光電導(dǎo)引頭內(nèi)部結(jié)霧現(xiàn)象機(jī)理分析

馮 濤，史明東，張 鵬，豆永鵬，吳 卉，梁曉博，屈軍利

(1 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2 西安導(dǎo)引科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；3 陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍代室，陜西 西安 710065)

0 引言

與置于井、箱/筒中的導(dǎo)彈不同,外掛式機(jī)載空地導(dǎo)彈服役全壽命周期內(nèi)長(zhǎng)期暴露于戶外大氣環(huán)境,受到溫度、濕度、鹽霧、射線、復(fù)雜電磁環(huán)境等因素影響,尤其是掛飛起落過(guò)程中的交變溫度、濕熱和鹽霧環(huán)境,易導(dǎo)致機(jī)載導(dǎo)彈在大氣環(huán)境長(zhǎng)期貯藏后艙內(nèi)出現(xiàn)凝露、積鹽漬、電路板銹蝕等問(wèn)題[1-2]。為滿足制導(dǎo)彈藥在各種嚴(yán)苛環(huán)境下的使用需求,機(jī)載導(dǎo)彈制導(dǎo)艙外殼體組件要求具有嚴(yán)格密封性能,而良好的密封設(shè)計(jì)可以使艙體內(nèi)部與外界環(huán)境隔離,保護(hù)內(nèi)部材料表面和電子器件不受腐蝕,同時(shí)維持產(chǎn)品內(nèi)部干燥環(huán)境,避免在外部低溫環(huán)境條件下光學(xué)艙口出現(xiàn)結(jié)霧(霜)現(xiàn)象,影響光電導(dǎo)引頭及激光引信的正常使用[2-6]。

目前,對(duì)于機(jī)載導(dǎo)彈制導(dǎo)艙等典型部位密封設(shè)計(jì)研究主要集中在密封方案設(shè)計(jì)、故障排查等方面,蔡培培等[7]討論了空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的三防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù),認(rèn)為優(yōu)良的密封設(shè)計(jì)有利于控制密封腔體內(nèi)器件的工作環(huán)境,阻止或延緩潮氣、鹽霧、霉菌侵入彈體內(nèi)部、導(dǎo)引頭等對(duì)密封有特殊要求的部件,必須對(duì)部件自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的氣密設(shè)計(jì)。劉志等[8]通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試方法對(duì)溫度循環(huán)條件下光電艙結(jié)霧現(xiàn)象進(jìn)行了分析,研究表明光電艙內(nèi)部光學(xué)鏡頭與光電探測(cè)器件內(nèi)部水汽含量過(guò)大是導(dǎo)致光電艙內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)霧現(xiàn)象的主要原因。陳松林等[9]針對(duì)空空導(dǎo)彈發(fā)生進(jìn)水現(xiàn)象的問(wèn)題,復(fù)查了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、修理和使用等各個(gè)環(huán)節(jié),并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明導(dǎo)彈前后艙對(duì)接時(shí)若密封圈安裝不到位或出現(xiàn)變形、損傷等問(wèn)題,易造成密封環(huán)節(jié)失效,是導(dǎo)彈制導(dǎo)艙進(jìn)水的直接原因。上述已有的研究工作較少涉及到密封結(jié)構(gòu)的泄漏率及可靠性方面的研究,國(guó)內(nèi)僅見(jiàn)的公開(kāi)報(bào)道是梁子豪等[10]對(duì)空空導(dǎo)彈制導(dǎo)艙典型部位密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證,經(jīng)過(guò)對(duì)密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)使制導(dǎo)艙池漏率達(dá)到18.8×10-6Pa·m3/s,有效遏制艙內(nèi)與艙外氣體交換速度,將導(dǎo)彈全壽命周期電子艙內(nèi)外的氣體交換總量控制在可接受的范圍內(nèi)。文中對(duì)溫度循環(huán)測(cè)試條件下光電導(dǎo)引頭的密封腔體內(nèi)部結(jié)霧現(xiàn)象進(jìn)行了研究,分析了溫度循環(huán)條件下光電導(dǎo)引頭低溫結(jié)霧現(xiàn)象的形成機(jī)理,闡明了導(dǎo)致導(dǎo)引頭內(nèi)部結(jié)霧現(xiàn)象的主要原因,并進(jìn)一步推導(dǎo)了交變溫度條件下密封結(jié)構(gòu)通過(guò)呼吸作用引入水汽含量與結(jié)構(gòu)泄漏率的關(guān)系。

