彈箭外表面接插件高溫高濕度耦合 環境試驗方法研究

夏吝時，徐瑩，那偉，石寶麗，王雙全，孫波

（北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

彈箭在臨近發射支點的側表面上一般設置有電器接插件，作為彈箭與地面系統的分界面，在彈箭起豎后至飛離發射臺前，能夠保持地面監測系統和彈箭內儀器的正常通訊，以檢測彈箭內設備的工作情況，并對故障進行診斷和處理。另有一些彈箭外表面電器接插件用于飛行過程中的星箭或多級分離、輕小型彈箭機動發射控制系統端接、飛行存儲器外接數據傳輸接口等功能[1-2]。通常電連接器用于復雜串聯系統中，只要其中一個元器件發生失效，就可能導致整個系統出現故障。暴露在彈箭外表面的電器接插件作為關鍵元器件，不論是在高速飛行過程中，還是在地面靜止狀態下，都難免遇到雨、雪、霧等高濕度氣候環境，而較高的環境溫度和相對濕度是造成其失效的關鍵因素[3]，尤其在兩者疊加作用下效果更加明顯。一方面，在高溫條件下非金屬材料中的易揮發物質揮發后加速老化，導致插針與插孔接觸表面狀態變化而造成接觸失效；另一方面，高濕度條件下水氣的進入將使內部相對濕度升高，電路產生腐蝕，一旦內部出現凝露或積水，就可能造成短路或設備燒毀等絕緣耐壓失效情況發生。

現代化、全天候、全方位復雜環境中進行的立體戰爭，要求彈箭裝備適應比以往更為復雜和嚴酷的貯存、運輸和使用環境[4]。GJB 1217—91《電連接器試驗方法》和GJB 150A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》中，都將產品的高溫環境試驗和潮濕或淋雨試驗單獨進行[5]，并未提出針對復合環境進行綜合模擬的試驗方法。飛行器地面試驗的目的是以最低代價保障試驗項目和狀態能夠覆蓋實際使用環境需求[6]。文中通過對簡單結構噴嘴低壓噴射流場環境的數值分析，設計了搭載在石英燈加熱器輻射熱環境下的噴淋試驗方案，成功開展了彈箭外表面電器接插件在飛行過程中主要環境條件動態變化過程的實效模擬試驗，并通過阻值測試、剖面碳化層厚度測量和熱解產物分析方法，對試驗后的產品可靠性進行了評估。

1 試驗要求與模型

模擬彈箭在對流層內飛行過程中遇云、霧、雨、雪時，水氣作用下的外壁接插件所處高濕度氣動熱環境。需同時開展實際飛行過程中所承受的氣動熱環境動態變化過程和降雨條件下的水氣環境實效模擬，并對試驗后接插件產品的可靠性作出評價。

參試產品為彈箭外表面裸露的脫插式接插件，具有小型化、高密度的特點，插孔間距約1 mm。非金屬絕緣部分尺寸為30 mm×30 mm×6 mm，帶金屬法蘭的外包絡尺寸為36 mm×50 mm×38 mm，平面結構如圖1所示。接插件非金屬部分材料為聚苯硫醚（PPS），該材料短期耐熱性和長期連續使用的熱穩定性均優于目前絕大部分的工程塑料，在高溫、高濕條件下具有優良的電絕緣性能，并能表現出良好的尺寸穩定性。試驗前，接插件外觀完好，供電接口、數據傳輸接口、引腳結構和對應位置編號清晰可見。在常壓、常溫、室內干燥條件下對其進行通電測試，結果表明，導通性能和電絕緣性良好。

圖1 接插件結構平面 Fig.1 Schematic diagram of connector structure

2 試驗

2.1 設備

試驗設備由熱環境模擬系統、水氣環境模擬系統和配套測試系統3部分組成。石英燈熱輻射試驗系統負責建立飛行過程中彈箭外表面所處的真實高溫環境。系統總功率110 kW，溫度閉環控制上位機對試件表面K型熱電偶的采樣率為10 Hz。加熱面積為400 mm×300 mm，遠遠大于試件外尺寸。對試件四周進行絕熱保護，避免多余熱量從非插孔平面進入接插件內部。

