导电滑环热真空试验污染物抑制方法试验研究

2020-09-10刘钰程建祁松松张延顺张珩蔡平徐豪施英莹

环境技术 2020年4期

刘钰，程建，祁松松，张延顺，张珩，蔡平，徐豪，施英莹

（1.上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245； 2.上海卫星装备研究所，上海 200245）

引言

导电滑环是航天领域飞行器的电传输装置，用以实现两个相对转动体之间功率传输和信号传递，在目前国内外军用和高端民用行业中广泛应用于各类有效载荷驱动装置。图1为某型号空间导电滑环在卫星中的应用。

作为一种需要长期在轨运行的空间活动部件，其可靠性和工作寿命关系到飞行器在轨飞行任务的成败，是各种航天器上少数几个单点失效装置之一。由于空间环境下用以连接滑环单机所用的电缆塑料绝缘层、导热硅脂、硅橡胶等非金属材料体内或表面成分会发生分解、扩散释放继而脱离表面，这些挥发物在实际太空的极限低温环境下会直接散逸，不会沉积在盘片表面，不会对产品性能造成直接影响；然而在导电滑环上星前需要完成的地面模拟环境试验中，热真空试验高温和低温环境交替变化，且需要全程长时间持续通电测试，测试电缆在高温和通电环境的双重施加下其可凝挥发物会沉积于盘片表面可直接造成导电滑环电压降出现断点和电噪声指标恶化，进而直接影响到滑环在太空中的可靠性和工作寿命。实际已多次出现滑环在真空试验中受到可凝挥发物污染的问题。

图1 某型号空间导电滑环在卫星中的应用

因此，如何构建太空下的散逸环境，即：有效抑制导电滑环在热真空试验时可凝挥发物（Volatile condensable materials，VCM）的累积，成为亟待解决的问题。

1 原有试验设备构造及污染物产生过程

传统热真空试验设备主要由真空抽气系统、温度施加系统、测控系统组成。本文中的温度施加系统由热沉和加热笼组成，热沉由多级复叠制冷系统提供低温环境，加热笼由可程式加热电源提供热环境，见图2。

导电滑环在进行热真空试验时，电缆塑料绝缘层、导热硅脂、硅橡胶等在真空度优于6.65×10-3Pa下发生分解、扩散释放继而脱离表面，随着低温和高温交变试验过程的推进，低温时可凝挥发物VCM一部分吸附在热沉低温表面，一部分累积附着于滑环盘片表面，形成污染物，高温时污染物又从热沉和滑环盘片表面解吸，扩散于罐内空间，随着温度的交变重复解吸和吸附过程。同时，解吸和吸附过程会随着时间而衰减，有研究表明非金属材料87 %的出气量在试验前6 h完成[1]，前人在某卫星大型反射面天线热真空试验中测定12 h后材料出气量明显减弱[2]。同样，NASA研究表明，8 h后材料出气量趋于饱和[3]。

图2 原有试验设备系统组成示意图

2 防污染冷屏工作原理及其硬件结构

太空散逸条件最重要的是低温空间（4 k），在极限低温环境下污染物VCM会迅速散逸，而原有试验设备受限于需构建导电滑环产品的高低温交变试验条件，无法有效构成污染物散逸条件，即：当产品高温试验工况时，热沉温度随之升高，空间冷背景削弱，此时VCM散逸条件受到破坏。

因此利用低温吸附原理，在原有试验设备基础上增加一个独立控温的低温冷屏，并确保试验过程中冷屏表面温度始终低于导电滑环和热沉，及时吸附VCM，其作用是防污染，其安装结构如图3。防污染冷屏安装在产品安装平台与封头热沉之间，冷屏平行于封头热沉，通过支撑架固定在导轨上，通过容器右侧的法兰把冷却管路引出。

图3 防污染冷屏安装图

综合考虑热辐射对产品的影响以及现有设备的安装空间等，冷屏主要包括冷屏本体结构、防辐射屏、百叶窗挡板、支撑架等。如图4所示。

冷屏直径为φ600 mm，主体结构采用紫铜板+紫铜管焊接而成，表面设置活性炭，提高吸附效果。冷屏侧面设置屏蔽罩，同时在冷屏背面设置防辐射屏，以减少热沉对冷屏的热辐射。冷屏前方设置可拆卸的百叶窗挡板用于减少冷屏低温辐射对产品温度的影响，百叶窗挡板采用抛光不锈钢片焊接在骨架上。

图4 防污染冷屏主体结构示意图

3 防污染性能验证试验

NASA的哥达德空间飞行中心曾经利用石英晶体微量天平、残余气体分析器、气相色谱质谱连用仪（GC/MS）以及傅立叶红外分光光度计（FTIR）对卫星热真空试验污染物VCM成分进行定性定量分析[4]；韩国的KARI利用气相色谱质谱连用仪GC/MS技术分析了KAISTAT-4 FM烘烤试验过程中的污染物VCM成分[5]。国内进行的污染物成分分析较少，中国空间技术研究院总装与环境工程部曾利用色质谱方法检测卫星真空热试验污染物成分[6]。本文采用石英晶体微量天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）进行VCM的定量测试。

石英晶体微量天平由采用石英晶体的压电效应原理制成。晶体的两侧镀有电极，当给两侧表面加电压时，晶体内部的垂直方向会发生形变，当电压撤离后，晶体内部的形变恢复，会在晶体两侧表面产生电压。这样形成的电压，通过外接激励放大电路，就形成了振荡回路，回路的振荡频率与晶体的特性（如：密度、声速）和表面附着污染物的质量有关。通过监测这个振荡频率就能获得晶体表面污染物沉积量的大小[7]。其灵敏度可达纳克级，能够实现相当于单分子层的质量检测[8,9]。

采用上海卫星装备研究所出产的型号为SQCM-1的石英晶体微量天平，质量范围4.42×10-8g/cm2～4.42×10-4g/cm2，测量分辨率为4.42×10-9g/cm2，质量灵敏度2.26×108Hz/（g/cm2），对设备加装防污染冷屏前后VCM抑制效果进行测定。

将石英晶体微量天平探头（1#～3#）安装在真空罐内延轴向均匀分布，见图5，以监测热真空试验期间VCM的变化。

图5 石英晶体微量天平（QCM）安装图

测量结果表明：升温阶段前期随着温度的上升，污染物VCM随之增加，其中无冷屏结构的污染物增量大于加装冷屏后的增量，且污染物在罐内分布较为均匀，表现为轴向分布差异小；而加装冷屏后污染物增量显著下降，且污染物在罐内的分布为越接近冷屏增量越小，说明加装冷屏后污染物得到了有效的控制。在升温结束后污染物VCM趋于稳定，加装冷屏后污染物总量在10-7g/cm-2～10-6g/cm-2（见图6升温阶段L1#～L3#），基本满足试验要求10-7g/cm-2指标，且较之未改造前污染物总量（见图6升温阶段1#～3#）下降了1～2个数量级。降温阶段前期随着温度的下降，污染物VCM继续累积增加，但总体趋势明显优于升温阶段（见图6 b），在降温结束后，加装冷屏后污染物VCM稳定在10-8g/cm-2～10-7g/cm-2（见图6降温阶段L1#～L3#），满足试验指标，这也符合低温吸附原理。