1 結(jié)霧現(xiàn)象描述

機(jī)載導(dǎo)彈光電導(dǎo)引頭(以下簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)引頭)結(jié)構(gòu)如圖1所示。導(dǎo)引頭在溫度、濕度受控環(huán)境條件下進(jìn)行裝配、密封、檢漏,最后向?qū)б^艙體內(nèi)部充入高純氮?dú)?氣壓一般為100 kPa。

圖1 光電導(dǎo)引頭艙體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of photoelectric seeker cabin

2 機(jī)理分析

在溫度循環(huán)測(cè)試的降溫過(guò)程中,導(dǎo)引頭整流罩內(nèi)壁有霧氣(霜)析出,說(shuō)明此時(shí)導(dǎo)引頭艙體內(nèi)的水汽密度已經(jīng)大于-40 ℃下飽和水汽密度(表1為典型溫度下飽和水汽密度,-40 ℃時(shí)其數(shù)值為0.102 g/m3),同時(shí)根據(jù)導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)特征,整流罩材料表面具有更高的親水性,使得析出的水汽優(yōu)先在整流罩內(nèi)壁凝結(jié)[11]。根據(jù)產(chǎn)品試制工藝要求,實(shí)驗(yàn)測(cè)試前導(dǎo)引頭艙體內(nèi)已被充入高純氮?dú)?實(shí)際測(cè)試高純氮?dú)饴饵c(diǎn)低于-60 ℃,同時(shí)在溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)初始溫度循環(huán)中并未觀察到整流罩內(nèi)壁的結(jié)霧現(xiàn)象,表明實(shí)驗(yàn)初始階段導(dǎo)引頭艙體內(nèi)的水汽密度低于-40 ℃下飽和水汽密度,也就是說(shuō)在溫度循環(huán)測(cè)試過(guò)程中,必然存在外部環(huán)境空氣中的水汽進(jìn)入到了導(dǎo)引頭艙體內(nèi),隨著循環(huán)次數(shù)的增加,艙內(nèi)的水汽含量逐漸升高,當(dāng)艙內(nèi)水汽含量逐步累積超過(guò)某一溫度條件下飽和水汽密度時(shí),導(dǎo)致整流罩內(nèi)壁出現(xiàn)結(jié)霧現(xiàn)象。

表1 溫度與飽和水汽密度Table 1 Temperature and saturated vapor density

為進(jìn)一步定量評(píng)估導(dǎo)引頭艙體密封性能,抽取同批次、同狀態(tài)5具測(cè)試狀態(tài)導(dǎo)引頭,根據(jù)對(duì)航天產(chǎn)品常用泄漏檢測(cè)方法[12],并結(jié)合產(chǎn)品使用工況,壓差為50 kPa、溫度為25 ℃使用氦質(zhì)譜檢測(cè)方法對(duì)導(dǎo)引頭進(jìn)行定量檢測(cè)產(chǎn)品泄漏率,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 導(dǎo)引頭泄漏率檢測(cè)結(jié)果Table 2 Leakage rate detection results of seeker

3 計(jì)算分析

由于實(shí)際的導(dǎo)引頭殼體組件無(wú)法做到絕對(duì)密封(總會(huì)存在一定量的泄漏率),根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程

PV=nRT

(1)

式中:P為導(dǎo)引頭艙體內(nèi)部氣體絕對(duì)壓強(qiáng);V為艙體內(nèi)部容積,文中取為0.58×10-3m3;n為氣體的物質(zhì)的量;R為氣體摩爾常數(shù)8.314 3 J/(K·mol);T為氣體熱力學(xué)溫度。由式(1)可計(jì)算得到溫度循環(huán)條件下導(dǎo)引頭艙內(nèi)的氣體壓強(qiáng)變化:60 ℃溫度時(shí),內(nèi)部壓強(qiáng)為111.74 kPa;-40 ℃溫度時(shí),內(nèi)部壓強(qiáng)為78.2 kPa。可知,溫度循環(huán)測(cè)試過(guò)程中密封艙體內(nèi)氣體壓強(qiáng)將產(chǎn)生超過(guò)30%的變化,在溫度循環(huán)時(shí)密封結(jié)構(gòu)的呼吸作用下,溫箱內(nèi)的水汽可能會(huì)進(jìn)入導(dǎo)引頭艙體內(nèi)部,導(dǎo)致整流罩內(nèi)壁起霧。

為了驗(yàn)證呼吸作用導(dǎo)致導(dǎo)引頭內(nèi)部進(jìn)入水汽,并定量分析水汽含量,文中設(shè)定簡(jiǎn)化的溫度循環(huán)模型進(jìn)行計(jì)算分析。

