航天組件級單機熱循環(huán)試驗過程防凝露試驗技術探討

程建，劉鈺，張瀚文，馮盟蛟，顧偉玲，張珩

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

引言

中國載人航天工程于1992年9月21日由中國政府批準實施，代號“921工程”。在航天工程（包括載人與衛(wèi)星）中整機包含大量的驅動器、配電器、控制器、分流調節(jié)器等中樞產品，統(tǒng)稱為航天器單機產品。航天器單機產品是飛行器的控制中樞，在先期的環(huán)境試驗過程中，如試驗問題帶來了產品損傷而隱患未被發(fā)現及時處理的情況下進入航天軌道，隨著隱性損傷在發(fā)射過程中通過振動、氣壓、溫度、濕度、輻射等綜合應力下出現故障，則航天器將無法完成預定功能而出現任務失敗，損失巨大。

1 熱循環(huán)試驗

熱循環(huán)試驗是一種利用高低溫交變試驗設備對試驗產品進行的預設高低溫交替的應力考核，用以驗證材料和產品是否達到在研發(fā)、設計、制造中預期的質量目標的一類可靠性試驗[1]。通過大溫變速率可暴露產品潛在的材料與性能缺陷，經過不斷地質量改進，達到可靠性提升的目的。航天單機類產品一次熱循環(huán)示意圖見圖1所示。

2 產品凝露帶來的危害

1）表面覆蓋層（表面處理防腐）的化學或電化學破壞[2]。

2）基體材料腐蝕。

3）材料性能的損壞。

4）元器件電氣性能的損傷。

圖1 航天組件級單機產品一次熱循環(huán)示意圖

3 產品表面凝露原理

環(huán)境試驗設備在開展熱循環(huán)試驗時，一般的氣體介質為濕空氣，即為氮氣、氧氣、二氧化碳和惰性氣體等混合水蒸汽，也即干空氣與水蒸汽的混合。

1）含濕量為在濕空氣中與1 kg干空氣并存的水蒸汽量，即

mq—濕空氣中水蒸汽的質量，kg；

mg—濕空氣中干蒸汽的質量，kg。

2）相隨濕度就是空氣中水蒸汽分壓力和同溫度下飽和水蒸汽分壓力之比，用符號φ表示，即：

pq— 水蒸汽分壓力；

pq,b—同溫度下飽和水蒸汽分壓力；

db—同溫度下飽和含濕量。

3）露點溫度

在保持整個濕空氣含濕量不變的情況下，將濕空氣冷卻，此時相對濕度中pq,b為不斷降低，pq近似不變，當pq與pq,b相等時，相對濕度變?yōu)?00 %，此時所對應的溫度為該濕空氣的露點溫度，計為tl?？諝庀鄬穸茸畲鬄?00 %，溫度持續(xù)降低時，Pq,b持續(xù)降低，此時空氣中水蒸汽無法維持氣體狀態(tài)，開始出現凝結水滴現象，此現象稱為凝露[4]。

4）試驗過程凝露機理

產品在熱循環(huán)過程中分為降溫過程，溫度保持過程，升溫過程和溫度保持過程四個階段。在降溫過程中，低溫的空氣經氣流風道吹出經過產品表面，經過對流換熱產品表面開始降溫。此時對于腔體式產品，產品表面降溫速率大于產品內部，在產品內部濕空氣溫度在產品內壁降低至露點溫度以下，于產品內部形成凝露現象[5-7]。

保溫過程：此過程為產品溫度穩(wěn)定過程，不會在此過程形成新的凝露現象。

升溫過程：熱循環(huán)試驗的升溫過程是產品凝露的關鍵過程。降溫過程中，濕空氣在經過蒸發(fā)器時，水蒸汽凝結在蒸發(fā)器表面，低溫保溫過程中，由于箱內形成負壓，外界環(huán)境中濕空氣不斷進入試驗設備中，凝結在蒸發(fā)器上，低溫保溫時間越久，則蒸發(fā)器凝結霜層越厚。在低溫轉高溫過程中，熱空氣經過蒸發(fā)器表面，將蒸發(fā)器表面霜層融化形成大量水蒸汽隨氣流進入試驗箱內部，而由于試驗產品熱容比空氣大，產品表面熱滯后于空氣溫度，濕空氣在產品表面溫度降至露點溫度以下，在產品表面析出水分，凝結在產品表面，可能造成內部空腔吸入水分的問題。產品在考核高溫過程中，增加了濕熱試驗的綜合應力影響，可能會對產品造成未知傷害。

4 防凝露試驗技術

產品出現凝露存在一個根本問題為產品表面流經的濕空氣在產品表面降至露點溫度以下，導致產品表面析出水分。而露點溫度tl與d和db有關，因此，只要控制d與db的關系，就可控制產品凝露問題。

含濕量d，為相對濕度中分子量，為尋求空氣相對濕度越低，則研究中需控制含濕量越低。含濕量為空氣中存在的水蒸汽的質量，即為考慮如何將空氣中存在的水蒸汽控制到最低限度。

同溫度下飽和含濕量db為分母量，為尋求空氣相對濕度越低，則研究db需要越高越好，db隨著溫度的升高而升高，因此要求產品表面的溫度與設備風口溫度越接近越好。然而產品實時溫度與產品形狀、產品比熱容、產品重量與溫度變化速率有關，為產品與試驗參數固有條件決定，無法通過試驗技術對委托試驗方進行約束修改。因此本文防凝露試驗技術通過研究降低含濕量d來達到航天器單機產品的試驗保障。

