載人航天器用電連接器耐結露性能研究

2015-03-05 07:49:38楊敏慧

機電元件 2015年2期

蘇妤，張磊，楊敏慧，李楠

(1.中國空間技術研究院，北京，100094;2.鄭州航天電子技術有限公司，河南鄭州，450001)

1 引言

電連接器是為電氣終端之間提供連接與分離功能的一種元件，電連接器及其組件是航天系統工程重要的配套接口元件，分布在各個系統和部位，擔負著信號和能量的傳輸。其連接的好壞直接關系到整個系統的安全可靠運行。

載人航天器中為提供宇航員適宜的工作和生活環境，對濕度有一定的要求。但是，當相對濕度偏高時，艙內空氣在低溫區域附近容易達到露點溫度，導致水蒸氣冷凝成液態水，產生結露現象。在921一期載人飛行任務中，航天員在密封艙內分布在艙壁低溫區的電纜電連接器表面觀察到明顯的結露現象。若電連接器無防結露性能，會由于表面結露而引起絕緣性能降低或失效，從而影響整船系統工作的可靠性。因此，對載人航天器用電連接器耐結露性能進行研究十分必要。

本文選取國產兩款矩形電連接器的典型規格，進行耐結露試驗研究，分析試驗時間與絕緣電阻的變化關系;并基于現有試驗條件，通過函數預計10年后連接器絕緣電阻變化情況。

2 結露產生的原理和成因

一般情況下，空氣是由干空氣和水蒸氣組合成的混合氣體。在一定溫度下，空氣包含的水蒸氣有一個最大限量，當空氣中水蒸氣的含量達到最大值時，稱為飽和空氣。衡量空氣中水蒸氣含量多少的濕度概念包括空氣絕對濕度、含濕量、相對濕度和露點溫度。

1)空氣的絕對濕度:在單位體積空氣中含有的水蒸氣質量。

2)含濕量:1kg干空氣中有多少水蒸氣，直接反映濕空氣中水蒸氣量的增減。

3)空氣的相對濕度:指的是空氣的絕對濕度與同溫度下飽和絕對濕度的比值，常以百分數表示，直接反映一定溫度下空氣接近飽和的程度。當相對濕度為0時，空氣為干空氣，相對濕度為100%時，空氣為飽和空氣。相對濕度越大空氣越濕潤。

4)露點溫度:在空氣含濕量不變的情況下，降低空氣的溫度，其飽和絕對濕度變小，故相對濕度增加。當氣溫降低到某一溫度時，其相對濕度增至100%，空氣達到飽和狀態，此溫度稱為露點溫度。

當空氣溫度低于露點溫度時，就會發生結露現象。空氣的含濕量越大，它達到飽和狀態時溫度降低幅度就愈小，即它的露點溫度就愈高;反之，含濕量愈小，它的露點溫度也愈低［1］。

載人航天器相繼經過陰影區和光照區，密封艙內的空氣溫度隨之變化。在風機造成強迫對流不大的情況下，長時間外熱流較小的地方附近容易形成較大的溫度梯度，可能會出現空氣主體溫度較高，而低溫區域空氣降溫成為飽和濕空氣，艙內設備尤其艙壁低溫區電連接器溫度低于冷凝除濕的回路溫度，空氣在低溫設備表面附近達到露點，空氣中的水蒸氣冷凝在低溫設備表面，形成結露現象［2］。

3 試驗條件

3.1 試驗方法

根據一定溫度下濕度達到飽和而產生結露現象的原理，在參考GJB1217第1002條潮濕方法基礎上，模擬載人運輸飛船密封艙內環境條件:環境溫度為21±4℃，相對濕度大于70%。基于上述要求，確定結露試驗方法如下:

1)結露試驗箱內部維持環境溫度在21±4℃，相對濕度為91% ±2%，結露試驗箱具備溫度、濕度測量工具;

2)將待測試電纜的插頭與插座插接后，放在結露試驗箱內的冷板上，冷板溫度由液體冷源系統控制，冷板溫度控制在8℃ ～10℃范圍內。電纜另一端接到結露試驗箱外;

