導(dǎo)電滑環(huán)熱真空試驗(yàn)污染物抑制方法試驗(yàn)研究

劉鈺，程建，祁松松，張延順，張珩，蔡平，徐豪，施英瑩

（1.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245； 2.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200245）

引言

導(dǎo)電滑環(huán)是航天領(lǐng)域飛行器的電傳輸裝置，用以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)體之間功率傳輸和信號(hào)傳遞，在目前國內(nèi)外軍用和高端民用行業(yè)中廣泛應(yīng)用于各類有效載荷驅(qū)動(dòng)裝置。圖1為某型號(hào)空間導(dǎo)電滑環(huán)在衛(wèi)星中的應(yīng)用。

作為一種需要長期在軌運(yùn)行的空間活動(dòng)部件，其可靠性和工作壽命關(guān)系到飛行器在軌飛行任務(wù)的成敗，是各種航天器上少數(shù)幾個(gè)單點(diǎn)失效裝置之一。由于空間環(huán)境下用以連接滑環(huán)單機(jī)所用的電纜塑料絕緣層、導(dǎo)熱硅脂、硅橡膠等非金屬材料體內(nèi)或表面成分會(huì)發(fā)生分解、擴(kuò)散釋放繼而脫離表面，這些揮發(fā)物在實(shí)際太空的極限低溫環(huán)境下會(huì)直接散逸，不會(huì)沉積在盤片表面，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能造成直接影響；然而在導(dǎo)電滑環(huán)上星前需要完成的地面模擬環(huán)境試驗(yàn)中，熱真空試驗(yàn)高溫和低溫環(huán)境交替變化，且需要全程長時(shí)間持續(xù)通電測(cè)試，測(cè)試電纜在高溫和通電環(huán)境的雙重施加下其可凝揮發(fā)物會(huì)沉積于盤片表面可直接造成導(dǎo)電滑環(huán)電壓降出現(xiàn)斷點(diǎn)和電噪聲指標(biāo)惡化，進(jìn)而直接影響到滑環(huán)在太空中的可靠性和工作壽命。實(shí)際已多次出現(xiàn)滑環(huán)在真空試驗(yàn)中受到可凝揮發(fā)物污染的問題。

圖1 某型號(hào)空間導(dǎo)電滑環(huán)在衛(wèi)星中的應(yīng)用

因此，如何構(gòu)建太空下的散逸環(huán)境，即：有效抑制導(dǎo)電滑環(huán)在熱真空試驗(yàn)時(shí)可凝揮發(fā)物（Volatile condensable materials，VCM）的累積，成為亟待解決的問題。

1 原有試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)造及污染物產(chǎn)生過程

傳統(tǒng)熱真空試驗(yàn)設(shè)備主要由真空抽氣系統(tǒng)、溫度施加系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)組成。本文中的溫度施加系統(tǒng)由熱沉和加熱籠組成，熱沉由多級(jí)復(fù)疊制冷系統(tǒng)提供低溫環(huán)境，加熱籠由可程式加熱電源提供熱環(huán)境，見圖2。

導(dǎo)電滑環(huán)在進(jìn)行熱真空試驗(yàn)時(shí)，電纜塑料絕緣層、導(dǎo)熱硅脂、硅橡膠等在真空度優(yōu)于6.65×10-3Pa下發(fā)生分解、擴(kuò)散釋放繼而脫離表面，隨著低溫和高溫交變?cè)囼?yàn)過程的推進(jìn)，低溫時(shí)可凝揮發(fā)物VCM一部分吸附在熱沉低溫表面，一部分累積附著于滑環(huán)盤片表面，形成污染物，高溫時(shí)污染物又從熱沉和滑環(huán)盤片表面解吸，擴(kuò)散于罐內(nèi)空間，隨著溫度的交變重復(fù)解吸和吸附過程。同時(shí)，解吸和吸附過程會(huì)隨著時(shí)間而衰減，有研究表明非金屬材料87 %的出氣量在試驗(yàn)前6 h完成[1]，前人在某衛(wèi)星大型反射面天線熱真空試驗(yàn)中測(cè)定12 h后材料出氣量明顯減弱[2]。同樣，NASA研究表明，8 h后材料出氣量趨于飽和[3]。

圖2 原有試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)組成示意圖

2 防污染冷屏工作原理及其硬件結(jié)構(gòu)

太空散逸條件最重要的是低溫空間（4 k），在極限低溫環(huán)境下污染物VCM會(huì)迅速散逸，而原有試驗(yàn)設(shè)備受限于需構(gòu)建導(dǎo)電滑環(huán)產(chǎn)品的高低溫交變?cè)囼?yàn)條件，無法有效構(gòu)成污染物散逸條件，即：當(dāng)產(chǎn)品高溫試驗(yàn)工況時(shí)，熱沉溫度隨之升高，空間冷背景削弱，此時(shí)VCM散逸條件受到破壞。

因此利用低溫吸附原理，在原有試驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上增加一個(gè)獨(dú)立控溫的低溫冷屏，并確保試驗(yàn)過程中冷屏表面溫度始終低于導(dǎo)電滑環(huán)和熱沉，及時(shí)吸附VCM，其作用是防污染，其安裝結(jié)構(gòu)如圖3。防污染冷屏安裝在產(chǎn)品安裝平臺(tái)與封頭熱沉之間，冷屏平行于封頭熱沉，通過支撐架固定在導(dǎo)軌上，通過容器右側(cè)的法蘭把冷卻管路引出。

