载人航天器用电连接器耐结露性能研究

2015-03-05杨敏慧

机电元件 2015年2期

苏妤，张磊，杨敏慧，李楠

(1.中国空间技术研究院，北京，100094;2.郑州航天电子技术有限公司，河南郑州，450001)

1 引言

电连接器是为电气终端之间提供连接与分离功能的一种元件，电连接器及其组件是航天系统工程重要的配套接口元件，分布在各个系统和部位，担负着信号和能量的传输。其连接的好坏直接关系到整个系统的安全可靠运行。

载人航天器中为提供宇航员适宜的工作和生活环境，对湿度有一定的要求。但是，当相对湿度偏高时，舱内空气在低温区域附近容易达到露点温度，导致水蒸气冷凝成液态水，产生结露现象。在921一期载人飞行任务中，航天员在密封舱内分布在舱壁低温区的电缆电连接器表面观察到明显的结露现象。若电连接器无防结露性能，会由于表面结露而引起绝缘性能降低或失效，从而影响整船系统工作的可靠性。因此，对载人航天器用电连接器耐结露性能进行研究十分必要。

本文选取国产两款矩形电连接器的典型规格，进行耐结露试验研究，分析试验时间与绝缘电阻的变化关系;并基于现有试验条件，通过函数预计10年后连接器绝缘电阻变化情况。

2 结露产生的原理和成因

一般情况下，空气是由干空气和水蒸气组合成的混合气体。在一定温度下，空气包含的水蒸气有一个最大限量，当空气中水蒸气的含量达到最大值时，称为饱和空气。衡量空气中水蒸气含量多少的湿度概念包括空气绝对湿度、含湿量、相对湿度和露点温度。

1)空气的绝对湿度:在单位体积空气中含有的水蒸气质量。

2)含湿量:1kg干空气中有多少水蒸气，直接反映湿空气中水蒸气量的增减。

3)空气的相对湿度:指的是空气的绝对湿度与同温度下饱和绝对湿度的比值，常以百分数表示，直接反映一定温度下空气接近饱和的程度。当相对湿度为0时，空气为干空气，相对湿度为100%时，空气为饱和空气。相对湿度越大空气越湿润。

4)露点温度:在空气含湿量不变的情况下，降低空气的温度，其饱和绝对湿度变小，故相对湿度增加。当气温降低到某一温度时，其相对湿度增至100%，空气达到饱和状态，此温度称为露点温度。

当空气温度低于露点温度时，就会发生结露现象。空气的含湿量越大，它达到饱和状态时温度降低幅度就愈小，即它的露点温度就愈高;反之，含湿量愈小，它的露点温度也愈低［1］。

载人航天器相继经过阴影区和光照区，密封舱内的空气温度随之变化。在风机造成强迫对流不大的情况下，长时间外热流较小的地方附近容易形成较大的温度梯度，可能会出现空气主体温度较高，而低温区域空气降温成为饱和湿空气，舱内设备尤其舱壁低温区电连接器温度低于冷凝除湿的回路温度，空气在低温设备表面附近达到露点，空气中的水蒸气冷凝在低温设备表面，形成结露现象［2］。

3 试验条件

3.1 试验方法

根据一定温度下湿度达到饱和而产生结露现象的原理，在参考GJB1217第1002条潮湿方法基础上，模拟载人运输飞船密封舱内环境条件:环境温度为21±4℃，相对湿度大于70%。基于上述要求，确定结露试验方法如下:

1)结露试验箱内部维持环境温度在21±4℃，相对湿度为91% ±2%，结露试验箱具备温度、湿度测量工具;

2)将待测试电缆的插头与插座插接后，放在结露试验箱内的冷板上，冷板温度由液体冷源系统控制，冷板温度控制在8℃ ～10℃范围内。电缆另一端接到结露试验箱外;

