針對海南文昌發射場的載人航天器鹽霧效應試驗及防護方法

霍佳婧，雷劍宇，劉 元

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

針對海南文昌發射場的載人航天器鹽霧效應試驗及防護方法

霍佳婧，雷劍宇，劉 元

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

空間站工程大噸位載人航天器均在海南文昌發射場發射，面臨鹽霧效應這個新的環境要素。文章針對海南文昌發射場鹽霧環境對載人航天器的影響開展分析和驗證工作，研究文昌發射場鹽霧水平，分析鹽霧效應產生機理和常規鹽霧模擬試驗方法，針對載人航天器測發流程特點提出主動鹽霧防護與鹽霧效應摸底試驗相結合的工程方法。基于鹽霧效應機理總結提出的鹽霧效應篩查表格可指導開展沿海地區發射航天器的鹽霧防護設計和敏感因素篩查。

載人航天器；海南文昌發射場；鹽霧環境；鹽霧效應；試驗方法

0 引言

鹽霧是海洋大氣的顯著特點之一，它是由海浪的互相沖擊和海浪拍擊海岸而騰起的浪花、水沫在氣流作用下被粉碎而形成極微小的液滴顆粒，向沿海空間飄散、彌漫形成的。在氣流作用下，其高度可達2000多米高空，范圍可擴散至距海岸數千米乃至數百千米處。大氣中的鹽霧成分與海水相似，對設備起腐蝕作用的主要是其中大量的氯離子。鹽霧中的 Clˉ是吸附性和穿透力很強的活潑離子，具有較小的離子半徑（只有1.81×10-10m），與金屬接觸時具有很強的穿透本領。因此鹽霧是強電解質，能加速電極反應使陽極活化，加速腐蝕。另外，鹽堿地區形成的鹽塵霧也會對設備產生與鹽霧類似的影響。

我國空間站工程的大噸位載人航天器均在海南文昌發射場發射，面臨鹽霧效應這個新的環境要素。本研究針對發射場鹽霧環境對載人航天器的影響開展分析和驗證，調研文昌發射場鹽霧水平及常規鹽霧模擬試驗方法，分析鹽霧效應的產生機理，并針對載人航天器工作環境特點提出主動鹽霧防護加鹽霧效應摸底試驗的工程方法，旨在解決發射場鹽霧效應影響問題。

1 海南文昌發射場鹽霧環境

鹽霧環境條件一般采用鹽霧含量和鹽霧沉降率表征。鹽霧含量指單位體積大氣中的含鹽量，用mg/m3表示；鹽霧沉降率是指大氣鹽霧在規定面積上單位時間的自由沉降量，用 mg/(80 m2·h)或mg/(m2·d)表示[1]。

空氣中鹽霧含量與降水情況、離海距離、海岸地貌情況有關。離海洋越近的大氣，其含鹽量越高（如圖1所示）。依據GB/T 24513.1—2009《金屬和合金的腐蝕 室內大氣低腐蝕性分類》，國內不同地區的Clˉ含量在0.000 1～0.2 mg/m3。可查檢測數據顯示，文昌地區空氣中 Clˉ含量為 0.056～0.225 mg/m3，在全國居于較高水平；HCl含量為0.008～0.077 mg/m3。由于濕度大可加劇鹽霧效應，而文昌地區年平均濕度在86%以上，部分月份可達100%，所以鹽霧環境是必須考慮的環境要素之一。

圖1 氯離子濃度與距海岸線遠近的關系Fig. 1 The relationship between the concentration of chloride ion and the distance from the coastline

2 鹽霧效應分析

根據產生的機理不同，鹽霧主要能夠引發以下3種效應。

2.1 腐蝕效應

腐蝕效應包含以下3類：

1）電化學反應造成腐蝕；

2）由于水中鹽電離形成酸堿溶液引起腐蝕；

3）不同金屬間存在電位差，在鹽溶液的強電解質環境下發生化學反應，造成腐蝕，而濕度環境將增加電化學反應陰極水分的供給，故而可加速化學成分對設備的腐蝕[2]。

2.2 電氣效應

電氣效應包含以下2類：

1）產生導電的覆蓋層；

2）絕緣材料及金屬腐蝕。

近年來有人對集成電路、雷達天線罩等產品受鹽霧影響進行了研究[3-5]，結果表明：鹽霧可使集成電路因電化學反應導致腐蝕物生成，進而破壞電路的表面和性能，且該效應與材料及密封性有一定關系：塑料封裝和玻璃封裝只有引線受腐蝕影響，陶瓷封裝受腐蝕影響較大；鹽霧明顯增大天線罩對雷達波的反射，降低罩壁投射，會形成雷達盲區。

