航天器光纖陀螺用繞環(huán)膠特性分析

王曉玲, 黨 靜, 劉保林, 張宇飛, 趙亞飛, 王曉陽

（1. 北京控制工程研究所, 北京 100094;2. 空軍裝備部駐北京地區(qū)第四軍事代表室, 北京 100041）

0 引言

光纖陀螺常用于敏感航天器姿態(tài)角速度, 是航天器姿態(tài)控制的關(guān)鍵敏感器之一, 具有高可靠性、長壽命、抗沖擊、低功耗、全固態(tài)等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于航天器產(chǎn)品中。 光纖環(huán)作為光纖陀螺光路部分的核心組件, 其性能直接影響光纖陀螺精度［1-2］。 光纖繞制成環(huán)過程中需對(duì)繞制的光纖施膠, 繞纖后再進(jìn)行固化以固定光纖成環(huán), 確保各匝光纖之間相對(duì)位置及整個(gè)光纖環(huán)的軸向穩(wěn)定性, 繞環(huán)膠可以有效提高光纖環(huán)的抗振性能［3］, 但也會(huì)對(duì)光纖環(huán)溫度性能及可靠性等產(chǎn)生較大的影響［4-5］。 孟照魁等［4］分析了繞環(huán)膠對(duì)光纖環(huán)、光纖陀螺溫度性能及振動(dòng)性能的影響。 趙曉東等［6］通過分析不同繞環(huán)膠對(duì)光纖環(huán)應(yīng)力及溫度的影響, 得到了適用于光纖環(huán)的繞環(huán)膠特性參數(shù)。 但對(duì)于航天器光纖陀螺用繞環(huán)膠, 除了要考慮繞環(huán)膠對(duì)光纖陀螺溫度及振動(dòng)性能的影響外, 還需要考慮真空環(huán)境下繞環(huán)膠的真空揮發(fā)性能。 本文選取了兩種紫外光固化膠作為光纖環(huán)繞環(huán)膠, 并對(duì)繞環(huán)膠的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了測試, 綜合考慮了繞環(huán)膠對(duì)光纖環(huán)溫度、振動(dòng)的影響以及繞環(huán)膠的真空揮發(fā)性能, 最終確定了適用于航天器光纖陀螺的繞環(huán)膠, 為航天器光纖陀螺用繞環(huán)膠的選取提供了參考和依據(jù)。 本文在進(jìn)行繞環(huán)膠性能測試時(shí)采用的測試方法及標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示［7-11］。

表1 繞環(huán)膠性能測試方法及標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Test methods and standards for the performance of ring winding adhesive

1 光纖環(huán)繞環(huán)膠基本特性分析

繞環(huán)膠的主要功用為填充光纖間的縫隙, 使光纖成環(huán)后滿足溫度性能及振動(dòng)要求。 實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn), 光纖間的繞環(huán)膠固化后會(huì)對(duì)光纖產(chǎn)生應(yīng)力, 而光纖是一種應(yīng)力敏感材料, 應(yīng)力會(huì)引起光纖折射率的變化, 導(dǎo)致傳播光的相位和幅度發(fā)生改變, 從而使光纖環(huán)輸出產(chǎn)生非互易相移［6］。

紫外光固化膠是一種透明的液態(tài)光聚物, 暴露在紫外光下即可固化。 與其它聚合物材料相比,紫外光固化膠固化工藝簡單、固化速度快、固化后收縮小, 并且由于其在低溫下固化避免了高溫產(chǎn)生的內(nèi)部熱應(yīng)力, 因此可在較寬的溫度范圍內(nèi)保持長期穩(wěn)定性。 紫外光固化膠的以上特點(diǎn)使其滿足光纖環(huán)繞環(huán)膠的特性要求。

繞環(huán)用的紫外光固化膠不僅需要具備固化快、固化收縮小、固化應(yīng)力小等特點(diǎn), 還需要與光纖涂覆膠性能接近, 以便固化后對(duì)光纖產(chǎn)生的應(yīng)力最小。 紫外光固化膠與熱學(xué)相關(guān)的參數(shù)有熱膨脹系數(shù)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等, 與振動(dòng)相關(guān)的力學(xué)參數(shù)有彈性模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率等, 光纖用紫外光固化涂料特性參數(shù)指標(biāo)如表2 所示［12］。

表2 光纖用紫外光固化涂料特性參數(shù)指標(biāo)（25℃）Table 2 Characteristic parameter indicators of UV-curable coatings for optical fibers（25℃）