3)用结露试验箱维持舱内湿度，降低冷板温度，使电连接器保持表面结露状态，并用湿度、温度传感器进行监测。

4)试验箱周围环境温度要求在18℃ ～28℃范围内，相对湿度不超过75%，防止有穿堂风和阳光射入。

5)为了考核连接器在长期工作状态下的结露性能，试验时间为2000h。

6)在此工况下连续进行试验，试验过程中，在240h、1000h、1500h和2000h按 GJB1217中3003方法测量绝缘电阻。

结露试验连接示意图和实物图，如图1和图2所示。

图1 结露试验连接示意图Fig.1 The diagram of the connection of condensation test

图2 样品在试验箱中摆放实物图Fig.2 The picture of connectors display in the test box

3.2 试验样品及处理

试验样品选取具有防结露设计的国产系列1和系列2两款矩形连接器的典型代表品种。芯数覆盖全型谱范围。在试验前，对样品进行焊线、灌胶等工艺处理，试验样品及处理情况详见表1。

表1 试验样品规格和处理情况统计表Table 1 The specification of connectors and treatment

4 试验结果及分析

连接器2000h结露试验中结露情况见图3，试验中和试验后，测试绝缘电阻最小值结果统计见表2。

图3 －1 试验过程中结露情况Fig.3 －1 connectors＇condensation during test

图3 －2 试验过程中结露情况Fig.3 －2 The connectors＇condensation during test

表2 试验后绝缘电阻最小值统计表Table 2 Connectors minimum insulation resistance after

根据测试数据，对绝缘电阻值大于10MΩ样品数据进行统计，绝缘电阻变化趋势见图4。

图4 －1 系列1:9芯连接器1000h绝缘电阻随时间变化趋势Fig.4 －1 Degeneration current of X1 －size 9 concoctors after 1000h test

图4 －2 系列1:9芯连接器2000h绝缘电阻随时间变化趋势Fig.4 －2 Degeneration current of X1 －size 9 concoctors after 2000h test

图4 －3 系列2:74芯连接器1000h绝缘电阻随时间变化趋势Fig.4 －3 Degeneration current of X2 －size74 concoctors after 1000h test

图4 －4 系列2:74芯连接器2000h绝缘电阻随时间变化趋势Fig.4 －4 Degeneration current of X2 －size 74 concoctors after 2000h test

由表2和图4可知，随试验时间的增长，电连接器的绝缘电阻随之下降;下降幅度随时间逐渐变缓;在1000h后，绝缘电阻有个别增大现象;试验后，绝缘电阻值均大于10MΩ，满足目前型号要求。

5 耐结露寿命预计分析

通过试验结果可知，2000h结露试验后电连接器绝缘电阻值大于10MΩ，满足目前载人航天器用电连接器要求。随着载人空间站长寿命需求的提出，对电连接器结露性能提出更高要求，为预计连接器长寿命在轨可靠性，在已有结露试验绝缘电阻测试结果的基础上，对数据进行分析和处理，外推试验条件10年(87600h)后的绝缘电阻值。该分析是在已进行2000h试验的基础上，不考虑在轨载人环境时人为处理结露环境，可视为最恶劣情况。

通常，典型的退化趋势拟合函数一般包括:线性函数、指数函数、对数函数、幂函数等。最小二乘法作为一种数学优化方法，可通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。上述四种典型函数均可以线性化，且在结露试验产生大量数据，通过最小二乘法进行线性回归，可实现简单准确地估计函数参数。所以，本文采用最小二乘法拟合退化曲线，并估计函数中的参数。

为了确定拟合函数，分别对每个电连接器的退化数据进行参数拟合，得到以上四种典型的函数表达式以及对应参数估计值，由于采用最小二乘法线性回归，所以选用对应的判定系数R2评价拟合优度。R2值在0到1之间，R2越接近1表示拟合优度越好;反之，越接近0则表示拟合优度越差。通过计算，幂函数、线性函数、对数函数和指数函数的R2值分别为 0.91、0.29、0.69 和 0.76。因此，本文选取选择幂函数为最佳退化趋势的数学描述模型。以系列1:9芯为例，幂函数拟合退化趋势图见图5。

将2000h后绝缘电阻大于10MΩ的每个样品参数代入拟合函数，得出试验条件下绝缘电阻和时间退化函数关系，并计算R=f(87600)，结果见表3。