長壽命半球諧振陀螺真空保持技術

于鑫海,劉 奎,蘇定寧,趙思晗,段 杰,李紹良,趙萬良

(1.上海航天控制技術研究所,上海 201109;2. 上海慣性工程技術研究中心,上海 201109)

0 引言

隨著慣性導航技術的發展和半球諧振陀螺諧振子加工技術的不斷進步,諧振子向小尺寸、高精度及高環境適應性的方向發展,對陀螺整體結構的小型化、輕量化和長壽命的要求也更高[1-3]。半球諧振陀螺是一種固體振動陀螺,陀螺通常包括諧振子、激振器(激勵電極)、檢測器(檢測基座)和封裝外殼。基于半球諧振陀螺對于長壽命的要求,陀螺需要具備連續工作15年的能力[4],隨著陀螺的長時間工作,其內部真空度逐漸下降,空氣阻尼隨之增大,當內部真空度高于10-4Pa量級時,其空氣阻尼顯著影響諧振子的品質因數Q值,從而降低陀螺的精度和穩定性。因此。為了保證長時間、高可靠性工作,半球諧振子對陀螺內部的長時間、高真空保持提出了極高的要求。

為了解決陀螺的壽命問題,保證陀螺內部的高真空環境,必須在內部放置吸氣劑,對陀螺腔體中的多余氣體進行去除。吸氣劑通常由金屬粉末材料高溫燒結而成,可以在一定溫度下激活,激活后具有較強的吸氫能力。然而由于半球諧振陀螺的星載及艦載特性,陀螺的小尺寸、小質量要求限制了吸氣劑的質量和體積,無法為陀螺內置大量冗余吸氣劑,需在保證陀螺壽命的基礎上降低吸氣劑質量。因此需要精確的計算模型,考慮陀螺在壽命期間受多種因素影響下內部的升壓情況,在此基礎上完成吸氣劑的質量設計,才能同時兼顧半球諧振陀螺的小質量和長壽命要求。

本文綜合考慮多種影響因素,給出一種陀螺壽命期內的出氣量計算模型,對比多種吸氣劑的特點,選擇較優的吸氣材料,可更精確的控制吸氣劑質量,為半球諧振陀螺的真空保持提供理論基礎。

1 出氣量模型

半球諧振陀螺尺寸緊湊,內部真空度影響因素較復雜,根據工作環境、封裝工藝和材料特性,主要分為以下3個方面:

1) 材料放氣。半球陀螺由石英半球諧振子,激勵、檢測電極及金屬封裝殼體組成,作為固體振動陀螺,為了提高激勵和檢測的精度和效率,通常將諧振子和檢測基座金屬化,即表面金屬鍍膜,金屬材料原子間存有氣體分子,在高真空的環境下將會釋放,導致陀螺內部真空度下降。

2) 焊口漏氣。為了實現陀螺各部件間的連接,通常采用激光焊接方式進行密封,即使提高了焊點的熔覆率,在焊接接口處仍會產生輕微漏氣現象,隨著時間推移,陀螺腔體中的真空度將逐漸下降。

3) 氫氣滲透。小質量半球陀螺的金屬殼體外壁很薄,外界大氣與內部高真空環境形成了較大的壓強差,在這種壓差下,氫氣會產生一定程度的滲透,將微小的滲透率賦以較長的時間尺度,也會導致陀螺內部的真空度下降,進而導致空氣阻尼增大。

要求半球陀螺15年工作壽命時,吸氣劑吸氣量設計應滿足:

Qx≥Qf+Ql+Qs

(1)

式中:Qx為吸氣劑的總吸氣量;Qf為金屬材料表面放氣量;Ql為激光焊接的總漏氣量;Qs為氫氣對金屬材料的總滲透量。

2 材料放氣

半球諧振陀螺通常采用可伐合金作為真空封裝外殼[5],但由于半球諧振子和基座的特殊性,因此在真空封裝除氣過程中,無法使用高溫烘烤方式為金屬除氣。因此,增加了金屬殼體的表面除氣難度,故需測定金屬殼體可伐合金材料的放氣速率[6],合理選擇吸氣劑的質量,維持內部高真空狀態。

對于小放氣量的可伐合金材料,可采用靜態升壓法測量[7]放氣速率。結合國內外學者的研究[8-11]提出一種測量方法。首先,在控制相同測試條件(20 ℃,2×10-6Pa)下,對測量腔體本底漏氣速率和放氣速率進行測定,然后放入待測金屬材料,保證同樣溫度和初始真空度時,得到總漏氣和放氣速率曲線,最后進行數據處理,從總放氣速率曲線中排除系統本底漏放氣速率,可得出待測材料隨時間變化的放氣速率曲線。

半球諧振陀螺采用可伐合金殼體材料的常溫放氣曲線如圖1所示。由圖可看出,小于5 h時材料放氣最明顯。因此,為了增大半球陀螺的真空壽命,應維持10 h以上的真空除氣,以減小吸氣劑本身的負擔。

圖1 可伐合金表面放氣速率曲線

反映材料放氣率與時間關系的簡單放氣模型形式[12]通常為

lgq=lgq1-a·lgt

(2)

式中:q為材料放氣速率;t為金屬材料放入真空環境后的存放時間;q1為放氣率初始值;a為常數。依此對圖1中曲線做數據擬合,可得到該材料在測定條件下的放氣速率函數:

qf1=2.925×e-0.628 7t×10-7

(3)

同理可確定諧振子金屬膜層的表面放氣速率曲線如圖2所示。對圖2中曲線做數據擬合,可得到該材料在測定條件下的放氣速率函數:

