空间使用环境对火工装置性能的影响

张 醒，张修科，杨树彬，鲍国苗

（1.上海宇航系统工程研究所，上海，201109；2 .陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

火工装置广泛应用于各类运载火箭、飞船、卫星、探测器等运载航天器的连接分离装置中，是分离系统中的核心元件。通常航天型号上应用的火工装置在发火之前会经历地面环境（组装、试验、运输、贮存等）、发射环境（加速度、振动、冲击、噪声等）和空间环境（真空、高低温、粒子辐照、原子氧等）等不同的环境条件，其中以空间环境最为复杂和恶劣。在现役型号的运载火箭和卫星中，火工装置主要应用于火箭级间分离、整流罩分离、星箭分离、卫星太阳翼展开以及星上机构的解锁。这些分离动作中，火工装置工作时刻一般都处于发射环境或刚进入空间环境不久，空间环境中各因素对火工装置性能的影响尚不明显。随着我国航天技术的迅速发展，尤其是空间站、月球探测、深空探测等任务的提出，很多火工装置在发火前将长时间处于空间环境中，火工装置的空间适应性研究的重要性不言而喻。

本文简述了能够影响火工装置性能的主要空间环境因素，介绍了目前我国空间环境适应性研究的现状，并展望了今后火工装置空间环境适应性研究的发展趋势。

1 空间环境影响

空间环境[1-2]中所指空间通常是地面几十公里高度以上的广大宇宙区域。这个空间不仅具有高真空、深低温等特点，还充斥着各式各样的粒子和场。其中，能够对火工装置的性能产生影响甚至导致其失效的环境因素主要有真空环境、高低温环境、带电粒子辐照环境和原子氧环境等。

1.1 真空环境

宇宙真空是理想的洁净真空，长时间处于高真空环境中的物质可能出现材料内部物质挥发和黏着冷焊效应：（1）内部物质挥发。火工装置内可能发生物质挥发的有橡胶密封圈、密封胶、润滑脂等。这种挥发不仅可能会造成污染，还会造成材料自身变质、失去密封或润滑功能，从而影响火工装置的正常工作。（2）黏着冷焊效应。黏着冷焊效应也是较受关注的空间效应之一，如果此类效应发生在火工装置运动部件之间，会大大提高运动阻力，甚至导致机构卡死，火工装置工作失效。

1.2 高低温环境

空间环境的高真空特性决定了物质中的热量无法通过气体传导扩散。因此，火工装置经常会处于温差极大的高低温环境中。

1.2.1 长期高温环境

当火工装置受到阳光直射时，其最高温度可达约+150℃。长时间处于高温环境往往会带来金属材料力学性能下降、火药发火能量上升、火药物理化学性状变化等问题，可能导致火工装置发火时结构破坏，或发火能量不足以完成功能的情况发生。

1.2.2 长期低温环境

长时间位于阴影区的火工装置温度可降至-150℃以下。低温环境会导致非金属密封元件脆化，从而出现密封失效、火药燃气及固体颗粒泄漏的问题。同样可能导致某些火工装置因内压不够而无法正常工作，或者污染附近光学元件的情况出现。

1.2.3 高低温交变环境

对于大部分绕地球飞行的航天器上的火工装置来说，虽然一般不会长时间处于超高温和深低温的环境，但很可能经历温差100K以上的高低温交变。这种温度交变带来的内部温度应力可能导致结构微裂纹的扩展，各种非金属部件和装药的性能下降或者失去性能，从而降低火工装置壳体对高内压的承载能力。

1.3 带电粒子辐照环境

空间带电粒子源主要包括地球辐射带、太阳粒子事件以及银河宇宙射线，其产生的带电粒子辐射可能会对火工装置产生总剂量效应、表面充放电效应和内部充放电效应等。

1.3.1 总剂量效应

总剂量效应一般指通过长时间辐照后剂量的积累导致的损伤效应。这种效应可能导致火工装置内的装药失效，橡胶等高分子材料强度降低、开裂，以及绝缘材料绝缘失效等问题。常用密封材料辐射损伤阈值见表1。

表1 密封材料的辐射损伤阈值Tab.1 Radiation damage threshold value of the sealing material

1.3.2 表面充/放电效应

表面充/放电效应主要是指由太阳风和地球磁场形成的空间等离子体引起的火工装置表面静电荷积累现象，以及由于表面各处的相对电位升高到一定的量值之后，以电晕、飞弧、击穿等方式发生静电放电现象。如果发生表面放电效应，会对火工装置的可靠性与安全性产生较大威胁。

1.3.3 内部充/放电效应

内部充电效应是指大通量高能电子直接穿透火工装置外壳进入内部，在绝缘介质和孤立导体深处堆积电荷的现象。内部放电效应是指当火工装置遭受长时间、持续、高通量高能电子注入时，材料内部场强可能达到绝缘材料的击穿电压阈值，从而发生深层放电击穿绝缘材料的现象。此类现象主要可能发生于火工装置内部的绝缘橡胶处，威胁火工装置的安全性和密封性。

1.4 原子氧环境

原子氧(Atomic Oxygen，简称AO)环境是低轨最危险的环境因素之一。原子氧所引起的破坏对材料中存在的缺陷，如微裂纹等十分敏感，易于沿材料内部缺陷产生剥蚀。在原子氧的作用下，材料将受到腐蚀变薄，进而引起性能退化乃至完全失效。因此，原子氧效应的后果十分严重。对于长期在低轨运行的卫星和空间站上使用的火工装置的金属外壳，可能在原子氧的作用下形成不粘的氧化物，造成表面的逐渐侵蚀，降低其力学性能。

