翟筱羿，方 猛，何建鋒，景旭貞，謝志勇，孟憲會(huì)

（1. 中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2. 鄭州航天電子技術(shù)有限公司，鄭州 450066）

0 引言

結(jié)露是日常生活中普遍存在的自然現(xiàn)象，在人類直接參與活動(dòng)的載人航天器中同樣有可能出現(xiàn)。真空熱試驗(yàn)和航天器飛行數(shù)據(jù)表明，航天器密封艙內(nèi)側(cè)壁、冷板等位置在表面溫度低于一定溫度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

電連接器作為重要的航天器元器件，是航天器設(shè)備和電纜網(wǎng)的組成部分。如何使電連接器適應(yīng)載人航天器密封艙內(nèi)有人工作環(huán)境的需要，在結(jié)露環(huán)境下保證航天器能源傳輸、信號(hào)傳遞工作正常，是目前在航天器環(huán)境適應(yīng)性要求不斷提高的背景下亟需解決的技術(shù)問題之一。

本文通過對(duì)載人航天器密封艙內(nèi)結(jié)露現(xiàn)象的研究和梳理以及對(duì)電連接器性能的影響分析，對(duì)電連接器進(jìn)行了防結(jié)露適應(yīng)性設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了防結(jié)——露性能測試方案，通過試驗(yàn)結(jié)果證明了電連接器防結(jié)露設(shè)計(jì)的有效性以及測試方案的可行性。

1 密封艙內(nèi)結(jié)露原因

1.1 結(jié)露現(xiàn)象的熱力學(xué)基本概念

未經(jīng)特殊指出的空氣一般為濕空氣，是指干空氣和水蒸氣的混合體。

當(dāng)氣溫降低到某一溫度時(shí)，空氣相對(duì)濕度增至100%，達(dá)到飽和狀態(tài)，此溫度稱為露點(diǎn)溫度。

當(dāng)局部環(huán)境溫度低于環(huán)境露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣從飽和空氣中分離出來，凝結(jié)成水滴，產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象[1-2]。

1.2 密封艙內(nèi)結(jié)露現(xiàn)象原因分析

載人航天器在軌飛行時(shí)，艙內(nèi)狀態(tài)受微重力、空間環(huán)境影響，因而相對(duì)地面環(huán)境有其特殊性，但熱力學(xué)定律仍適用于研究艙內(nèi)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)相互作用和變化。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程[3]

式中：P為氣體壓強(qiáng)；V為氣體體積；n為氣體的物質(zhì)量；R為摩爾氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。一定空間內(nèi)，體積不變V1=V2，空氣中的P（壓強(qiáng)）、T（溫度）相互作用、影響，促使空氣溫度、濕度發(fā)生關(guān)聯(lián)性變化，狀態(tài)1的P1、T1變?yōu)闋顟B(tài)2的P2、T2，空氣中包含的水蒸氣越多，達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)溫度降低幅度愈小，露點(diǎn)溫度就愈高；反之，空氣中包含的水蒸氣愈少，其露點(diǎn)溫度愈低。密封艙內(nèi)，一方面，散發(fā)水分的源頭持續(xù)存在，可以促使空氣的絕對(duì)濕度增大；另一方面，存在吸熱源和溫度差，可以促使空氣的相對(duì)濕度增大，兩方面因素綜合作用促使密封艙內(nèi)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

溫度保持穩(wěn)定時(shí)，結(jié)露是否發(fā)生取決于空氣中水蒸氣分壓的大小，即是否有新增水分。在密封艙狹小的空間內(nèi)，由于航天員長時(shí)間的正常呼吸、皮膚表面代謝以及運(yùn)動(dòng)代謝都會(huì)持續(xù)散發(fā)水分、不斷增大絕對(duì)濕度，使艙內(nèi)空氣中的水蒸氣分壓持續(xù)增大。而當(dāng)溫控吹風(fēng)時(shí)，進(jìn)出艙溫、濕度的設(shè)計(jì)必須考慮航天員人體舒適性的需要，進(jìn)風(fēng)濕度控制在相對(duì)濕度 40%～60%范圍內(nèi)[4]，局部空間濕度增加，容易產(chǎn)生結(jié)露。