3)用結露試驗箱維持艙內濕度，降低冷板溫度，使電連接器保持表面結露狀態，并用濕度、溫度傳感器進行監測。

4)試驗箱周圍環境溫度要求在18℃ ～28℃范圍內，相對濕度不超過75%，防止有穿堂風和陽光射入。

5)為了考核連接器在長期工作狀態下的結露性能，試驗時間為2000h。

6)在此工況下連續進行試驗，試驗過程中，在240h、1000h、1500h和2000h按 GJB1217中3003方法測量絕緣電阻。

結露試驗連接示意圖和實物圖，如圖1和圖2所示。

圖1 結露試驗連接示意圖Fig.1 The diagram of the connection of condensation test

圖2 樣品在試驗箱中擺放實物圖Fig.2 The picture of connectors display in the test box

3.2 試驗樣品及處理

試驗樣品選取具有防結露設計的國產系列1和系列2兩款矩形連接器的典型代表品種。芯數覆蓋全型譜范圍。在試驗前，對樣品進行焊線、灌膠等工藝處理，試驗樣品及處理情況詳見表1。

表1 試驗樣品規格和處理情況統計表Table 1 The specification of connectors and treatment

4 試驗結果及分析

連接器2000h結露試驗中結露情況見圖3，試驗中和試驗后，測試絕緣電阻最小值結果統計見表2。

圖3 －1 試驗過程中結露情況Fig.3 －1 connectors＇condensation during test

圖3 －2 試驗過程中結露情況Fig.3 －2 The connectors＇condensation during test

表2 試驗后絕緣電阻最小值統計表Table 2 Connectors minimum insulation resistance after

根據測試數據，對絕緣電阻值大于10MΩ樣品數據進行統計，絕緣電阻變化趨勢見圖4。

圖4 －1 系列1:9芯連接器1000h絕緣電阻隨時間變化趨勢Fig.4 －1 Degeneration current of X1 －size 9 concoctors after 1000h test

圖4 －2 系列1:9芯連接器2000h絕緣電阻隨時間變化趨勢Fig.4 －2 Degeneration current of X1 －size 9 concoctors after 2000h test

圖4 －3 系列2:74芯連接器1000h絕緣電阻隨時間變化趨勢Fig.4 －3 Degeneration current of X2 －size74 concoctors after 1000h test

圖4 －4 系列2:74芯連接器2000h絕緣電阻隨時間變化趨勢Fig.4 －4 Degeneration current of X2 －size 74 concoctors after 2000h test

由表2和圖4可知，隨試驗時間的增長，電連接器的絕緣電阻隨之下降;下降幅度隨時間逐漸變緩;在1000h后，絕緣電阻有個別增大現象;試驗后，絕緣電阻值均大于10MΩ，滿足目前型號要求。

5 耐結露壽命預計分析

通過試驗結果可知，2000h結露試驗后電連接器絕緣電阻值大于10MΩ，滿足目前載人航天器用電連接器要求。隨著載人空間站長壽命需求的提出，對電連接器結露性能提出更高要求，為預計連接器長壽命在軌可靠性，在已有結露試驗絕緣電阻測試結果的基礎上，對數據進行分析和處理，外推試驗條件10年(87600h)后的絕緣電阻值。該分析是在已進行2000h試驗的基礎上，不考慮在軌載人環境時人為處理結露環境，可視為最惡劣情況。

通常，典型的退化趨勢擬合函數一般包括:線性函數、指數函數、對數函數、冪函數等。最小二乘法作為一種數學優化方法，可通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配。上述四種典型函數均可以線性化，且在結露試驗產生大量數據，通過最小二乘法進行線性回歸，可實現簡單準確地估計函數參數。所以，本文采用最小二乘法擬合退化曲線，并估計函數中的參數。

為了確定擬合函數，分別對每個電連接器的退化數據進行參數擬合，得到以上四種典型的函數表達式以及對應參數估計值，由于采用最小二乘法線性回歸，所以選用對應的判定系數R2評價擬合優度。R2值在0到1之間，R2越接近1表示擬合優度越好;反之，越接近0則表示擬合優度越差。通過計算，冪函數、線性函數、對數函數和指數函數的R2值分別為 0.91、0.29、0.69 和 0.76。因此，本文選取選擇冪函數為最佳退化趨勢的數學描述模型。以系列1:9芯為例，冪函數擬合退化趨勢圖見圖5。

將2000h后絕緣電阻大于10MΩ的每個樣品參數代入擬合函數，得出試驗條件下絕緣電阻和時間退化函數關系，并計算R=f(87600)，結果見表3。