2.3 物理效應

物理效應包含以下2類：

1）機械部件及組合件活動部分的阻塞或卡死；

2）由于電解作用導致漆層起泡。

鹽霧試驗曾暴露過有機涂層與基底金屬結合力差，造成表面起泡、脫落的現象，也曾出現過設備之間的接合處由于鹽霧腐蝕而卡死的事例，影響了設備的功能和性能[6]。

3 常規鹽霧試驗方法及其局限性

常規的鹽霧試驗可分為自然環境試驗和試驗室環境試驗。

自然環境試驗可在戶外、庫房、海洋平臺等進行，其中戶外試驗綜合了太陽輻射、濕度的影響；庫房內可模擬設備的真實存儲狀態；自然環境考核設備、試樣對真實鹽霧環境的耐受能力，可以反映設備儲存、運輸、使用的真實狀態，但耗時長，且受自然與現場環境條件變化影響，試驗可重復性和規律性差。自然環境試驗設計中，試驗持續時間和評估方法為關鍵，一般來講，試樣要按照真實服役時間或加嚴考核，評估方法需要用戶根據功能、性能單獨設計。常用評價標準有GB 1766—2008[7]、ENISO 102891999[8]、ISO 4628-2003[9]、 ASTM D610-2008[10]及 ASTM D1654-2008[11]等。

實驗室環境試驗一般參照標準執行，根據需求制定循環次數。實驗室鹽霧試驗的主要作用是材料、器件耐受能力對比篩選；試驗條件可參考GJB 150.11—1986[12]，QJ 1238.7—1987[13]、GJB 1217—1991[14]、MIL-STD-810G[15]、GB/T 1771—2007[16]等進行；試驗方法分為中性鹽霧試驗、醋酸鹽霧試驗、銅加醋酸鹽霧試驗、交變鹽霧試驗。其中，中性鹽霧試驗模擬環境條件類似于沿海地區大氣環境，試驗可揭示元器件鍍層存在的缺陷及不符合質量要求的工藝處理。

考慮到載人飛船返回艙有著陸于海上的可能性，故對艙內外在返回后仍需工作的產品均開展了試驗箱鹽霧試驗考核，方法為中性鹽霧試驗，積累了機電設備耐受鹽霧環境的能力數據。但根據當時經驗，試驗箱鹽霧試驗需要在設備上噴淋鹽溶液，極易造成設備表面鹽霧沉淀。

與導彈、艦船、飛機等直接暴露且多次應用于鹽霧自然環境中的裝備不同，運載上面級類的航天器在測發流程中的大部分時間置于有環境控制的廠房，因此其鹽霧環境水平與廠房環境控制能力、航天器測發流程設計等因素均相關。一方面，鹽霧效應為溫度、濕度、鹽霧的綜合結果，統籌考慮廠房環控和航天器測發流程后的鹽霧環境水平與試驗箱鹽霧試驗的水平（加速關系）尚無準確的換算關系，折合出合適的試驗箱鹽霧試驗量級較為困難，可能造成對設備考核過嚴或投入不必要的試驗經費；另一方面，盡管試驗箱鹽霧試驗可快速發現材料工藝的設計缺陷，但部分缺陷很難通過試驗箱鹽霧試驗直接暴露，因為自然環境中的溫度、降塵、濕度、鹽霧耦合效應很難模擬。

4 載人航天器鹽霧效應試驗及防護新方法

海南文昌發射場發射的載人航天器會經歷海運、發射場總裝、測試、轉運、塔架停放等各類工況。在此期間通過廠房環境控制、航天器主動防鹽霧設計、敏感設備局部防護等主動防護手段，可達到阻斷鹽霧效應的目的。

基于對試驗箱鹽霧試驗局限性的考慮，以及對載人航天器測發流程及停留時間的評估，作者提出了采取主動防護設計和利用首次在海南文昌發射場發射的貨運飛船為試驗對象，借助合練開展真實環境存放摸底試驗的手段（而不采用試驗箱鹽霧試驗的方案，以規避設備鹽霧防護過設計），研究發射場鹽霧環境對航天器產品的影響。

4.1 鹽霧效應防護方案

基于研制流程的分析，載人航天器采取的主要防護措施有：

1）對發射場廠房、工作間提出潔凈度、溫度、濕度控制指標要求及監測要求，其中廠房潔凈度優于1萬級，溫度(20±5) ℃，相對濕度保持40%左右。

2）艙外設備的保護罩在載人航天二期用保護罩基礎上加放干燥劑除濕。3）高溫隔熱屏、熱控材料采用塑料保護膜保護。4）電纜與設備插合后，對縫隙涂膠密封；外露接插件采用3M膠帶密封。

5）艙外接插件全部選用防潮接插件。

6）轉運過程中，航天器穿船衣，艙外設備全部加裝保護罩。

據考，五色養生蔬菜湯源于日本，發明者是一名叫立石和的博士，他著書立說，出版了《元租蔬菜湯強健法》。書中詳細記載了五色蔬菜湯的好處及熬煮法。這個配方在民間流傳開后，許多注重飲食健康的家庭主婦，更是把五色蔬菜湯“發揚光大”。就連一些企業采用了低溫脫水技術，制作成的專門用于沖泡的五色蔬菜湯快餐食品，在市場上，受到了人們的歡迎。

