長壽命半球諧振陀螺真空保持技術(shù)

于鑫海,劉 奎,蘇定寧,趙思晗,段 杰,李紹良,趙萬良

(1.上海航天控制技術(shù)研究所,上海 201109;2. 上海慣性工程技術(shù)研究中心,上海 201109)

0 引言

隨著慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展和半球諧振陀螺諧振子加工技術(shù)的不斷進(jìn)步,諧振子向小尺寸、高精度及高環(huán)境適應(yīng)性的方向發(fā)展,對陀螺整體結(jié)構(gòu)的小型化、輕量化和長壽命的要求也更高[1-3]。半球諧振陀螺是一種固體振動陀螺,陀螺通常包括諧振子、激振器(激勵電極)、檢測器(檢測基座)和封裝外殼?；诎肭蛑C振陀螺對于長壽命的要求,陀螺需要具備連續(xù)工作15年的能力[4],隨著陀螺的長時間工作,其內(nèi)部真空度逐漸下降,空氣阻尼隨之增大,當(dāng)內(nèi)部真空度高于10-4Pa量級時,其空氣阻尼顯著影響諧振子的品質(zhì)因數(shù)Q值,從而降低陀螺的精度和穩(wěn)定性。因此。為了保證長時間、高可靠性工作,半球諧振子對陀螺內(nèi)部的長時間、高真空保持提出了極高的要求。

為了解決陀螺的壽命問題,保證陀螺內(nèi)部的高真空環(huán)境,必須在內(nèi)部放置吸氣劑,對陀螺腔體中的多余氣體進(jìn)行去除。吸氣劑通常由金屬粉末材料高溫?zé)Y(jié)而成,可以在一定溫度下激活,激活后具有較強(qiáng)的吸氫能力。然而由于半球諧振陀螺的星載及艦載特性,陀螺的小尺寸、小質(zhì)量要求限制了吸氣劑的質(zhì)量和體積,無法為陀螺內(nèi)置大量冗余吸氣劑,需在保證陀螺壽命的基礎(chǔ)上降低吸氣劑質(zhì)量。因此需要精確的計算模型,考慮陀螺在壽命期間受多種因素影響下內(nèi)部的升壓情況,在此基礎(chǔ)上完成吸氣劑的質(zhì)量設(shè)計,才能同時兼顧半球諧振陀螺的小質(zhì)量和長壽命要求。

本文綜合考慮多種影響因素,給出一種陀螺壽命期內(nèi)的出氣量計算模型,對比多種吸氣劑的特點(diǎn),選擇較優(yōu)的吸氣材料,可更精確的控制吸氣劑質(zhì)量,為半球諧振陀螺的真空保持提供理論基礎(chǔ)。

1 出氣量模型

半球諧振陀螺尺寸緊湊,內(nèi)部真空度影響因素較復(fù)雜,根據(jù)工作環(huán)境、封裝工藝和材料特性,主要分為以下3個方面:

1) 材料放氣。半球陀螺由石英半球諧振子,激勵、檢測電極及金屬封裝殼體組成,作為固體振動陀螺,為了提高激勵和檢測的精度和效率,通常將諧振子和檢測基座金屬化,即表面金屬鍍膜,金屬材料原子間存有氣體分子,在高真空的環(huán)境下將會釋放,導(dǎo)致陀螺內(nèi)部真空度下降。

2) 焊口漏氣。為了實現(xiàn)陀螺各部件間的連接,通常采用激光焊接方式進(jìn)行密封,即使提高了焊點(diǎn)的熔覆率,在焊接接口處仍會產(chǎn)生輕微漏氣現(xiàn)象,隨著時間推移,陀螺腔體中的真空度將逐漸下降。

3) 氫氣滲透。小質(zhì)量半球陀螺的金屬殼體外壁很薄,外界大氣與內(nèi)部高真空環(huán)境形成了較大的壓強(qiáng)差,在這種壓差下,氫氣會產(chǎn)生一定程度的滲透,將微小的滲透率賦以較長的時間尺度,也會導(dǎo)致陀螺內(nèi)部的真空度下降,進(jìn)而導(dǎo)致空氣阻尼增大。

要求半球陀螺15年工作壽命時,吸氣劑吸氣量設(shè)計應(yīng)滿足:

Qx≥Qf+Ql+Qs

(1)

