存在金属磨屑的空间盘式滑环真空电弧放电试验研究

沈 亮，王学强，王艳芬，经贵如，李长江

（上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

0 引言

滑环是一种实现旋转部分和固定部分之间电流、信号传输的装置，广泛应用于航天器太阳电池阵驱动机构，是航天器系统能源供给和信号传输的关键通道[1-2]，其失效将对航天器造成灾难性后果[2]。

由于滑环内部为环、刷滑动接触，在工作过程中产生磨屑是不可避免的。目前，对滑环磨屑产生的影响因素、磨屑的粒径、形貌、产生规律及特征有较多研究[3-8]，王华庆等[9]曾对磨屑颗粒在空间微重力及电磁场环境下可能的运动迁移规律进行仿真研究。但是磨屑的存在对滑环最大的威胁是增大了真空电弧放电的风险，放电会给滑环造成致命故障，进而威胁航天器在轨寿命，目前针对该方面的研究较少。

为此，本课题对存在磨屑的空间盘式滑环真空电弧放电进行试验研究，验证磨屑和电压对滑环真空电弧放电的影响，得出真空电弧放电的特征参数，模拟在轨真空电弧放电对滑环的破坏后果，并提出预防空间滑环真空电弧放电的改进思路。

1 滑环真空电弧放电机理

真空电弧通常指的是金属蒸气中的电弧放电，真空环境中没有气体分子，放电燃烧通过不断熔化和蒸发的金属蒸气得以维持，因此真空电弧也被称为金属蒸气电弧。

典型的盘式滑环结构如图1 所示。工作时，电刷触头一直与汇流盘上的导电环道发生滑动接触，将不可避免地产生金属磨屑（主要成分为金、铜等），并可能积聚在相邻焊点之间或焊点与环道之间。

图 1 盘式滑环结构示意Fig. 1 Schematic view of the disc slip ring

金属磨屑如果在滑环内部焊点间、环道与焊点之间搭接，会形成短路通道。电流经过磨屑时释放的大量能量使得金属磨屑汽化形成金属蒸气，并在电场作用下电离成等离子体；等离子体畸变电场最终使得阴极产生场致发射，从而发展成自持的真空电弧。在空间失重环境中，电极间的磨屑处于失重悬浮状态，更易形成电弧。

电弧放电产生的局部高温会造成烧蚀，严重情况下会破坏滑环绝缘，造成相邻焊点之间、焊点与环道间出现短路或低阻抗通路，同时也可能造成焊点处出现高阻抗开路，从而影响滑环的电传输功能。

2 真空电弧放电试验设计

盘片真空电弧放电试验电路如图2 所示。试品间隙串联在主回路中，当间隙未导通时，间隙两端电压与电源输出电压一致；当间隙发生导通时，间隙上流过的电流由电源的输出电流来决定，整个回路通过空气开关来控制通断。试验所用的电源为直流稳压稳流电源，为防止试品间隙的导通引起直流电源的正负极短路，在回路中串联1 个3 Ω 电阻。

图 2 真空电弧放电试验电路Fig. 2 Test circuit of vacuum arc discharge

真空电弧放电试验系统主要由直流电源、真空系统和测量系统组成，如图3 所示。

图 3 真空电弧放电试验系统组成示意Fig. 3 Schematic diagram of the vacuum arc discharge test system

目前主流航天器对滑环的传输要求是单环传输电流5 A、电压60 V；同时，根据太阳电池阵真空电弧放电的研究经验，当电流为5 A 时，35 V 电压是引起真空电弧放电的临界值，因此本试验确定的条件为：真空条件下，分别在相邻焊点之间、焊点与内环道之间通5 A 电流，并保证两极之间存在60 V、34 V 的电压差，研究存在金属磨屑的条件下，滑环的真空电弧放电特性。

3 试验结果分析

3.1 相邻焊点之间电弧放电试验

将磨屑撒在试品上相邻焊点之间，使得相邻焊点之间由无磨屑时的绝缘状态变为导通，构成“搭桥”状态，如图4 所示。

图 4 相邻焊点间存在磨屑的试品Fig. 4 Test product with wear debris between adjacent solder joints

将试品放入真空腔内进行试验，并记录试验过程数据，如图5 所示。由试验结果可知：60 V 电源开关触发后，相邻焊点之间的电压上升，当电压达到20 V 时，焊点之间开始燃起电弧；在整个电弧持续期间，弧道电压约20 V，电流由电源限制在5 A。真空电弧的产生和维持需要一定的弧道电压与流过弧道的电流，根据P=UI可以计算出电弧功率约为100 W，电弧持续时间约1.28 s。电弧熄灭后，相邻焊点烧蚀严重，电极附近绝缘碳化，但没有损伤电极间的整体绝缘，因此电压恢复到电源电压。

图 5 相邻焊点间电弧放电试验结果Fig. 5 Test results for arc discharge between adjacent solder joints

试验后的试品表面如图6 所示，可以看出：相邻焊点之间出现了非常明显的烧蚀痕迹，在其附近区域也出现了明显的烧蚀痕迹；焊点之间的磨屑已被烧蚀。

图 6 相邻焊点间电弧放电试验后的试品表面形态Fig. 6 Appearance of test product after arc discharge between adjacent solder joints