航天器在軌運(yùn)行期間要經(jīng)歷冷黑環(huán)境（地球陰影區(qū)）與熱真空環(huán)境（光照區(qū)）的交互作用，由于兩種環(huán)境之間存在著巨大的溫差，艙外環(huán)境溫度交替變化，飛船艙體內(nèi)壁形成吸熱源，使密封艙內(nèi)的相對(duì)濕度增大。同時(shí)，艙內(nèi)設(shè)備、器件眾多（其中有很多具有圓形、弧形表面），工況、能耗、散熱能力差異比較大，造成艙內(nèi)空氣溫、濕度分布不均勻，而儀器設(shè)備產(chǎn)生的廢熱又由于在空間微重力環(huán)境下不能全部通過自然對(duì)流[5]排散，形成溫度梯度。密封艙內(nèi)環(huán)境溫度越高，空氣中能夠包含的水蒸氣越多；而環(huán)境溫度越低，空氣中能夠包含的水蒸氣越少。當(dāng)溫度高的空氣轉(zhuǎn)移到溫度低的區(qū)域時(shí)，空氣相對(duì)濕度增大，當(dāng)密封艙內(nèi)局部區(qū)域溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

2 電連接器性能影響和適應(yīng)性設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)露對(duì)電連接器性能的影響

一般情況下，普通的電氣元器件要求存放在相對(duì)濕度 40%以下的環(huán)境中，超過 40%就需要采取防護(hù)措施。

電連接器由金屬材料和非金屬材料組成，如果不具備良好的防潮、防結(jié)露性能，則潮氣經(jīng)過殼體對(duì)接面進(jìn)入電連接器內(nèi)部，會(huì)引起和加劇金屬的腐蝕，導(dǎo)致產(chǎn)品性能和質(zhì)量下降[1]。當(dāng)空氣濕度達(dá)到飽和的情況下，如果在產(chǎn)品內(nèi)部形成結(jié)露，可能使供電正負(fù)極之間擊穿，引發(fā)設(shè)備和電纜網(wǎng)安全事故。

2.2 電連接器防結(jié)露設(shè)計(jì)

密封艙內(nèi)的熱力學(xué)環(huán)境防護(hù)方式分為主動(dòng)和被動(dòng)2種方式。主動(dòng)方式是指通過艙內(nèi)溫控系統(tǒng)來調(diào)節(jié)區(qū)域溫、濕度的平衡；被動(dòng)方式是指采取防護(hù)性設(shè)計(jì)提高艙內(nèi)設(shè)備的防結(jié)露能力。根據(jù)艙內(nèi)設(shè)備、電纜的分布情況和實(shí)際工作情況，電連接器需要提高被動(dòng)防護(hù)能力。

為滿足載人航天器密封艙的特殊環(huán)境要求，設(shè)計(jì)了新型防結(jié)露電連接器，利用橡膠類密封圈和殼體設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，增強(qiáng)了電連接器插緊時(shí)的密封性，提高電連接器的防結(jié)露能力，保證對(duì)接面的絕緣要求。密封圈材料具有彈性，能貼緊電連接器殼體，在插頭和插座插合狀態(tài)下不會(huì)被擠出；密封圈的材料具有阻燃性，在低氣壓下不得逸出有害氣體；對(duì)密封圈質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)，確保不同批次產(chǎn)品的互換性和可操作性；使用密封圈后，不影響電連接器的電接觸性能，且能保護(hù)其電氣性能。