式中:Qx為吸氣劑的總吸氣量;Qf為金屬材料表面放氣量;Ql為激光焊接的總漏氣量;Qs為氫氣對金屬材料的總滲透量。

2 材料放氣

半球諧振陀螺通常采用可伐合金作為真空封裝外殼[5],但由于半球諧振子和基座的特殊性,因此在真空封裝除氣過程中,無法使用高溫烘烤方式為金屬除氣。因此,增加了金屬殼體的表面除氣難度,故需測定金屬殼體可伐合金材料的放氣速率[6],合理選擇吸氣劑的質(zhì)量,維持內(nèi)部高真空狀態(tài)。

對于小放氣量的可伐合金材料,可采用靜態(tài)升壓法測量[7]放氣速率。結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的研究[8-11]提出一種測量方法。首先,在控制相同測試條件(20 ℃,2×10-6Pa)下,對測量腔體本底漏氣速率和放氣速率進(jìn)行測定,然后放入待測金屬材料,保證同樣溫度和初始真空度時,得到總漏氣和放氣速率曲線,最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從總放氣速率曲線中排除系統(tǒng)本底漏放氣速率,可得出待測材料隨時間變化的放氣速率曲線。

半球諧振陀螺采用可伐合金殼體材料的常溫放氣曲線如圖1所示。由圖可看出,小于5 h時材料放氣最明顯。因此,為了增大半球陀螺的真空壽命,應(yīng)維持10 h以上的真空除氣,以減小吸氣劑本身的負(fù)擔(dān)。

圖1 可伐合金表面放氣速率曲線

反映材料放氣率與時間關(guān)系的簡單放氣模型形式[12]通常為

lgq=lgq1-a·lgt

(2)

式中:q為材料放氣速率;t為金屬材料放入真空環(huán)境后的存放時間;q1為放氣率初始值;a為常數(shù)。依此對圖1中曲線做數(shù)據(jù)擬合,可得到該材料在測定條件下的放氣速率函數(shù):

qf1=2.925×e-0.628 7t×10-7

(3)

同理可確定諧振子金屬膜層的表面放氣速率曲線如圖2所示。對圖2中曲線做數(shù)據(jù)擬合,可得到該材料在測定條件下的放氣速率函數(shù):

圖2 諧振子表面金屬膜層放氣速率曲線

qf2=6.999×e-0.154t×10-7

(4)

對以上兩函數(shù)曲線在時間尺度進(jìn)行積分,并考慮各材料表面積,可得出15年工作壽命要求下,陀螺內(nèi)部金屬材料放氣總量為

(5)

式中:A1、A2分別為對應(yīng)金屬材料的表面積。經(jīng)計算,材料放氣總量為3.77×10-2Pa·L。

3 氫氣滲透和漏氣

氣體對金屬的溶解、滲透過程,一般以原子態(tài)的形式進(jìn)行,由于氫原子的直徑最小,所以氫原子對金屬的滲透最顯著。氫氣對金屬的滲透速率為

(6)

式中:qs為氫氣透過陀螺殼體壁面的滲透速率;ΔP為金屬殼體外壁兩側(cè)的氣壓差;d為壁厚;A為金屬殼體外壁的面積;K為氫氣對某種固體的滲透系數(shù)。圖3為氫氣對常見金屬材料的滲透系數(shù)曲線。

圖3 氫氣對各種金屬材料的滲透系數(shù)

常溫(20 ℃)下,估算氫氣對可伐合金的滲透系數(shù)為

K≈0.5×10-10×0.419(Pa·L·mm·s-1·

cm-2·Pa0.5)

(7)

考慮各材料表面積可得出15年工作壽命要求下,氫氣對殼體金屬材料的滲透總量為

(8)

經(jīng)計算,氫氣滲透總量約為1.72 Pa·L。

目前半球諧振陀螺研制實驗室采用的激光焊接設(shè)備,在保證熔覆率大于90%的密封焊接情況下,接口處漏氣率可采用氦質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測,通常一臺密封良好的半球陀螺漏氣速率ql<5×10-9Pa·L/s。

由此可得,15年工作壽命要求下,氫氣對殼體金屬材料的滲透總量為

(9)

經(jīng)計算,漏氣總量約為2.36 Pa·L。

綜上吸氣劑的總吸氣量應(yīng)滿足:

Qx≥Qf+Ql+Qs

(10)

