CN106556618B - 一种航天器电缆网的真空烘烤试验方法 - Google Patents

一种航天器电缆网的真空烘烤试验方法 Download PDF

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Abstract

一种航天器电缆网的真空烘烤试验方法，步骤为：(1)对真空烘烤试验设备进行清洁处理；(2)将电缆试件单独盘绕，平放在真空系统的底板上；(3)对真空系统进行抽真空，控制温控石英晶体微量天平到348K并在整个抽真空过程中维持此温度，同时保持真空系统压力≤1*10‑2Pa；(4)真空系统以≤1℃/min速率从室温开始升温，将电缆试件升到要求烘烤的温度，再烘烤保持24h～96h，烘烤时间满足要求后，真空系统再以≤1℃/min速率降温至室温；(5)关闭真空系统，先使压力恢复到1*10‑2Pa，当真空系统热沉温度高于露点温度后，再充入干燥空气至常压，然后停止冲入氮气；(6)取出电缆试件进行分析，确定其是否超过规定的污染损失极限。

Description

一种航天器电缆网的真空烘烤试验方法
技术领域
本发明属于航天测试技术领域，涉及一种航天器电缆网的真空烘烤试验方法。
背景技术
航天器上使用大量电缆网，电缆网中的非金属材料在真空环境中产生大量可凝挥发物，属于非金属出气污染源之一，会导致航天器中大功率微波器件低气压放电烧毁、光学敏感件和载荷被污染等。电缆网使用的非金属绝缘层材料添加了邻苯二甲酸酯作为增塑剂，添加了胺类或羧酸类作为抗氧化剂，这些小分子填料在高温条件下易挥发，在低温条件下会冷凝，对洁净度要求较高的敏感件表面易造成污染，影响了航天器功能性能。
在以往地面测试过程中，多个航天器在初样阶段发生过被电缆污染的情况。服务舱板、太阳电池板、地球敏感器、OSR表面、真空罐壁和输出开关等在热试验结束后，均局部不同程度地出现了油状污染物、黑色细纹状污染物，甚至从电缆非金属层材料挥发出来的有机污染物在高温作用下挥发扩散量较大，污染物遇冷凝结并扩散至大功率开关内部造成开关被污染，加电后形成真空放电，最终导致开关烧毁失效。因此，对电缆网污染源的控制和防污染成为了航天器亟待解决的问题。
目前，从公开渠道只能检索到国内《航天器产品洁净度及污染控制要求》、《航天器产品污染控制真空烘烤试验方法》和国外《污染敏感硬件的热真空烘烤规范》的产品相关要求，没有发现航天器电缆网如何进行真空烘烤的试验要求和试验方法。
由于航天器上电缆网用量较大，电缆网中非金属材料主要有：聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚酰亚胺、聚全氟乙丙烯、交联乙烯-四氟乙烯共聚物、硅橡胶和聚乙烯丙烯共聚物，以及电缆的绑扎、固定附件材料(绑扎线、热缩布、尼龙扎带和电连接器绝缘体用料)等，这些材料中根据其稳定性均添加有适当的抗氧化剂、稳定剂等填料，这些材料在常压常态下使用可行，但在真空高低温环境下，会有小分子的挥发，因此要针对不同非金属材料，制定相关的真空烘烤试验方法，包括试验温度、试验时间等条件，以确保航天器在地面测试和在轨运行中均不受到污染，系统工作正常。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，根据航天器电缆网绝缘层材料的具体特性和航天器在轨飞行的真空环境，提供了一种航天器电缆网的真空烘烤试验方法，将电缆绝缘层材料按照出气特性进行不同温度烘烤，剔除高频电缆和低频电缆绝缘层挥发出的污染物小分子，以实现航天器高可靠在轨飞行和高质量的图像成像。