繞環(huán)膠黏度應(yīng)根據(jù)過膠工藝進(jìn)行選擇, 過膠工 藝示意圖如圖1 所示。 如果繞環(huán)膠黏度過高, 不利于消除膠流動(dòng)過程中產(chǎn)生的氣泡; 而黏度過低會(huì)導(dǎo)致繞環(huán)膠不易掛纖, 引起膠量少, 進(jìn)而導(dǎo)致光纖間形成空洞。 繞環(huán)膠填充后的光纖端面形貌如圖2 所示, 其它參數(shù)依據(jù)產(chǎn)品使用工況綜合考慮。

圖1 過膠工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of gluing process

圖2 繞環(huán)膠填充光纖端面顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Microscope photo of fiber end face filled with ring winding adhesive

2 繞環(huán)膠基本特性參數(shù)測試

首先根據(jù)過膠工藝對(duì)不同黏度紫外光固化膠進(jìn)行試?yán)@制, 確定了紫外光固化膠黏度應(yīng)在500cps ～1200cps 之間。 由于不同的固化設(shè)備、試驗(yàn)設(shè)備、測試條件等會(huì)對(duì)紫外光固化膠特性參數(shù)產(chǎn)生影響,為了對(duì)不同廠家提供的紫外光固化膠進(jìn)行確切對(duì)比, 粗選出高模量（1000MPa ～1500MPa） 和低模量（＜500MPa） 的A、B 兩種紫外光固化膠作為繞環(huán)膠, 然后按相同的設(shè)備、測試條件等進(jìn)行熱學(xué)、力學(xué)特性參數(shù)對(duì)比測試, 以獲得具有可對(duì)比性的特性參數(shù)。 熱學(xué)測試試樣如圖3 所示, 力學(xué)性能測試試樣如圖4 所示。

圖3 熱學(xué)測試試樣（試樣厚4mm）Fig.3 Sample used for thermal test（thickness is 4mm）

圖4 力學(xué)性能測試試樣（試樣厚2.5mm）Fig.4 Sample used for mechanical properties test（thickness is 2.5mm）

根據(jù)表1 的測試方法及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)A 膠、B 膠進(jìn)行了黏度、熱膨脹系數(shù)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率測試, 測試得到A 膠和B 膠的基本特性參數(shù)如表3 所示。

表3 繞環(huán)膠基本特性參數(shù)（25℃）Table 3 Basic characteristic parameters of ring winding adhesive（25℃）

3 光纖環(huán)光學(xué)性能隨溫度變化測試

采用A、B 兩種紫外光固化膠繞制了兩只1km長的光纖環(huán), 紫外光固化膠固化后進(jìn)行光纖環(huán)全溫性能測試。 搭建了光纖環(huán)光學(xué)性能測試系統(tǒng)如圖5 所示, 將光纖環(huán)置于溫箱中, 兩端尾纖在溫箱外分別與Y 波導(dǎo)及光功率計(jì)、消光比測試儀連接,測試光纖環(huán)的損耗及偏振串音。 光纖環(huán)損耗表征光纖環(huán)對(duì)光信號(hào)的衰減, 損耗越小, 光纖環(huán)性能越好。 偏振串音表征光纖環(huán)保持光偏振態(tài)的能力,偏振串音越大, 保偏性能越差。

圖5 光纖環(huán)光學(xué)性能測試系統(tǒng)Fig.5 Optical performance test system of optical fiber ring

圖5 中, 溫箱設(shè)置為定點(diǎn)運(yùn)行, 采取先升溫再降溫再升溫的方法, 測試過程中選取的溫度點(diǎn)依次為25℃、70℃、55℃、-20℃、-45℃、-20℃、25℃、55℃、70℃。 其中, 25℃～70℃為第一次升溫過程, 70℃～ -45℃為降溫過程, -45℃～70℃為第二次升溫過程。 每個(gè)溫度點(diǎn)保溫30min, 不同溫度點(diǎn)間的溫變速率按1℃/min、2℃/min、3℃/min、5℃/min 順序分別進(jìn)行4 次測試, 以分析繞環(huán)膠在不同溫變速率下對(duì)光纖環(huán)損耗和偏振串音的影響, 最終得到采用A、B 兩種紫外光固化膠的光纖環(huán)性能測試曲線, 分別如圖6、圖7 所示。

圖6 不同變溫速率下A 膠光纖環(huán)的損耗、偏振串音變化曲線Fig.6 Loss and polarization crosstalk curve of A-adhesive optical fiber ring under different temperature changing rates

圖7 不同變溫速率下B 膠光纖環(huán)的損耗、偏振串音變化曲線Fig.7 Loss and polarization crosstalk curve of B-adhesive optical fiber ring under different temperature changing rates