水氣環境模擬采用恒壓儲氣容器對水罐加壓的方式，將液態水擠壓至噴管內，并通過噴管頭部的噴嘴以自由射流的方式噴射至常壓大氣空間，管路原理如圖2所示，噴嘴結構[7-8]如圖3所示。其中上游氣源最大供氣壓力為0.8 MPa。試驗過程中，通過對緩沖氣瓶上、下游管路上串聯的2個電磁閥的開閉控 制，調節進氣量和排氣量的動態平衡，以維持供氣壓力的恒定。

圖2 管路原理 Fig.2 Pipeline schematic

圖3 噴管結構 Fig.3 Nozzle structure

配套測試系統由絕緣電阻測試設備、電子顯微鏡和元素分析儀組成。其中，絕緣電阻隨溫度的升高和相對濕度的增大而減小，可作為評價高溫高濕度環境下電連接器性能的主要指標[9]。試驗結束后，由絕緣電阻測試設備進行測量。為進一步判斷其整體導電性，采用電子顯微鏡對試驗后的接插件剖面進行碳化層厚度測量，并使用元素分析儀測量試驗后接插件的熱解產物。

2.2 水氣模擬

針對供水壓力0.1 MPa條件下不同噴嘴直徑時的噴射效果進行了計算，獲取了噴嘴出口外φ1000 mm×1600 mm圓柱形空間內的水氣分布云圖、出口流速和流量等參數。計算條件中，射流工作介質為液態水，環境介質為空氣，射流水與空氣間發生動量交換和紊動擴散，成為氣液兩相混合介質射流。采用連續性方程和N-S方程作為控制方程[10]，在圓柱坐標系下徑向r、切向θ和垂直方向z（圖3中y軸方向）的獨立變量與直角坐標系中x、y、z方向獨立變量間的關系由式（1）表示，圓柱坐標系下的不可壓縮流動連續性方程和N-S方程由式（2）、（3）表示。

式中：ρ為流體密度；F為體積力；η為黏性系數；V為流體中某點的運動速度；P為流體中某點處壓強。

使用標準κ-ε模型進行求解[11-12]，其中邊界條件設為入口表壓0.1 MPa，出口及整個圓柱形外流場計算域為標準大氣壓環境。獲得了出口直徑1.5、2、2.5、3、4 mm時的流場云圖，如圖4a所示。可以看出，由于周圍空氣對流場內水氣的剪切力相對較小，因此液態水離開噴口后，能夠在常壓大氣環境中噴射較長距離。在各噴口條件下，計算域內的流動狀態均為典型的自由射流流場結構。噴嘴出口直徑為2.5 mm時的核心流長度明顯大于其他出口直徑條件，且在距噴嘴出口0.8 m處，核心流寬度較其他噴嘴出口直徑時更大。考慮到射流壓差對流場結構的影響，以0.1 MPa為間隔，對噴嘴出口直徑為2.5 mm時入口表壓分別為0.1～0.4 MPa條件下的噴射狀態進行計算，結果如圖4b所示。可以看出，隨著入口壓力的增加，噴嘴出口前的最大速度隨之增大，流場結構未發生明顯變化。由此選擇直徑2.5 mm的噴嘴進一步分析，各工況壓力下的噴嘴出口平均速度和對應流量如圖5所示。

圖4 流場結構 Fig.4 Flow field structure

圖5 不同工況下φ2.5 mm噴嘴出口速度與流量 Fig.5 The exit speed and flow rate under different conditions (φ2.5 mm)

考慮到管路流阻等因素作用，在0.35 MPa工況下，測試了噴嘴實際噴射效果。流場結構與仿真結果基本一致，中心核心流從噴口至1200 mm清晰可見，水液離開噴嘴出口后，以約43°的噴射角向前方空間散射，如圖6所示。

圖6 噴嘴實際噴射效果 Fig.6 Actual spray effect

取噴嘴入口壓力0.35 MPa為條件，計算得到2.5 mm直徑噴嘴內壓力分布、出口速度矢量和外流場的渦流黏度分布規律，如圖7—9所示。可以看出， 噴嘴內壓力分布均勻，水液以略大于實測噴射角度的散射角噴射進入大氣環境。在距噴嘴出口中心線600～800 mm內，水氣速度梯度變化較小，且靠近噴嘴的區域內水氣流速較快，適合放置試件。

圖7 入口0.35 MPa時噴嘴內部壓力分布 Fig.7 The pressure distribution inside the nozzle (inlet 0.35 MPa)