經(jīng)計算總放氣量約為4.12 Pa·L。

4 陀螺流導(dǎo)模型

為了計算初始真空度,獲得最優(yōu)的吸氣劑材料,需要建立陀螺流導(dǎo)模型,對初始狀態(tài)下的真空壓力進(jìn)行計算。

4.1 初始真空壓力

由于吸氣劑為金屬粉末燒結(jié),陀螺的工作環(huán)境通常具有多頻段大功率的振動,因此為了保證諧振子的性能,應(yīng)在陀螺內(nèi)部將吸氣劑與諧振子分隔在兩腔室內(nèi),在此基礎(chǔ)上,內(nèi)部腔體即近似形成一個標(biāo)準(zhǔn)的真空抽氣管路。根據(jù)真空系統(tǒng)的壓力公式[7]可得到諧振子間隙處的真空壓力為

(11)

式中:Pg為諧振子間隙處的工作真空壓力;P0為吸氣劑腔體能達(dá)到的真空度;Q0為諧振子腔體的氣體漏率總量(包括密封處漏氣、材料表面出氣、材料滲透等);Sp為吸氣劑的有效抽速。

4.2 有效抽速

在動態(tài)平衡時,流經(jīng)任意截面的氣體流量相等,因此有:

(12)

式中:S為吸氣劑的吸氣速率;U為管道的流導(dǎo)。

4.3 陀螺流導(dǎo)

空氣阻尼通常作用于諧振子與檢測電極基座的間隙內(nèi),此位置的氣體壓強(qiáng)代表陀螺內(nèi)部的實際真空度,氣體沿管道的流動狀態(tài)可分為湍流、粘滯流、粘滯-分子流和分子流。諧振子的實際工作環(huán)境為高真空,此時氣體沿管道的流動狀態(tài)為分子流,氣體分子間碰撞次數(shù)很少,主要與腔體內(nèi)壁發(fā)生碰撞,其運(yùn)動形式如圖4所示。

圖4 分子流示意圖

典型半球諧振陀螺的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由圓截面短管和環(huán)形截面管道組成,可對各個截面管道在長度尺度上疊加運(yùn)算,對應(yīng)的20 ℃時流導(dǎo)公式[7]為

Uf1=11.6A0α

(13)

(14)

U=Uf1+Uf2

(15)

式中:L/d為圓截面短管的長徑比;A0為截面積;d2/d1為環(huán)形管的小、大徑之比;α,Kh均為系數(shù)。表1為系數(shù)α的取值范圍。表2為系數(shù)Kh的取值范圍。

表1 系數(shù)α的取值范圍

表2 系數(shù)Kh的取值范圍

綜合式(11)～(15)可得出,為保證諧振子間隙內(nèi)極限真空度為1×10-5Pa,則要求吸氣劑材料初始抽速大于1×103Pa·L。

5 實現(xiàn)高真空保持的技術(shù)措施

綜合考慮材料體系和吸氣性能[13],吸氣劑可采用鋯釩鐵粉末與鋯金屬燒結(jié)而成。既可保證激活時高溫不會造成諧振子失效,又可滿足強(qiáng)度和吸氣量要求,基于初始吸氣速率大于103Pa·L,總體吸氣量大于4.12 Pa·L的要求,可選用意大利 SAES Getter公司的St172型吸氣劑450 mg,以滿足陀螺對吸氣劑初始吸氣速率和長壽命工作的要求。

為減小吸氣劑的抽氣壓力,可在封裝前對陀螺金屬殼體進(jìn)行200 ℃真空高溫預(yù)烘,并在降溫后短時間內(nèi)完成焊接,在一定程度上對金屬表面進(jìn)行提前脫氣處理。

6 結(jié)束語

計算表明,長時間工作下的半球諧振陀螺,金屬材料表面放氣、激光焊接漏氣和氫氣對金屬的滲透均是導(dǎo)致容器內(nèi)部真空度無法保持在10-4Pa以上的主要原因。15年工作條件下,陀螺內(nèi)部的出氣總量約為4.12 Pa·L,結(jié)合陀螺流體模型和吸氣劑吸氣量的數(shù)據(jù),給出了吸氣劑應(yīng)投放的最小劑量約為450 mg,初始吸氣速率大于103Pa·L,為減小吸氣劑的抽氣壓力,可在封裝前對陀螺金屬殼體進(jìn)行200 ℃真空高溫預(yù)烘,并在降溫后短時間內(nèi)完成焊接,實現(xiàn)陀螺長壽命工作狀態(tài)下的高真空保持。