本发明的技术解决方案是：一种航天器电缆网的真空烘烤试验方法，包括如下步骤：
(1)对真空烘烤试验设备进行清洁处理；所述的真空烘烤试验设备包括真空系统、加热器和测试系统，所述的测试系统包括温控石英晶体微量天平、残余气体分析仪、以及收集颗粒物沉降和非挥发性残留物的收集板；
(2)将电缆试件单独盘绕，平放在真空系统的底板上；
(3)对真空系统进行抽真空，控制温控石英晶体微量天平到348K并在整个抽真空过程中维持此温度，同时保持真空系统压力≤1*10-2Pa；
(4)真空系统以≤1℃/min速率从室温开始升温，将电缆试件升到要求烘烤的温度，再烘烤保持24h～96h，烘烤时间满足要求后，真空系统再以≤1℃/min速率降温至室温；对于低频电缆，要求烘烤的温度为65℃±3℃，对于高频电缆，则首先在其在轨使用温度的基础上升高10℃，然后判断升高10℃后的温度是否高于65℃，若高于则取升高10℃后的温度±3℃作为要求烘烤的温度，若不高于65℃，则取65℃±3℃作为要求烘烤的温度；
(5)关闭真空系统，先向真空系统内充入纯度为99.999％的氮气，使压力恢复到1*10-2Pa，当真空系统热沉温度高于露点温度后，再充入干燥空气至常压，然后停止充入氮气；
(6)当真空系统热沉温度达到室温时，取出温控石英晶体微量天平、残余气体分析仪、以及收集颗粒物沉降和非挥发性残留物的收集板，确定其是否超过规定的污染损失极限。
所述的步骤(6)中确定是否超过规定的污染损失极限的方法为：
对于温控石英晶体微量天平，将收集的挥发污染物累积量进行称重，若累积污染量小于5*10-6g/cm3，则判定污染物未超标；
对于残余气体分析仪，将收集的污染物进行污染物成分分析，判断该污染物是来自哪类电缆绝缘层非金属材料；
对于收集颗粒物沉降和非挥发性残留物的收集板，将收集的污染物进行光学透过率分析和测试，测得透过率<0.1％即可。
所述的电缆试件在放入真空系统之前还要完成电性能检查，对于低频电缆包括：①用电阻表测试电缆中各电连接器接点间的导通性，导通电阻应不大于1Ω；②用兆欧表测试电缆上所有不相通的接点间的绝缘阻值，所有接点与电连接器壳体间的绝缘阻值不小于200MΩ/250V；对于高频电缆，包括：①检查每根电缆内导体均应连续；②检查试验1min内电缆不应有耐压情况；③检查电缆绝缘电阻为1000MΩ·km。
所述步骤(1)对真空烘烤试验设备进行清洁处理，包括开启真空系统，待压强小于1×10-2Pa后，向热沉充入高温氮气，使热沉烘烤温度不低于125℃，维持36h后开始复压操作，先向热沉充入99.999％高纯氮气，使其压强恢复到100Pa～1000Pa，再充入10万级净化的干燥空气，直至恢复到正常大气压。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法根据航天器上所使用的各种电缆的特性，从实际需求出发，明确了航天器低频电缆和高频电缆真空烘烤试验的试验条件，并定量化给出了具有可操作性的试验流程和实验方法，使得在航天器的实际研制过程中，对航天器电缆网的真空烘烤试验有了理论依据和技术支撑。采用本发明方法，将使得电缆网在航天器上投入实际使用之前获得充分的测试，避免电缆网使用的非金属绝缘层材料在高温条件下可能造成的污染，为进一步保证航天器功能发挥了重要作用。本发明方法已经应用于多个航天器的地面测试，通过数十颗航天器的在轨成功飞行和高质量的图像数据获取，均验证了本发明电缆网进行真空烘烤试验的必要性和试验方法的正确性。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图；