假設(shè):1)溫度循環(huán)過(guò)程中各循環(huán)進(jìn)入的水汽量相等;2)低溫存儲(chǔ)過(guò)程中,外部溫箱內(nèi)空氣濕度為80%(相對(duì)濕度);3)忽略溫度變化過(guò)程中的呼吸作用情況。

由表2可知導(dǎo)引頭在常溫和50 kPa壓差條件下,導(dǎo)引頭的泄漏率Q在7.8×10-4～4.5×10-3Pa·m3/s之間,氣體分子沿漏孔的流動(dòng)狀態(tài)為粘滯流,泄漏率Q可表示為[13-14]:

Q=CPg

(2)

式中:C為與漏孔自身結(jié)構(gòu)有關(guān)的待定常數(shù);Pg導(dǎo)引頭艙內(nèi)氣體相對(duì)壓強(qiáng)。

本文針對(duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)日計(jì)劃編配問(wèn)題，提出一種基于改進(jìn)的最優(yōu)-最差蟻群算法的車(chē)次與車(chē)組號(hào)匹配算法，實(shí)現(xiàn)車(chē)組均衡運(yùn)用，為后續(xù)的列車(chē)運(yùn)營(yíng)日計(jì)劃安排提供依據(jù)。

由式(2)可得,在恒溫存儲(chǔ)過(guò)程中導(dǎo)引頭艙體內(nèi)氣體壓強(qiáng)變化ΔP可表示為:

ΔP=-QΔt/V=-CPΔt

(3)

式中Δt為時(shí)間變化量。

由式(3)可得,在恒溫存儲(chǔ)過(guò)程中艙體內(nèi)氣體相對(duì)壓強(qiáng)Pg可由如下公式計(jì)算:

(4)

式中P1為恒溫存儲(chǔ)過(guò)程艙體內(nèi)氣體初始相對(duì)壓強(qiáng)。

一個(gè)溫度循環(huán)過(guò)程中,由呼吸作用引入導(dǎo)引頭艙內(nèi)水汽含量m可由下式近似計(jì)算:

m=φF(P1-P2)V/Pc

(5)

式中:φ為相對(duì)濕度,取值為80%;F為低溫-40 ℃條件下飽和水汽密度;P1為低溫(-40 ℃)存儲(chǔ)開(kāi)始前導(dǎo)引頭艙體內(nèi)氣體相對(duì)壓強(qiáng);P2為低溫存儲(chǔ)結(jié)束后艙體內(nèi)氣體相對(duì)壓強(qiáng);Pc為外部環(huán)境大氣壓強(qiáng),取值為105Pa。

將式(2)、式(4)、式(5)聯(lián)立,可得:

(6)

艙體內(nèi)水汽密度達(dá)到-40 ℃條件下飽和水汽密度所需的循環(huán)次數(shù)g為:

(7)

圖2為在溫度循環(huán)測(cè)試條件下不同泄漏率導(dǎo)引頭艙體內(nèi)部達(dá)到-40 ℃飽和水汽密度所需循環(huán)次數(shù)與單次循環(huán)引入水含量曲線。由圖2可知,在-40 ℃～60 ℃的溫度循環(huán)中,泄漏率為4.5×10-3Pa·m3/s時(shí),僅需4.4次即可使導(dǎo)引頭內(nèi)部水汽含量達(dá)到飽和狀態(tài);隨泄漏率降低,呼吸作用強(qiáng)度迅速減少,結(jié)合式(6)可知,密封結(jié)構(gòu)呼吸作用的強(qiáng)度(單次引入水量)與泄漏率成指數(shù)級(jí)正相關(guān);當(dāng)泄漏率指標(biāo)低于10-5Pa·m3/s后,所需循環(huán)次數(shù)急速增加,當(dāng)泄漏率為10-6Pa·m3/s時(shí),所需循環(huán)次數(shù)將超過(guò)5 000。

圖2 不同泄漏率條件下產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)霧所需循環(huán)次數(shù)與單次循環(huán)引入水含量曲線Fig.2 Curve of the number of cycles required for internal fogging of the product and the water content introduced in a single cycle under different leakage rates

根據(jù)計(jì)算分析,導(dǎo)引頭艙體密封性差,泄漏率過(guò)大,在溫度循環(huán)過(guò)程中的呼吸作用下,溫箱內(nèi)水氣進(jìn)入艙體內(nèi)部,是導(dǎo)致導(dǎo)引頭內(nèi)部結(jié)霧現(xiàn)象的主要原因。因此對(duì)導(dǎo)引頭殼體組件各密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),經(jīng)測(cè)試改進(jìn)后在常溫50 kPa壓差條件下,導(dǎo)引頭的泄漏率Q低于1×10-6Pa·m3/s。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選取15具導(dǎo)引頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其中No.1～No.10為密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)后樣機(jī),No.11～No.15為原狀態(tài)樣機(jī)。在溫度為25 ℃,壓彈差為50 kPa條件下,15具導(dǎo)引頭產(chǎn)品泄漏率檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 15具導(dǎo)引頭樣機(jī)泄漏率檢測(cè)結(jié)果Table 3 Leakage rate test results of 15 seeker prototypes