2 空间环境对火工装置性能影响研究现状

2.1 新型长期在轨型号火工装置研究现状

20世纪我国运载火箭的典型任务中，级间分离、星箭分离、卫星太阳翼展开以及某些天线解锁所使用的火工装置处于空间环境的时间一般都不超过24h。随着新型号新任务的发展，很多情况下需要火工装置在轨运行数月甚至数年后再发火工作完成分离动作，因而对火工装置空间环境适应性提出了更高的要求。

（1）长期低温环境：某型号火星探测器需要在运载火箭发射11个月后完成太阳翼解锁展开动作。该探测器太阳翼使用一组切割器作为解锁元件。经分析，在轨飞行11个月中，切割器长期处于阴影区，处于深冷环境中。为了模拟该环境，利用液氮使4发切割器在-180℃以下保温长达1a时间，之后该型切割器发火、正常完成切割功能，工作时间分别为2.55ms、3.05 ms、3.40 ms、2.50 ms，满足指标要求，如图1所示。

（2）原子氧环境及带电粒子辐照环境：某型号机构上使用了多个爆炸螺栓作为备份分离系统的关键部件，要求该型爆炸螺栓在飞行器低轨飞行数年时间内均能正常工作。该火工装置能否可靠工作直接关系到航天员的生命，因此对该火工装置开展了较为充分的空间环境适应性验证试验，即验证材料级原子氧环境对产品尾部胶粘剂的影响以及材料级带电粒子辐照环境对对接机构爆炸螺栓工作性能的影响。

图1 长期低温环境试验Fig.1 Low temperature test for long time

将图2所示试验件放置于原子氧环境（原子氧积分通量为3.3×1021原子数/cm2）中，记录试验前后胶粘剂质量损失数据，并根据树脂材料的质量损失和原子氧剂量之间的线性关系，计算出飞行环境下剥蚀厚度为0.753mm，满足小于4.5mm的使用要求，结果见表2。

图2 原子氧试验件Fig.2 Experimental sample of atomic oxygen

表2 胶粘剂损失情况Tab.2 Damage conditions of the adhesive

将火工装置放入带电粒子辐照环境（剂量率：42.04Gy(Si)/min，累计辐照剂量：6.75×104Gy）中，试验后外观及电性能无异常变化，发火情况见表3，均满足使用要求。

2.2 新型火工装置空间适应性研究现状

随着火工装置技术的迅速发展，很多新型火工装置陆续应用于航天型号上。新型火工装置应用的许多新材料，尤其是非金属材料的空间适应性研究是设计人员面临的新课题。

某型航天器上使用了非电传爆火工装置，要求该火工装置在轨运行数月后解锁。为了验证非电传爆系统核心部件导爆索中的多种非金属材料，尤其是非金属密封材料能否在长期处于空间环境后依然可靠传爆，并且密封良好无泄漏，对该系统开展了地面带电粒子辐照试验。在经历足够剂量的辐照（剂量率：11.06Gy（Si）/min，累计辐照剂量：2.2×105rad）后，该套系统外观及电性能无异常变化，能够正常工作，发火情况如表4所示。

表3 带电粒子辐照试验产品发火情况Tab.3 Fire conditions of the experimental sample after charged particle irradiation

表4 带电粒子辐照试验产品发火数据Tab.4 Fire data of the experimental sample after charged particle irradiation

2.3 研究现状分析

纵观我国空间环境对火工装置性能影响研究的现状，虽然多个型号都进行了不同的空间环境试验，其火工装置也都较为顺利地通过了地面试验，但依然存在着一些亟待解决的问题：（1）基础研究较为薄弱。目前只是在特定型号的特定火工装置上开展了少量的空间环境试验，无论是空间环境的损伤机理分析，还是金属/非金属材料尤其是各类药剂的空间环境适用性研究，或是空间环境损伤防护技术等还处于摸索阶段。从长远看，加强基础研究对提高空间环境中火工装置可靠性，进而提高航天器的可靠性大有裨益。（2）标准建设有待跟进。我国目前的火工装置相关标准在火工装置裕度、安全性、温度环境适应性、力学环境适应性等方面有着成熟而明确的要求，但是在空间环境适应性方面，尚无公认的设计准则、工艺规范和试验标准。不论是针对空间环境开展的火工装置设计生产，还是各个型号开展的地面验证试验，都处于无章可循而自我探索的处境。

3 火工装置空间环境适应性研究展望

在不远的将来，随着我国空间站、月球探测、行星探测器等多个型号陆续从方案论证阶段转入工程研制阶段，为其配套的火工装置的研制工作也已经被提上日程。针对当前存在的薄弱环节，火工装置的空间适应性研究将在以下几方面有所突破：空间环境中各类药剂的性能研究；非金属密封材料，尤其是适应深低温环境的密封材料的空间适应性研究；空间环境防护技术，如降低原子氧侵蚀效应的特种涂覆技术、防止冷焊效应的表面处理技术、针对带电粒子的屏蔽技术等；空间环境地面验证试验技术；火工装置标准的修订以及空间环境专门标准的制定。

可以预见，长期在轨有人照料的空间站、以探火探金为代表的深空探测以及载人登月工程都会在不远的将来呈现在世人面前，火工装置依然是这些型号空间分离的核心技术，影响着整个型号任务的成败。空间环境对火工装置性能影响的研究一定会在现有成果的基础上，进一步发展深入，并最终为火工装置在未来重大航天型号上的可靠应用提供有效的技术保障。

[1]黄本诚,主编.空间环境工程学[M].北京:宇航出版社,1993.

[2]黄本诚,马有礼.航天器空间环境试验技术[M].北京:国防工业出版社,2002.

[3]朱光武,李保全.空间环境对航天器的影响及其对策研究[J].上海航天,2002(4): 1-7.

[4]朱光武,李保全.空间环境对航天器的影响及其对策研究(续)[J].上海航天, 2002(5):9-16.