設備內部空氣中水蒸汽主要來源于蒸發(fā)器的化霜，如何降低含濕量則需考慮如下三個問題：①如何控制蒸發(fā)器表面低溫凝霜；②如何控制蒸發(fā)器升溫化霜；③如何降低設備內部含濕量。

4.1 控制蒸發(fā)器表面低溫凝霜

蒸發(fā)器表面低溫凝霜為蒸發(fā)器在低溫過程中設備內部及外界環(huán)境水蒸汽不斷在蒸發(fā)器表面凝霜的現象。因此在低溫過程中需要保持設備的密封與箱內的正壓。

1）設備如果不密封（如測試孔堵塞不嚴密，見示意圖2，大門密封不嚴密），則會形成濕氣進入試驗設備的通路。

因此測試電纜口處不可使用硬質堵頭，建議使用棉花，軟布類，見圖3，內外封堵壓緊。

2）對于設備內部正壓則是為了防止低溫過程中，設備內部形成負壓造成濕空氣從密封不嚴的縫隙、螺紋孔、測試孔等處進入設備內部，形成蒸發(fā)器積霜?？稍谠O備內部風道持續(xù)充注0.1 MPa壓力氮氣，使設備內部持續(xù)正壓。（由于整個過程氮氣消耗量大，如能保證設備單向密封，可對此過程進行相應裁剪。）

4.2 如何控制蒸發(fā)器升溫化霜

蒸發(fā)器升溫化霜是整個環(huán)境試驗中升溫過程最大的隱患，蒸發(fā)器霜層越厚，則升溫過程空氣中的含濕量越多。如何控制蒸發(fā)器升溫化霜是升溫控濕技術的關鍵所在。一般升溫過程中，蒸發(fā)器關閉或調節(jié)制冷劑流量來節(jié)約能源維持升溫速率。對于控濕考慮，可在升溫過程中持續(xù)大流量制冷劑輸出，保持蒸發(fā)器開啟，調節(jié)加熱絲功率來維持升溫速率。此時霜層由于蒸發(fā)器的冷量維持而不出現化霜現象，僅有表面熱氣通過時攜帶水蒸汽通過氣流進入試驗設備中，試驗設備中輔助充注氮氣或者露點溫度小于-50 ℃的干燥空氣，可在升溫階段大量減少含濕量進入設備內部。而蒸發(fā)器的化霜階段可選擇在產品溫度到達試驗設備溫度后（可選擇30 min后），關閉蒸發(fā)器，蒸發(fā)器進行化霜，化霜的水經過底部排水孔排出，而進入設備中的水蒸汽由于產品表面與設備內部空氣溫度一致，不會在產品表面出現凝露現象。

圖3 軟體堵頭示意

4.3 如何降低設備內部含濕量

降低設備內部含濕量是考慮已經存在于設備內部環(huán)境空氣中的水蒸汽如何排除。常規(guī)的做法為低露點氣體置換法和吸附式除濕法[2]。

1）低露點干燥空氣除濕法

開展單機熱循環(huán)試驗應采用電容式濕度傳感器試驗設備，可實時監(jiān)控試驗設備內部環(huán)境濕度。常規(guī)單機溫度循環(huán)試驗速率為3～5 ℃/min，根據經驗得知一般常規(guī)航天組件級單機熱滯后設備溫度20 ℃左右，根據濕空氣焓濕圖可以得知，只要設備升溫過程相對濕度小于25 %可避免產品表面空氣降至露點溫度以下出現凝露現象?？稍谏郎剡^程中充注氮氣或者露點溫度小于-50 ℃干燥空氣，并根據空氣相對濕度進行低露點氣體充注。一般經驗表明低露點氣體閥后壓力在0.5 MPa以上可避免產品表面凝露。對于其他類結構復雜單機，可在產品代表位置黏貼多個產品溫度傳感器，通過最低溫度點與設備溫度差值，再結合試驗環(huán)境濕度進行焓濕圖查詢，調節(jié)低露點氣體充注量避免產品表面凝露。

2）吸附式除濕法

吸附式除濕一般選擇清水類材料如硅膠、分子篩和活性碳等產品[8]。在風道處安裝一個吸附式過濾器，設備空氣經過吸附式過濾器時，水蒸汽吸附在過濾器中，不斷除濕。過濾器可在高溫中再生重復下一次吸附過程。試驗中常用干燥劑為硅膠，藍色代表具有吸濕能力，紅色代表已吸濕飽和。吸附式干燥存在一定的弊端，如解吸溫度高，吸濕溫度低，無法再整個熱循環(huán)過程中持續(xù)有效吸濕。因此一般作為熱循環(huán)過程中輔助除濕手段，不單獨采取此一種手段。

5 結束語

常規(guī)熱循環(huán)試驗在升溫過程中必然會出現凝露現象。對于航天組件級單機產品由于產品自身性能問題對防凝露要求較高。在升溫速率一定的條件下，本文從三個方面論述了如何降低產品升溫過程的含濕量，通過驗證，綜合上述幾種方法同時進行，航天單機類產品未出現產品凝露現象。