32 V之間，電弧持續時間達0.80～1.36 s。

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

由存在磨屑條件下的盤式滑環真空電弧放電試驗結果可知：當電壓較低（如施加34 V 電壓）時，會出現ms 級的非持續性放電，產生的電壓不足以維持試品出現持續性電弧，放電后電極之間又恢復了絕緣狀態；當電壓升至60 V 時，容易發生持續性的電弧放電，高溫導致焊錫熔融，導線在焊點處出現脫焊或開焊狀態，嚴重時甚至燒毀環道。

盤式滑環真空電弧放電會破壞盤片絕緣，造成相鄰焊點之間、焊點和環道間的短路或開路。在軌實際工作中，磨屑情況往往更加復雜，磨屑量、磨屑形狀、失重環境、密閉腔體都會對電弧放電帶來影響，其電弧破壞性可能會更強。

4 盤式滑環防電弧放電設計

針對空間滑環的可靠性設計通常從絕緣材料的選用、冗余設計、降額設計等方面考慮[10-12]。從本試驗結果可知，磨屑和電壓差是滑環發生真空電弧放電的關鍵因素，因此為防止在軌出現真空電弧放電可采取的措施包括：

1）減少滑環磨屑：改善盤式滑環上環道與電刷之間的接觸狀態，包括優化設計盤片表面鍍層的硬度、厚度及粗糙度；增加滑環真空烘烤、充分跑合等工藝和環節。

2）降低電壓差（盡量降到34 V 以下）：改進盤式滑環的設計和使用狀態，盤片同一表面的所有環道均按同一極性進行排布，并且相鄰環道盡量降低電壓差；相鄰盤片的相對工作面也應采用同一極性；正、負焊點分開排布，保證安全距離；同時消除焊點上的毛刺和尖端，并在表面涂三防漆絕緣；最大程度降低相鄰環道、相鄰焊點以及焊點與內環滑道之間的電壓差，保證壓差在34 V 以內。

5 結束語

本研究分別在60 V 和34 V 電壓下完成了空間盤式滑環焊點之間、焊點與內環道之間存在磨屑時的真空電弧放電試驗，發現在60 V 電壓下均發生了嚴重的電弧放電，而在34 V 電壓下只有短時間的放電，未出現持續性電弧放電，驗證了磨屑和電壓是滑環真空電弧放電的關鍵因素；通過地面試驗模擬了在軌真空電弧放電對滑環的破壞性，表明真空電弧放電會造成滑環內部大面積燒蝕，破壞產品絕緣性能，影響航天器在軌能源傳輸。

根據試驗情況，從設計和使用方面提出了預防空間盤式滑環預防真空電弧放電的改進思路，即通過減少磨屑、降低相鄰環道、相鄰焊點以及焊點和內環道之間的電壓差，從根本上防止滑環發生真空電弧放電。