按溫度循環(huán)篩選試驗(yàn)條件對(duì)15具樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示,其中,No代表不出現(xiàn)結(jié)霧現(xiàn)象;Yes代表出現(xiàn)結(jié)霧現(xiàn)象。由測(cè)試結(jié)果可知,前三次循環(huán)兩種狀態(tài)15具樣機(jī)均未出現(xiàn)整流罩內(nèi)壁結(jié)霧現(xiàn)象;在第四次循環(huán)中原狀態(tài)5具樣機(jī)中No.11,No.12,No.14樣機(jī)整流罩內(nèi)壁開(kāi)始出現(xiàn)水霧(霜)凝結(jié);在第五次循環(huán)中原狀態(tài)5具樣機(jī)中No.13、No.15樣機(jī)也開(kāi)始出現(xiàn)整流罩內(nèi)壁起霧現(xiàn)象;在第六至八次循環(huán)過(guò)程中原狀態(tài)5具樣機(jī)整流罩內(nèi)壁起霧現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn);密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的No.1～No.10樣機(jī)在8次溫度循環(huán)測(cè)試過(guò)程中均未出現(xiàn)整流罩內(nèi)壁結(jié)霧現(xiàn)象,進(jìn)一步將溫度循環(huán)次數(shù)增加至24次后No.1～No.10樣機(jī)整流罩內(nèi)壁仍未出現(xiàn)結(jié)霧現(xiàn)象。

表4 溫度循環(huán)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Temperature cycle comparison test results

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在溫度循環(huán)過(guò)程中的呼吸作用下,溫箱內(nèi)水氣進(jìn)入艙體內(nèi)部,是導(dǎo)致導(dǎo)引頭內(nèi)部結(jié)霧現(xiàn)象的主要原因;呼吸作用的強(qiáng)弱與導(dǎo)引頭艙體密封結(jié)構(gòu)泄漏率指標(biāo)密切相關(guān),泄漏率越高,呼吸作用越強(qiáng),在溫度循環(huán)中越容易出現(xiàn)結(jié)霧現(xiàn)象;當(dāng)導(dǎo)引頭殼體結(jié)構(gòu)泄漏率低于1×10-6Pa·m3/s時(shí),能夠有效降低溫度循環(huán)過(guò)程中呼吸作用導(dǎo)致的氣體交換速度,將溫度循環(huán)篩選過(guò)程中氣體交換總量控制在可接受的范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

文中對(duì)光電導(dǎo)引頭在溫度循環(huán)條件下艙體內(nèi)部出現(xiàn)低溫結(jié)霧現(xiàn)象的形成機(jī)理進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)光電導(dǎo)引頭密封結(jié)構(gòu)的呼吸作用及內(nèi)外部水汽交換進(jìn)行了定量計(jì)算分析,針對(duì)不同泄漏率狀態(tài)的15具導(dǎo)引頭樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明:

1)導(dǎo)引頭艙體密封性差,泄漏率過(guò)大,在溫度循環(huán)過(guò)程中的呼吸作用下,外部水氣進(jìn)入艙體內(nèi)部,是導(dǎo)致導(dǎo)引頭內(nèi)部結(jié)霧現(xiàn)象的主要原因;

2)呼吸作用的強(qiáng)弱與導(dǎo)引頭艙體密封結(jié)構(gòu)泄漏率指標(biāo)密切相關(guān),泄漏率越高,呼吸作用越強(qiáng),在溫度循環(huán)篩選中越容易出現(xiàn)結(jié)霧現(xiàn)象;

3)當(dāng)導(dǎo)引頭艙體結(jié)構(gòu)泄漏率低于1×10-6Pa·m3/s時(shí),能夠有效降低溫度循環(huán)過(guò)程中的呼吸作用導(dǎo)致的氣體交換速度,將溫度循環(huán)篩選中氣體交換總量控制在可接受的范圍內(nèi)。

同時(shí),還需要指出的是,在實(shí)際使用環(huán)境中,結(jié)霧現(xiàn)象還與環(huán)境溫度變化的幅度、快速性等邊界條件劇烈變化程度等有關(guān),更精確的研究需考慮這些因素。