图2为本发明真空烘烤试验设备布局图；
图3为本发明真空烘烤试验温度变化示意图。
具体实施方式
航天器电缆网包括一般信号电缆(交联乙烯-四氟乙烯共聚物)、功率电缆(交联乙烯-四氟乙烯共聚物)、火工品电缆(聚四氟乙烯)、低压(高速)差分信号电缆(氟塑料)、总线电缆(聚全氟乙丙烯)和射频电缆(硅橡胶、聚四氟乙烯、玻璃纤维涂覆聚四氟乙烯乳液和微孔聚四氟乙烯等)。
一、电缆网试验状态
根据真空烘烤试验要求，电缆网在试验前需要完成外观检查和电性能检测。
A)低频电缆(主要包括一般信号电缆、功率电缆、火工品电缆、低压(高速)差分信号电缆、总线电缆)
需要完成外观检查，包括：①目视电缆绝缘层或护套表面应光滑连续、均匀无鼓包，不应有开裂、毛刺、杂质、明显疵点、气泡、影响使用或明显的外观缺陷等。②目视检查电连接器触针，必要时应用五倍放大镜、25倍以上体规显微镜进行检查，触针不应有歪斜。
需要完成电性能检查，包括：①用电阻表测试电缆中各电连接器接点间(包括并联点)的导通性，导通电阻应不大于1Ω。②用兆欧表测试电缆上所有不相通的接点间的绝缘阻值，所有接点(屏蔽层接点除外)与电连接器壳体间的绝缘阻值一般不小于200MΩ/250V。③耐电压检测仅针对功率电缆。用耐压测试仪对功率电缆进行耐压检查(真空烘烤试验后仅进行一次)，功率电缆在250V交流电压下30s内不应引起飞弧放电(漏电流应小于0.5mA)。
B)高频电缆(主要是射频电缆，比如SFCG-50-5-51、SFCG-50-3-51、SRR-50-2、SFB-75-3-2等)
需要完成外观检查，要求同低频电缆。
需要完成电性能检查，包括：①检查每根电缆内导体均应连续。②检查试验1min内电缆不应有击穿、闪络或火花放电等耐压情况。③检查电缆绝缘电阻为1000MΩ·km等绝缘情况。
二、电缆网试验设备
真空烘烤设备由真空系统、加热器和测试系统三部分组成。
真空系统包括侧门、侧门热沉、筒体、筒体热沉、无油高真空机组、管路系统和真空温度测试组件等，用于为真空烘烤试验提供真空低温环境；
加热器可以采用加热笼、加热片或者红外灯阵方式，用于加热试件；
测试系统包括温控安装板、TQCM(温控石英晶体微量天平，收集挥发的累积污染物)、光学试片(测试光学污染情况)、RGA(残余气体分析仪)、CWS(收集颗粒物沉降和非挥发性残留物的收集板)。
三、电缆网试验条件
试验过程中，温度监测应以试件上测温点测得的温度为主，真空罐内其它环境测温点测得的数据为辅助判断。
将每根电缆单独盘绕，平放在真空罐内底板上(两层电缆之间宜有一定间隙)，交错叠放2～3层(以电缆不堆积为宜)。
电缆上应均匀设置至少四个测温点，实时监测电缆的温度。
a)低频电缆
①试验温度：65℃±3℃；
②真空罐压力：≤1.3×10-3Pa；
③温度保持时间(T1～T2)：24h～96h，根据监测结果，可提前结束试验，否则试验应持续进行96h；
④升温速率：≤1℃/min；降温速率：≤1℃/min。
电缆网中低频电缆的非金属材料随着温度的升高，材料的质量损失呈线性增加，且材料的质量损失随着烘烤温度的延长而增加，前期增加速度较快，后期逐渐减慢，并趋于平缓。在烘烤时间24h后，材料已损失质量占真空100C环境下总质量损失的78％，因此对放气量大的航天器用非金属材料按上述条件设置进行烘烤处理，降低真空放气量，达到预防污染目的。
b)高频电缆
①试验温度
对于电缆网中的一般高频电缆，根据其在轨使用温度的基础上升高10℃，当测得的温度高于65℃时，取该测试温度±3℃为试验温度，低于65℃时，取65℃±3℃为试验温度。