3 電連接器防結(jié)露性能測試試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

國內(nèi)針對(duì)電連接器性能檢查的主要標(biāo)準(zhǔn)是GJB 1217（電連接器試驗(yàn)方法）[6]，其在防潮性能方面的考核方法包括鹽霧試驗(yàn)和潮濕試驗(yàn)，沒有專門針對(duì)電連接器防結(jié)露性能考核的標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)方法。鹽霧試驗(yàn)主要考核電連接器在鹽溶液噴霧中，其零件、表面處理層、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣參數(shù)是否受到很大影響。潮濕試驗(yàn)主要考核電連接器所用材料的特性，即這些材料經(jīng)高濕熱條件作用后受到的影響和損壞情況，是一種加速老煉的環(huán)境試驗(yàn)。以上2種試驗(yàn)方法與結(jié)露試驗(yàn)考核電連接器防結(jié)露密封圈與插頭殼體相配時(shí)，能否有效防止潮氣進(jìn)入電連接器并在其對(duì)接面形成結(jié)露的要求區(qū)別很大，只能作為參考，不能代替。結(jié)露試驗(yàn)方案需要根據(jù)結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理結(jié)合密封艙內(nèi)真實(shí)的環(huán)境條件來設(shè)計(jì)，嚴(yán)格考核新型電連接器在結(jié)露環(huán)境中的絕緣特性。

要選擇對(duì)環(huán)境溫度、濕度能夠進(jìn)行良好控制的試驗(yàn)設(shè)備。純粹用于濕熱試驗(yàn)的試驗(yàn)箱本身只能提供環(huán)境溫度控制，要想獲得可控的溫度差，必須改進(jìn)試驗(yàn)箱，采用溫、濕度計(jì)量工具，根據(jù)測試的要求設(shè)定溫、濕度的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和范圍，在試驗(yàn)箱中加入溫度可閉環(huán)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)和設(shè)置液體冷源系統(tǒng)控制試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度差，從而使電連接器外表面始終處于結(jié)露環(huán)境中。這種結(jié)露試驗(yàn)箱的環(huán)境控制系統(tǒng)原理如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)，液體冷源系統(tǒng)將冷板溫度調(diào)至低于環(huán)境露點(diǎn)溫度，將電連接器放置在冷板上，形成持續(xù)的結(jié)露環(huán)境。

圖1 結(jié)露試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)原理Fig. 1 Control system of the condensation test device

1）試驗(yàn)環(huán)境：防結(jié)露性能測試要求在不會(huì)泄漏氣體的密封結(jié)露試驗(yàn)箱中進(jìn)行。結(jié)露試驗(yàn)箱周圍環(huán)境條件須滿足GJB 1217試驗(yàn)測試方法的要求，將結(jié)露試驗(yàn)箱（內(nèi)壁材質(zhì)應(yīng)耐腐蝕，保證不影響電連接器）放置于無腐蝕成分的環(huán)境中，防止內(nèi)部測試設(shè)備與電連接器相互影響，從而影響測試結(jié)果。

2）試驗(yàn)產(chǎn)品準(zhǔn)備與放置：本試驗(yàn)主要考核電連接器的對(duì)接面防結(jié)露性能，測試前需首先對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)品的外觀涂層、機(jī)械特性、電氣（導(dǎo)通、絕緣、耐壓等）特性檢查確認(rèn)正常后，完成電連接器的防護(hù)生產(chǎn)工藝和轉(zhuǎn)接電纜尾部防護(hù)工作。準(zhǔn)備工作完成后，將待測試電連接器按照?qǐng)D2所示將插頭、插座插接到位，擺放在結(jié)露試驗(yàn)箱內(nèi)的指定位置上，連接轉(zhuǎn)接電纜。在試驗(yàn)過程中，定時(shí)在引出結(jié)露試驗(yàn)箱外的轉(zhuǎn)接電纜上按GJB 1217中3003方法檢定電連接器的絕緣電阻。

圖2 結(jié)露試驗(yàn)中的電連接器連接關(guān)系Fig. 2 Connection of the electric connector in condensation test

3）試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)：高密度電連接器絕緣阻值不小于10 MΩ/500 V，普通密度電連接器絕緣阻值不小于20 MΩ/500 V，則認(rèn)為滿足防結(jié)露性能要求。

當(dāng)多個(gè)電連接器同時(shí)進(jìn)行測試時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況合理放置電連接器，使其不互相接觸，并能充分進(jìn)行熱交換，不影響試驗(yàn)測試結(jié)果。試驗(yàn)完成后對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)品的外觀以及各項(xiàng)特性進(jìn)行檢查確認(rèn)是否滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)全周期內(nèi)利用溫、濕度計(jì)量工具和控制系統(tǒng)確保測試環(huán)境條件滿足測試要求，保持持續(xù)結(jié)露的環(huán)境；利用專檢設(shè)備判斷單位面積冷凝水結(jié)露量和試驗(yàn)過程中結(jié)露試驗(yàn)箱的實(shí)際用水量，用以評(píng)估結(jié)露試驗(yàn)的強(qiáng)度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