按上述试验状态，将电源输出电压降至34 V进行电弧放电试验。当开关触发后，电流信号出现了1 个短时间的脉冲，同时电压信号在上升的过程中也出现了短时间的振荡，电流与电压信号表明：当开关触发后，在试品表面的相邻焊点之间出现了放电现象，但其持续时间很短且并未产生电弧放电；整个放电过程持续了9.6 ms 左右，随后试品表面恢复了绝缘状态，电流信号降为0 而电压信号继续上升至电源输出电压。从试验前、后试品的表面状态对比可知，试品表面原本堆积在焊点之间的金属磨屑在放电过程中并未被烧蚀掉。

3.2 焊点与环道之间电弧放电试验

将磨屑撒在试品的内环道与焊点之间，如图7所示。

图 7 焊点和内环道间存在磨屑的试品Fig. 7 Test product with wear debris between solder joints and inner ring

将试品放入真空腔内并开展试验，记录整个试验过程数据，如图8 所示。由试验结果可知：60 V电源开关触发后，内环道与焊点之间出现电弧，电弧电压并不稳定，弧道平均电压约为32 V，电流保持在5 A。因此可以计算出电弧的功率约为160 W，放电时间持续了1.36 s。放电过程中，弧道电压出现了多次振荡，表明电弧多次熄灭又重新燃起，并且电弧的位置也发生了改变。

图 8 焊点和内环道间电弧放电试验结果Fig. 8 Test results for arc discharge between solder joints and inner ring

图9 为试验后的试品表面，可以看出：试品表面的烧蚀痕迹非常明显，并且相比于相邻焊点之间放电试验的烧蚀面积扩大了很多，甚至扩散到最外层的环道，与焊点相连的导线也被连根烧断。结合试验数据，推测是由于电弧产生的高温导致连接焊点与导线之间的焊锡被熔化，使得导线移位，从而造成焊点与内环道之间的电弧熄灭；而且随着导线位置的改变，在其他区域重新产生了电弧，造成试品被大面积烧蚀。因此在实际运行中，电弧不仅会对其附近区域造成损害，还有可能致使其他区域短路。

图 9 焊点和内环道间放电试验后的试品表面形态Fig. 9 Appearance of test product after arc discharge between solder joints and inner ring

试验完成后，试品焊点和环道之间的绝缘破坏严重，焊点和环道之间电阻测量结果显示，阻抗已经降到3.5 Ω。

按上述试验状态，将电源电压调至34 V 进行焊点与内环道之间的真空电弧放电试验。当开关触发后，在焊点与内环道之间产生了短时间的放电现象，但并未出现持续性电弧放电。

3.3 试验小结

在60 V 电压下对试品进行的4 次试验均发生了电弧放电，对焊点和盘面烧蚀严重。对上述试验的电弧特性进行分析总结，如表1 所示。从表中可以看到，维持电弧发展所需的弧道电压在20～32 V之间，电弧持续时间达0.80～1.36 s。

表 1 真空放电试验的电弧特性Table 1 Arc parameters drawn from the vacuum discharge test

由存在磨屑条件下的盘式滑环真空电弧放电试验结果可知：当电压较低（如施加34 V 电压）时，会出现ms 级的非持续性放电，产生的电压不足以维持试品出现持续性电弧，放电后电极之间又恢复了绝缘状态；当电压升至60 V 时，容易发生持续性的电弧放电，高温导致焊锡熔融，导线在焊点处出现脱焊或开焊状态，严重时甚至烧毁环道。

盘式滑环真空电弧放电会破坏盘片绝缘，造成相邻焊点之间、焊点和环道间的短路或开路。在轨实际工作中，磨屑情况往往更加复杂，磨屑量、磨屑形状、失重环境、密闭腔体都会对电弧放电带来影响，其电弧破坏性可能会更强。

4 盘式滑环防电弧放电设计

针对空间滑环的可靠性设计通常从绝缘材料的选用、冗余设计、降额设计等方面考虑[10-12]。从本试验结果可知，磨屑和电压差是滑环发生真空电弧放电的关键因素，因此为防止在轨出现真空电弧放电可采取的措施包括：

1）减少滑环磨屑：改善盘式滑环上环道与电刷之间的接触状态，包括优化设计盘片表面镀层的硬度、厚度及粗糙度；增加滑环真空烘烤、充分跑合等工艺和环节。

2）降低电压差（尽量降到34 V 以下）：改进盘式滑环的设计和使用状态，盘片同一表面的所有环道均按同一极性进行排布，并且相邻环道尽量降低电压差；相邻盘片的相对工作面也应采用同一极性；正、负焊点分开排布，保证安全距离；同时消除焊点上的毛刺和尖端，并在表面涂三防漆绝缘；最大程度降低相邻环道、相邻焊点以及焊点与内环滑道之间的电压差，保证压差在34 V 以内。

5 结束语

本研究分别在60 V 和34 V 电压下完成了空间盘式滑环焊点之间、焊点与内环道之间存在磨屑时的真空电弧放电试验，发现在60 V 电压下均发生了严重的电弧放电，而在34 V 电压下只有短时间的放电，未出现持续性电弧放电，验证了磨屑和电压是滑环真空电弧放电的关键因素；通过地面试验模拟了在轨真空电弧放电对滑环的破坏性，表明真空电弧放电会造成滑环内部大面积烧蚀，破坏产品绝缘性能，影响航天器在轨能源传输。

根据试验情况，从设计和使用方面提出了预防空间盘式滑环预防真空电弧放电的改进思路，即通过减少磨屑、降低相邻环道、相邻焊点以及焊点和内环道之间的电压差，从根本上防止滑环发生真空电弧放电。