对于电缆网中型号为SFCG-50-5-51、SFCG-50-3-51的电缆，取85℃±3℃为试验温度；型号为SRR-50-2、SFB-75-3-2的电缆，取100℃±3℃为试验温度。
②真空罐压力：≤1.3×10-3Pa；
③温度保持时间(T1～T2)：24h～96h，根据监测结果，可提前结束试验，否则试验应持续进行96h；
④升温速率：≤1℃/min、降温速率：≤1℃/min。
低频电缆中的小分子增塑剂邻苯二甲酸酯类通过设定的烘烤温度可完全释放出来，高频电缆如果沿用与低频电缆相同的温度进行烘烤，则大分子的硅氧烷类物质并不能得到充分的释放，部分硅氧烷需要更高的温度进行烘烤才能释放出来，因此，对于不同非金属材料的低频电缆和高频电缆规定不同的烘烤温度。同样对于高频电缆非金属绝缘层材料的差异，也设置了不同的烘烤温度，随着温度的升高，污染物的总量也在增加，因此，在不影响电缆性能的前提下，温度越高，材料的逸出气体越多，即材料的污染物成份和含量越多。
四、试验前准备
对真空烘烤试验设备进行清洁处理。开启真空系统，待压强小于1×10-2Pa后，向热沉(真空罐壁里的管路，可以注入氮气，使其达到升温或降温的物质)充入高温氮气，使热沉烘烤温度不低于125℃。维持36h后开始复压操作，先向热沉充入99.999％高纯氮气，使其压强恢复到100Pa～1000Pa，再充入10万级净化的干燥空气，直至恢复到正常大气压。真空烘烤设备清洁处理完成后，应在一周内进行烘烤试验，清洁后不应进行任何其它操作，否则视为清洁无效。真空罐连续空载运行24h，有机污染物不应超过1×10-7g/cm2(取样点TQCM温控石英晶体微量天平晶片温度为-50℃，压强小于1×10-3Pa)，否则应对试验设备进行真空烘烤清洁处理。
五、试验流程
所有高频电缆和低频电缆的试验流程都是一样的，只是试验温度设置不一样。具体试验流程如图1所示，下述试件指被试验的高频电缆或低频电缆。
1)抽真空
抽真空时，控制TQCM到348K并在整个抽真空过程中维持此温度。保持真空系统压力≤1*10-2Pa。
2)试验
为更加准确检测电缆网通过真空烘烤试验而挥发出的污染物质量、污染物成分，可将TQCM、CWS和光学试片都放入真空罐内，也可简化检测手段试验，只将光学试片放入真空罐内，具体如图2所示。
图3为电缆试件进行真空烘烤试验示意图。根据图3，真空罐先抽真空≤1*10-2Pa，然后以≤1℃/min速率从室温开始升温，电缆试件升到要求烘烤的温度，再烘烤保持24h～96h，烘烤时间满足要求后，再以≤1℃/min速率降温至室温。试验结束。
3)试验结束
a)复压操作
关闭真空系统，先向容器内充入纯度为99.999％的氮气，使压力恢复到1*10-2Pa，当热沉温度高于露点温度后，再充入100000级净化的干燥空气至常压。应控制复压速率，防止真空容器内颗粒物被转移到敏感件的表面或进入其内部。控制真空容器热沉的加热速率，防止污染物从热沉转移至CWS和试件上。在整个复压过程中侧门热沉(真空罐壁的侧门)始终保持低温状态。
b)TQCM、CWS、光学试片处理
复压结束后，停侧门热沉液氮，当热沉温度达到室温时，打开侧门，取出TQCM、CWS或光学试片，将其贮存在密封的保护性运输容器或运输包装箱中，送到相关分析实验室进行分析，确定其是否超过规定的污染损失极限。
TQCM将收集的挥发污染物累积量进行称重，通过对累积污染量小于5*10-6g/cm3质量的试验评价，检测污染物是否超标。
CWS将收集的污染物进行污染物成分分析，以判断该污染物是来自哪类电缆绝缘层非金属材料。