以10種防結(jié)露電連接器產(chǎn)品和未作防結(jié)露處理的比對(duì)產(chǎn)品參加試驗(yàn)，包括具有代表性的9芯、17芯、26芯、52芯等多種芯數(shù)規(guī)格。試驗(yàn)開始前按照測試方案設(shè)置環(huán)境溫、濕度（電連接器放置在冷板上，冷板溫度為8～10 ℃；冷板放置在潮濕環(huán)境中，箱內(nèi)相對(duì)濕度不小于90%，溫度維持在21℃±4 ℃）。試驗(yàn)開始9 min后電連接器表面及冷板表面出現(xiàn)小露珠，16 min時(shí)電連接器表面及冷板表面出現(xiàn)大量水珠，4 h后發(fā)現(xiàn)連接器表面及冷板表面水珠已經(jīng)連成片，且導(dǎo)線表面也有大量水珠。未作防結(jié)露處理的比對(duì)產(chǎn)品的絕緣性能大幅下降，8 h后絕緣電阻低于10 MΩ/500 V，不滿足試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)。而10種防結(jié)露產(chǎn)品系列在240 h持續(xù)結(jié)露環(huán)境下，試驗(yàn)完成時(shí)的絕緣電阻測試結(jié)果如表1所示。絕緣性能均滿足防結(jié)露性能試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)中，電連接器絕緣性能的3種基本變化趨勢如圖3所示。第1種趨勢如圖3(a)所示，電連接器絕緣電阻值在全測試周期內(nèi)保持不變，檢測結(jié)果保持在大于2000 MΩ的狀態(tài)；第2種趨勢如圖3(b)所示，絕緣電阻值在測試的初期和后期有漸變下降逐步保持穩(wěn)定的變化趨勢，后期保持在大于191 MΩ的狀態(tài)；第3種趨勢如圖3(c)所示，絕緣電阻值在經(jīng)過測試初期的漸變下降后逐步保持穩(wěn)定，后期保持在大于1100 MΩ的狀態(tài)。3種變化趨勢過程和結(jié)果均滿足防結(jié)露性能試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 防結(jié)露性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Result of anti-condensation property test

圖3 電連接器絕緣電阻變化趨勢Fig. 3 The variations of the insulation resistance of the electric connectors

試驗(yàn)箱內(nèi)結(jié)露現(xiàn)象明顯，結(jié)露環(huán)境分析與試驗(yàn)情況相吻合，這說明模擬結(jié)露環(huán)境條件的方案設(shè)計(jì)合理，驗(yàn)證了密封艙內(nèi)結(jié)露產(chǎn)生原因的分析。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)分析可知，經(jīng)過防結(jié)露處理的電連接器在試驗(yàn)全程阻值測量滿足設(shè)計(jì)要求，絕緣性能明顯優(yōu)于未作防結(jié)露處理的比對(duì)電連接器，驗(yàn)證了電連接器適應(yīng)性設(shè)計(jì)的有效性。

4 結(jié)束語

本文闡述了密封艙內(nèi)環(huán)境溫濕度相互作用和變化及與結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生的內(nèi)在關(guān)系，為載人航天器用電連接器的環(huán)境條件分析、防結(jié)露設(shè)計(jì)和結(jié)露試驗(yàn)研究提供了依據(jù)。對(duì)電連接器的防結(jié)露設(shè)計(jì)經(jīng)試驗(yàn)證明能適應(yīng)載人航天器短期有人駐留的環(huán)境條件的需要。未來載人航天器飛行時(shí)間將呈跨越式增加，空間環(huán)境對(duì)電連接器的材料和結(jié)構(gòu)的長期影響分析需要更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐和更加科學(xué)有效的分析。

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[6]GJB 1217—1991 電連接器試驗(yàn)方法[S]