圖3 防污染冷屏安裝圖

綜合考慮熱輻射對(duì)產(chǎn)品的影響以及現(xiàn)有設(shè)備的安裝空間等，冷屏主要包括冷屏本體結(jié)構(gòu)、防輻射屏、百葉窗擋板、支撐架等。如圖4所示。

冷屏直徑為φ600 mm，主體結(jié)構(gòu)采用紫銅板+紫銅管焊接而成，表面設(shè)置活性炭，提高吸附效果。冷屏側(cè)面設(shè)置屏蔽罩，同時(shí)在冷屏背面設(shè)置防輻射屏，以減少熱沉對(duì)冷屏的熱輻射。冷屏前方設(shè)置可拆卸的百葉窗擋板用于減少冷屏低溫輻射對(duì)產(chǎn)品溫度的影響，百葉窗擋板采用拋光不銹鋼片焊接在骨架上。

圖4 防污染冷屏主體結(jié)構(gòu)示意圖

3 防污染性能驗(yàn)證試驗(yàn)

NASA的哥達(dá)德空間飛行中心曾經(jīng)利用石英晶體微量天平、殘余氣體分析器、氣相色譜質(zhì)譜連用儀（GC/MS）以及傅立葉紅外分光光度計(jì)（FTIR）對(duì)衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)污染物VCM成分進(jìn)行定性定量分析[4]；韓國的KARI利用氣相色譜質(zhì)譜連用儀GC/MS技術(shù)分析了KAISTAT-4 FM烘烤試驗(yàn)過程中的污染物VCM成分[5]。國內(nèi)進(jìn)行的污染物成分分析較少，中國空間技術(shù)研究院總裝與環(huán)境工程部曾利用色質(zhì)譜方法檢測(cè)衛(wèi)星真空熱試驗(yàn)污染物成分[6]。本文采用石英晶體微量天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）進(jìn)行VCM的定量測(cè)試。

石英晶體微量天平由采用石英晶體的壓電效應(yīng)原理制成。晶體的兩側(cè)鍍有電極，當(dāng)給兩側(cè)表面加電壓時(shí)，晶體內(nèi)部的垂直方向會(huì)發(fā)生形變，當(dāng)電壓撤離后，晶體內(nèi)部的形變恢復(fù)，會(huì)在晶體兩側(cè)表面產(chǎn)生電壓。這樣形成的電壓，通過外接激勵(lì)放大電路，就形成了振蕩回路，回路的振蕩頻率與晶體的特性（如：密度、聲速）和表面附著污染物的質(zhì)量有關(guān)。通過監(jiān)測(cè)這個(gè)振蕩頻率就能獲得晶體表面污染物沉積量的大小[7]。其靈敏度可達(dá)納克級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)于單分子層的質(zhì)量檢測(cè)[8,9]。

采用上海衛(wèi)星裝備研究所出產(chǎn)的型號(hào)為SQCM-1的石英晶體微量天平，質(zhì)量范圍4.42×10-8g/cm2～4.42×10-4g/cm2，測(cè)量分辨率為4.42×10-9g/cm2，質(zhì)量靈敏度2.26×108Hz/（g/cm2），對(duì)設(shè)備加裝防污染冷屏前后VCM抑制效果進(jìn)行測(cè)定。

將石英晶體微量天平探頭（1#～3#）安裝在真空罐內(nèi)延軸向均勻分布，見圖5，以監(jiān)測(cè)熱真空試驗(yàn)期間VCM的變化。

圖5 石英晶體微量天平（QCM）安裝圖

測(cè)量結(jié)果表明：升溫階段前期隨著溫度的上升，污染物VCM隨之增加，其中無冷屏結(jié)構(gòu)的污染物增量大于加裝冷屏后的增量，且污染物在罐內(nèi)分布較為均勻，表現(xiàn)為軸向分布差異小；而加裝冷屏后污染物增量顯著下降，且污染物在罐內(nèi)的分布為越接近冷屏增量越小，說明加裝冷屏后污染物得到了有效的控制。在升溫結(jié)束后污染物VCM趨于穩(wěn)定，加裝冷屏后污染物總量在10-7g/cm-2～10-6g/cm-2（見圖6升溫階段L1#～L3#），基本滿足試驗(yàn)要求10-7g/cm-2指標(biāo)，且較之未改造前污染物總量（見圖6升溫階段1#～3#）下降了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。降溫階段前期隨著溫度的下降，污染物VCM繼續(xù)累積增加，但總體趨勢(shì)明顯優(yōu)于升溫階段（見圖6 b），在降溫結(jié)束后，加裝冷屏后污染物VCM穩(wěn)定在10-8g/cm-2～10-7g/cm-2（見圖6降溫階段L1#～L3#），滿足試驗(yàn)指標(biāo)，這也符合低溫吸附原理。

4 結(jié)束語

針對(duì)目前航天器導(dǎo)電滑環(huán)熱真空試驗(yàn)時(shí)全程污染物控制需求，根據(jù)低溫吸附原理，對(duì)傳統(tǒng)熱真空設(shè)備進(jìn)行改造，加裝獨(dú)立控溫功能的低溫冷屏，并開展防污染能力驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)比分析改造前后微量污染物成分，改造后真空容器內(nèi)的污染物VCM含量減少約1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，說明冷屏污染物VCM有良好的抑制效果。