對(duì)于光纖環(huán)損耗性能, 由圖6（a）、圖7（a） 可知, 在不同的變溫速率下, 兩種光纖環(huán)損耗變化曲線趨勢(shì)一致, 均在低溫-45℃時(shí)達(dá)到最小（形成“谷底”）, 在高溫70℃時(shí)達(dá)到最大, 但不同變溫速率之間損耗相差很小（小于0.05dB）, 基本忽略不計(jì), 說明兩種膠繞制的光纖環(huán)在不同變溫速率時(shí)光纖環(huán)性能穩(wěn)定。

對(duì)于光纖環(huán)偏振性能, 由圖6（b）、圖7（b） 可知, 在不同的變溫速率下, 兩種光纖環(huán)偏振串音變化曲線趨勢(shì)一致。 偏振串音在70℃～ -20℃降溫過程中呈現(xiàn)減小的趨勢(shì), 在-20℃～70℃第二次升溫過程中呈現(xiàn)增大的趨勢(shì), 該現(xiàn)象說明溫度越高保偏性能越差。 在-20℃～ -45℃與-45℃～-20℃相鄰升降溫區(qū)間, 低于-20℃的偏振串音呈現(xiàn)增大趨勢(shì), 在最低溫度點(diǎn)- 45℃時(shí)達(dá)到相對(duì)“峰值”, 與高溫點(diǎn)的偏振串音接近, 說明在-20℃時(shí)保偏性能最好。

從圖6（b）、圖7（b）中還可以看出, A 膠光纖環(huán)偏振串音在不同變溫速率下基本穩(wěn)定; B 膠光纖環(huán)在1℃/min 的第一次全溫測試時(shí)膠性能不夠穩(wěn)定,與后續(xù)的測試曲線稍離散, 通過分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是B 膠熱膨脹系數(shù)大且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于70℃, 后續(xù)B 膠在經(jīng)過變溫速率為2℃/min、3℃/min、5℃/min 的3 次高低溫試驗(yàn)后, 相當(dāng)于對(duì)光纖環(huán)進(jìn)行了老化處理, 膠性能逐漸穩(wěn)定, 離散現(xiàn)象消失。

通過以上光纖環(huán)全溫性能測試可以看出, 采用A 膠和B 膠的光纖環(huán)均滿足-45℃～70℃全溫范圍的光學(xué)性能要求。 全溫測試后對(duì)兩光纖環(huán)又進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)及半正弦沖擊測試, 發(fā)現(xiàn)測試后的光纖環(huán)損耗、偏振串音仍然滿足指標(biāo)要求。

4 繞環(huán)膠真空揮發(fā)性能測試

航天器用非金屬材料的總質(zhì)損（Total Mass Lost,TML）和收集到的可凝揮發(fā)物（Collected Volatile Condensable Material, CVCM） 是衡量航天器材料放氣污染的重要參數(shù)。 因質(zhì)損所產(chǎn)生的可凝揮發(fā)物會(huì)對(duì)航天器敏感表面造成污染, 只有TML ＜1% 且CVCM ＜0.1%的材料才能用于航天器。 光纖環(huán)作為航天器用光纖陀螺的核心組件, 繞環(huán)膠的真空揮發(fā)性能需要進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。 根據(jù)表1 的測試方法及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)A 膠、B 膠進(jìn)行了真空揮發(fā)性能測試,得到的測試結(jié)果如表4 所示。

表4 繞環(huán)膠真空揮發(fā)特性參數(shù)Table 4 Vacuum volatilization characteristic parameters of ring winding adhesive

由表4 可知, A 膠的總質(zhì)損、可凝揮發(fā)物參數(shù)均滿足指標(biāo)要求（TML ＜1%且CVCM ＜0.1%）, 而B 膠的總質(zhì)損超出指標(biāo)。 因此, A 膠可作為航天器用光纖陀螺光纖環(huán)的繞環(huán)膠。

5 結(jié)論

本文選取了兩種紫外光固化膠作為光纖環(huán)繞環(huán)膠, 對(duì)比了兩種膠的黏度、熱膨脹系數(shù)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及力學(xué)性能, 分析了兩種膠繞制的光纖環(huán)光學(xué)性能隨溫度變化情況, 再通過振動(dòng)測試確認(rèn)了這兩種膠繞制的光纖環(huán)溫度及振動(dòng)性能均滿足要求, 最后通過繞環(huán)膠真空揮發(fā)性能測試發(fā)現(xiàn)兩種膠測試結(jié)果差異較大, 最終采用低揮發(fā)性的A 膠作為航天器光纖陀螺的繞環(huán)膠。 最終得出, 不同繞環(huán)膠的真空揮發(fā)性能差異較大是制約航天器光纖陀螺用繞環(huán)膠的重要指標(biāo)。