光学试片将收集的污染物进行光学透过率分析和测试，测得透过率<0.1％即可。
对TQCM、CWS和光学试片收集的污染物进行综合检测和评价，判断电缆在真空烘烤试验中所挥发出的污染物的质量和成分。通过烘烤试验，一方面可减少电缆对航天器敏感器件的污染，另一方面也可作为选用电缆绝缘层材料的设计依据。
c)试件处理
取出烘烤后的试件，并立即对其进行检测，检测后立即对其进行封装，防止环境对其造成污染。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种航天器电缆网的真空烘烤试验方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)对真空烘烤试验设备进行清洁处理；所述的真空烘烤试验设备包括真空系统、加热器和测试系统，所述的测试系统包括温控石英晶体微量天平、残余气体分析仪、以及收集颗粒物沉降和非挥发性残留物的收集板；所述对真空烘烤试验设备进行清洁处理，包括开启真空系统，待压强小于1×10-2Pa后，向热沉充入高温氮气，使热沉烘烤温度不低于125℃，维持36h后开始复压操作，先向热沉充入99.999％高纯氮气，使其压强恢复到100Pa～1000Pa，再充入10万级净化的干燥空气，直至恢复到正常大气压；
(2)将电缆试件单独盘绕，平放在真空系统的底板上；
(3)对真空系统进行抽真空，控制温控石英晶体微量天平到348K并在整个抽真空过程中维持此温度，同时保持真空系统压力≤1*10-2Pa；
(4)真空系统以≤1℃/min速率从室温开始升温，将电缆试件升到要求烘烤的温度，再烘烤保持24h～96h，烘烤时间满足要求后，真空系统再以≤1℃/min速率降温至室温；对于低频电缆，要求烘烤的温度为65℃±3℃，对于高频电缆，则首先在其在轨使用温度的基础上升高10℃，然后判断升高10℃后的温度是否高于65℃，若高于则取升高10℃后的温度±3℃作为要求烘烤的温度，若不高于65℃，则取65℃±3℃作为要求烘烤的温度；
(5)关闭真空系统，先向真空系统内充入纯度为99.999％的氮气，使压力恢复到1*10- 2Pa，当真空系统热沉温度高于露点温度后，再充入干燥空气至常压，然后停止充入氮气；
(6)当真空系统热沉温度达到室温时，取出温控石英晶体微量天平、残余气体分析仪、以及收集颗粒物沉降和非挥发性残留物的收集板，确定其是否超过规定的污染损失极限。
2.根据权利要求1所述的一种航天器电缆网的真空烘烤试验方法，其特征在于：所述的步骤(6)中确定是否超过规定的污染损失极限的方法为：
对于温控石英晶体微量天平，将收集的挥发污染物累积量进行称重，若累积污染量小于5*10-6g/cm3，则判定污染物未超标；
对于残余气体分析仪，将收集的污染物进行污染物成分分析，判断该污染物是来自哪类电缆绝缘层非金属材料；
对于收集颗粒物沉降和非挥发性残留物的收集板，将收集的污染物进行光学透过率分析和测试，测得透过率<0.1％即可。
3.根据权利要求1或2所述的一种航天器电缆网的真空烘烤试验方法，其特征在于：所述的电缆试件在放入真空系统之前还要完成电性能检查，对于低频电缆包括：①用电阻表测试电缆中各电连接器接点间的导通性，导通电阻应不大于1Ω；②用兆欧表测试电缆上所有不相通的接点间的绝缘阻值，所有接点与电连接器壳体间的绝缘阻值不小于200MΩ/250V；对于高频电缆，包括：①检查每根电缆内导体均应连续；②检查试验1min内电缆不应有耐压情况；③检查电缆绝缘电阻为1000MΩ·km。
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