由文獻[13]查得，推薦的試驗降雨條件為1.7 mm/min。根據式（4）所列噴嘴降雨強度計算公式[14]反推得出噴嘴的出口速度應不小于10.1 m/s的流速。對照圖5可以看出，噴嘴壓力應不低于0.3 MPa。按噴嘴入口壓力0.35 MPa計算得到的降雨量為1.82 mm/min，大于推薦標準要求，可以此工況進行效果預測。

式中：R為降雨強度，mm/h；Q為噴嘴流量，L/min；n為噴嘴個數，n=1；S為單個噴嘴在距噴口中心線x位置處的覆蓋面積，m2。

2.3 噴淋效果

由于試件表面正前方為石英燈加熱器[15-16]，因此將試件以45°角放置在距噴嘴出口中心線800 mm位置處，建模計算試件表面水氣覆蓋效果，結果如圖10所示。分別取流場空間內yz、xz中心截面和xy距噴口800 mm截面，觀察試件所處流域，如圖11所示。可以看出，處于核心流中心的試件完全被水氣來流覆蓋。

圖10 放置試件時的水氣流場 Fig.10 Water flow field diagram when placing the test piece

圖11 yz、xz中心截面和xy距噴口800 mm截面處水氣分布 Fig.11 Water vapor distribution at yz, xz center section and xy section 800 mm away from the nozzle

圖8 入口0.35 MPa時噴嘴出口速度矢量圖 Fig.8 Nozzle outlet speed vector (inlet 0.35 MPa)

圖9 入口0.35 MPa時外流場渦流黏度分布 Fig.9 Vortex viscosity distribution in external flow field (inlet 0.35 MPa)

3 結果與評價

按上述分析結果搭建了配套試驗系統，將試件安裝在試驗工位后，在石英燈加熱器和水氣模擬系統的聯合作用下，成功開展了試件表面400 ℃條件下的水氣噴淋耦合環境實效模擬試驗[17-22]，其中熱環境加載曲線如圖12所示，試驗后試件表面照片見圖13。試驗加熱條件能夠達到飛行過程中的表面最高溫度，且總加熱量達到了過考核條件。試件在高溫和高濕同時作用下，非金屬絕緣區的聚苯硫醚（PPS）材料表面有明顯熔化和熱解的痕跡。

圖12 熱環境加載曲線 Fig.12 Thermal environment curve

圖13 試驗后試件表面狀態照片 Fig.13 Photograph of the surface

對試驗后的試件樣本進行阻值測量，測試結果顯示未導通。沿試件長度方向的中心線對其進行解剖，解剖后的顯微圖片如圖14所示。可以看出，碳化層深度小于1.8 mm，其他區域保持原始層狀態，說明試件內部不導通。對試件表面的熱解產物進行元素分析，結果見表1。分解產物中含C、O、F、AL、Si、S、Ca等元素，其中C元素以化合物的形式存在于碳酸鈣中，不存在游離的C元素。因此從元素分析的角度，得出試驗后碳化產物不導電的結論。由此表明，試件在經歷了高溫高濕度耦合測試環境后，電氣性能仍然良好。

表1 試件熱解產物元素 Tab.1 Table of pyrolysis products elements

圖14 試件剖面顯微圖 Fig.14 Specimen section micrograph

4 結語

通過分析低壓噴嘴射流流場，在石英燈加熱器輻射熱環境下開展了彈箭外表面電器接插件水氣噴淋的高溫高濕耦合環境模擬試驗，完成了對受試產品的可靠性評價。

1）在輻射熱環境下，對電器接插件表面進行水氣噴淋的方法能夠建立高溫高濕耦合試驗條件，可通過試件表面溫度實時控制和噴淋流量的調節實現飛行過程中主要環境條件動態變化過程的實效模擬。

2）數值分析方法可以對試驗過程中水氣環境模擬相關參數進行選擇，并對實施效果進行預測。

3）對試驗后參試產品進行阻值測量、剖面碳化層厚度測量和熱解產物分析等測試方法可以對其可靠性進行正確評價。

利用石英燈加熱器和低壓噴嘴射流流場開展高溫高濕度耦合環境模擬的試驗方法為地面復合環境綜合模擬試驗提供了一種新思路。