4.2 存放摸底試驗方法

結合前述鹽霧效應機理，設計出載人航天器真實環境存放試驗的典型試件識別方法，形成鹽霧效應篩查表格（見表 1），可直接用于沿海發射航天器鹽霧敏感因素篩查。通過此表，識別出整船對鹽霧敏感的材料、工藝、設備，對篩選出的包含敏感要素的設備制作試驗件，試驗方法為合練期間試驗件隨航天器工作流程同步存放，即：航天器在總裝廠房，試驗件存放于總裝廠房；航天器轉運，試驗件隨轉運車按同樣條件一起轉運；航天器在加注廠房，試驗件存放于加注廠房；航天器停放于發射塔架，試驗件存放于發射塔架同樣環境下；依此類推。由于此存放試驗典型試件識別方法幾乎涵蓋了航天器上所有常用的器件、材料和工藝，所以試驗結果也可供其他航天器產品參考借鑒。

表1 鹽霧效應篩查表格Table 1 Salt fog effect screening form

4.3 摸底試驗結果

按照表1所述，共選取參試試驗件包括典型的8類共計62個試驗件（部分如圖2所示）：

1）5A06、2A12、2219、5B70、5A90、TC4、蜂窩板（鋁蒙皮、碳蒙皮）、鎂合金、鑄鋁及不銹鋼（1Cr18Ni）；

2）E51-M黑漆（基材為2A12），E51-M黑漆（基材為5A90），ERB-2B黑漆（基材為2A12），ERB-2B黑漆（基材為5A90），KS-Z白漆（基材為2A12），KS-Z白漆（基材為5A90）；

3）各類姿態測量敏感器光學鏡片；

4）攝像機鏡頭；

5）裝船同批次高頻電纜、低頻電纜；

6）太陽電池片、涂覆二硫化鉬的關節軸承；

7）若干推進閥門、浮動斷接器；

圖2 部分鹽霧試驗件示意Fig. 2 Part of the products in salt spray test

鹽霧試驗件與貨運飛船同時進入海南發射場總裝廠房，隨整船按合練技術流程，在總裝廠房、加注扣罩廠房、垂直總裝測試廠房及塔架存放和轉運。塔架測試結束后，鹽霧試驗件由提供方取走返回北京地區后對試驗件功能和性能進行測試比對。試驗件共計在溫濕度潔凈度控制的廠房中停留49天（潔凈度1萬級以上，濕度40%左右），在非潔凈廠房停留 15天（無潔凈度要求，濕度70%～80%）。試驗件的功能性能比對測試均未出現明顯差異。

通過摸底試驗，經發射場現場觀察以及撤場后性能和功能測試復測比對，所識別出的敏感試件未發生明顯性能下降。這表明在廠房環境保障條件下，鹽霧效應可控，貨運飛船選用的材料、器件在海南發射場環境中至少可適應3個月的測發流程。

5 結束語

對我國航天器而言，隨著海南文昌發射場的啟用，鹽霧環境成為必須考慮的環境要素之一。由于飛機、導彈、民用電子產品等在鹽霧環境中直接暴露的周期長，鹽霧考核方法苛刻，故有關結果不適宜航天器直接借鑒。本文研究結果表明，通過廠房環境濕度、潔凈度控制，轉運過程中航天器穿船衣加干燥劑除濕等手段，試件在潔凈度1萬級以上、濕度40%左右環境存放49天，在無潔凈度要求、濕度70%～80%環境存放15天后，無明顯腐蝕現象，性能復測結果均正常，證明所提出的主動防護設計加真實環境存放試驗摸底的方法是解決海南發射場發射的載人航天器鹽霧影響的現實可行且有效的工程手段。基于鹽霧效應機理設計出的鹽霧效應篩查表格可用于指導在沿海發射場發射的航天器開展鹽霧防護設計和敏感因素篩查。

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Salt spray test and protection for manned spacecrafts to be launched at Hainan Wenchang spaceport

HUO Jiajing, LEI Jianyu, LIU Yuan
(Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

In the space station construction, for large-tonnage manned spacecrafts to be launched at the Wenchang launch site in Hainan province, the salt fog, as a new environmental factor to aggravate the erosion,must be considered as a serious issue. This paper analyzes the impact of the salt fog on the manned spacecraft in the Hainan launch site. The salt fog level of the Hainan launch sate is investigated firstly. Then, based on the analysis of the mechanism of salt fog effect, and taking account of the characteristics of manned spacecrafts’development process, an engineering method combining the salt fog test with the active protection is proposed.The salt fog screening form given lastly may serve as a guide for spacecrafts launched at the Wenchang site with regard to the salt spray protection and the screening of sensitive factors.

manned spacecrafts; Hainan Wenchang launch site; salt-fog environment; salt fog effect; test method

X145; V416.5

B

1673-1379(2017)05-0538-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.015

2017-06-16；

2017-08-23

國家重大科技專項工程

霍佳婧, 雷劍宇, 劉元. 針對海南文昌發射場的載人航天器鹽霧效應試驗及防護方法[J]. 航天器環境工程, 2017,34(5): 538-542

HUO J J, LEI J Y, LIU Y. Salt spray test and protection for manned spacecrafts to be launched at Hainan Wenchang spaceport[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 538-542

（編輯：閆德葵）

霍佳婧（1986—），女，碩士學位，主要從事航天器總體設計及環境試驗方法研究。E-mail: hjj_20807@126.com。