圖2 諧振子表面金屬膜層放氣速率曲線

qf2=6.999×e-0.154t×10-7

(4)

對以上兩函數曲線在時間尺度進行積分,并考慮各材料表面積,可得出15年工作壽命要求下,陀螺內部金屬材料放氣總量為

(5)

式中:A1、A2分別為對應金屬材料的表面積。經計算,材料放氣總量為3.77×10-2Pa·L。

3 氫氣滲透和漏氣

氣體對金屬的溶解、滲透過程,一般以原子態的形式進行,由于氫原子的直徑最小,所以氫原子對金屬的滲透最顯著。氫氣對金屬的滲透速率為

(6)

式中:qs為氫氣透過陀螺殼體壁面的滲透速率;ΔP為金屬殼體外壁兩側的氣壓差;d為壁厚;A為金屬殼體外壁的面積;K為氫氣對某種固體的滲透系數。圖3為氫氣對常見金屬材料的滲透系數曲線。

圖3 氫氣對各種金屬材料的滲透系數

常溫(20 ℃)下,估算氫氣對可伐合金的滲透系數為

K≈0.5×10-10×0.419(Pa·L·mm·s-1·

cm-2·Pa0.5)

(7)

考慮各材料表面積可得出15年工作壽命要求下,氫氣對殼體金屬材料的滲透總量為

(8)

經計算,氫氣滲透總量約為1.72 Pa·L。

目前半球諧振陀螺研制實驗室采用的激光焊接設備,在保證熔覆率大于90%的密封焊接情況下,接口處漏氣率可采用氦質譜儀進行檢測,通常一臺密封良好的半球陀螺漏氣速率ql<5×10-9Pa·L/s。

由此可得,15年工作壽命要求下,氫氣對殼體金屬材料的滲透總量為

(9)

經計算,漏氣總量約為2.36 Pa·L。

綜上吸氣劑的總吸氣量應滿足:

Qx≥Qf+Ql+Qs

(10)

經計算總放氣量約為4.12 Pa·L。

4 陀螺流導模型

為了計算初始真空度,獲得最優的吸氣劑材料,需要建立陀螺流導模型,對初始狀態下的真空壓力進行計算。

4.1 初始真空壓力

由于吸氣劑為金屬粉末燒結,陀螺的工作環境通常具有多頻段大功率的振動,因此為了保證諧振子的性能,應在陀螺內部將吸氣劑與諧振子分隔在兩腔室內,在此基礎上,內部腔體即近似形成一個標準的真空抽氣管路。根據真空系統的壓力公式[7]可得到諧振子間隙處的真空壓力為

(11)

式中:Pg為諧振子間隙處的工作真空壓力;P0為吸氣劑腔體能達到的真空度;Q0為諧振子腔體的氣體漏率總量(包括密封處漏氣、材料表面出氣、材料滲透等);Sp為吸氣劑的有效抽速。

4.2 有效抽速

在動態平衡時,流經任意截面的氣體流量相等,因此有:

(12)

式中:S為吸氣劑的吸氣速率;U為管道的流導。

4.3 陀螺流導

空氣阻尼通常作用于諧振子與檢測電極基座的間隙內,此位置的氣體壓強代表陀螺內部的實際真空度,氣體沿管道的流動狀態可分為湍流、粘滯流、粘滯-分子流和分子流。諧振子的實際工作環境為高真空,此時氣體沿管道的流動狀態為分子流,氣體分子間碰撞次數很少,主要與腔體內壁發生碰撞,其運動形式如圖4所示。

圖4 分子流示意圖

典型半球諧振陀螺的內部結構由圓截面短管和環形截面管道組成,可對各個截面管道在長度尺度上疊加運算,對應的20 ℃時流導公式[7]為

Uf1=11.6A0α

(13)

(14)

U=Uf1+Uf2

(15)

式中:L/d為圓截面短管的長徑比;A0為截面積;d2/d1為環形管的小、大徑之比;α,Kh均為系數。表1為系數α的取值范圍。表2為系數Kh的取值范圍。

表1 系數α的取值范圍

表2 系數Kh的取值范圍

綜合式(11)～(15)可得出,為保證諧振子間隙內極限真空度為1×10-5Pa,則要求吸氣劑材料初始抽速大于1×103Pa·L。

5 實現高真空保持的技術措施

綜合考慮材料體系和吸氣性能[13],吸氣劑可采用鋯釩鐵粉末與鋯金屬燒結而成。既可保證激活時高溫不會造成諧振子失效,又可滿足強度和吸氣量要求,基于初始吸氣速率大于103Pa·L,總體吸氣量大于4.12 Pa·L的要求,可選用意大利 SAES Getter公司的St172型吸氣劑450 mg,以滿足陀螺對吸氣劑初始吸氣速率和長壽命工作的要求。

為減小吸氣劑的抽氣壓力,可在封裝前對陀螺金屬殼體進行200 ℃真空高溫預烘,并在降溫后短時間內完成焊接,在一定程度上對金屬表面進行提前脫氣處理。

6 結束語

計算表明,長時間工作下的半球諧振陀螺,金屬材料表面放氣、激光焊接漏氣和氫氣對金屬的滲透均是導致容器內部真空度無法保持在10-4Pa以上的主要原因。15年工作條件下,陀螺內部的出氣總量約為4.12 Pa·L,結合陀螺流體模型和吸氣劑吸氣量的數據,給出了吸氣劑應投放的最小劑量約為450 mg,初始吸氣速率大于103Pa·L,為減小吸氣劑的抽氣壓力,可在封裝前對陀螺金屬殼體進行200 ℃真空高溫預烘,并在降溫后短時間內完成焊接,實現陀螺長壽命工作狀態下的高真空保持。