鄭雪松，丁麗娜，王文炎，張洪偉,3，羅 磊，劉婧宇，吉 俐，王榮飛，劉 賁

（1. 中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094；2. 貴州航天電器股份有限公司，貴陽 550009；3. 國防科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，長沙 410073）

0 引言

空間用長壽命自浮動(dòng)電連接器是空間機(jī)械臂必不可少的重要元器件，是實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂末端連接的重要通道，其可靠性直接關(guān)系機(jī)械臂能否穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。

空間用長壽命自浮動(dòng)電連接器長期暴露于低地球軌道空間環(huán)境中[3-4]，原子氧侵蝕效應(yīng)是導(dǎo)致其性能退化的主要因素[5-7]。表征原子氧侵蝕行為的理論模型[8]有物理濺射模型、沖擊誘發(fā)和增強(qiáng)表面化學(xué)刻蝕機(jī)制、掏蝕模型、反射性散射模型、結(jié)合鍵方向性模型、分子隨機(jī)動(dòng)力學(xué)模型、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型以及量子力學(xué)模型等。現(xiàn)階段對(duì)于原子氧侵蝕效應(yīng)的研究主要包括地面模擬試驗(yàn)及計(jì)算機(jī)仿真分析：地面模擬試驗(yàn)主要針對(duì)材料級(jí)樣品或小型器件在原子氧侵蝕下的質(zhì)損行為；計(jì)算機(jī)仿真分析可針對(duì)航天器大型及異形部件的原子氧輻照通量進(jìn)行計(jì)算[8-12]，并結(jié)合材料原子氧侵蝕試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，對(duì)大型部件各處的侵蝕特征進(jìn)行計(jì)算分析，且較之模擬試驗(yàn)具有費(fèi)用低、周期短的優(yōu)勢(shì)。

本文以空間機(jī)械臂用長壽命自浮動(dòng)電連接器為研究對(duì)象，通過地面模擬及計(jì)算機(jī)仿真對(duì)空間原子氧侵蝕效應(yīng)進(jìn)行研究，為空間站用電連接器的設(shè)計(jì)及壽命預(yù)測(cè)提供參考。

1 研究對(duì)象

試驗(yàn)樣品采用貴州航天電器股份有限公司生產(chǎn)的某型空間用長壽命自浮動(dòng)電連接器。該連接器的插頭與插座采用直插連接、直拔分離，殼體插合端設(shè)置有大倒角對(duì)接導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)六自由度大容差對(duì)接導(dǎo)向功能；插頭或插座上設(shè)置有自浮動(dòng)歸中機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)六自由度大容差浮動(dòng)功能，確保插頭與插座的精準(zhǔn)對(duì)接，并可在兩者分離后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位；插頭或插座上設(shè)置有超行程彈性退讓機(jī)構(gòu)，可保護(hù)連接器免受超額插合力破壞，并在外力卸除后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位，連接器的外形如圖1 所示。原子氧侵蝕行為研究的主要對(duì)象為連接器上與空間環(huán)境直接接觸的表面材料——聚苯硫醚（pps）和硅橡膠。

2 原子氧通量計(jì)算

計(jì)算采用蒙特卡羅法及光學(xué)追蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低地球軌道空間原子氧與電連接器交互作用的模擬，獲取電連接器三維空間原子氧通量分布；同時(shí)借助材料原子氧侵蝕地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將剝蝕率數(shù)據(jù)代入模擬計(jì)算過程中，針對(duì)電連接器插針、針孔等異型結(jié)構(gòu)的侵蝕行為進(jìn)行計(jì)算。

2.1 原子氧通量表達(dá)式

空間環(huán)境中原子氧的濃度c可以通過航天器所在位置確定。如圖2 所示，設(shè)某時(shí)刻航天器表面某微元的面積為dS，法向矢量為n，氧原子相對(duì)于航天器的運(yùn)動(dòng)速度為vtot，則航天器該處表面的原子氧通量密度（定義為單位面積單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)表面的原子氧總數(shù)目）可以表示為

圖2 微元表面原子氧通量Fig. 2 Atomic oxygen flux on the surface of the micro element

從式(1)可以看出，航天器當(dāng)前所處環(huán)境的原子氧濃度和原子氧相對(duì)于航天器的運(yùn)動(dòng)速度是計(jì)算原子氧通量的重要參數(shù)，前者可以由低地球軌道大氣模型確定，后者需要結(jié)合航天器軌道參數(shù)、航天器運(yùn)行位置和原子氧熱運(yùn)動(dòng)來確定。航天器表面微元的法向矢量也是關(guān)鍵參數(shù)，由航天器運(yùn)行姿態(tài)和航天器形狀確定。

2.2 原子氧計(jì)算環(huán)境模型驗(yàn)證

本文采用自主編寫的空間原子氧侵蝕計(jì)算軟件針對(duì)電連接器原子氧侵蝕行為進(jìn)行計(jì)算，而計(jì)算過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵就是正確構(gòu)建航天器所處空間位置的原子氧濃度。本文研究中，采用國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 544A—2000《地球大氣模式（90～2500 km）》[13]規(guī)定的模型對(duì)地球高空大氣模式進(jìn)行了建模，得到了低地球軌道不同位置的大氣原子氧濃度，用于式(1)的計(jì)算。

一般而言，航天器在軌道中所處位置的原子氧濃度與軌道高度、實(shí)時(shí)位置所在的經(jīng)緯度、該時(shí)刻的太陽活動(dòng)強(qiáng)度以及地磁場(chǎng)相關(guān)。本文研究中，航天器的實(shí)時(shí)位置（高度、經(jīng)緯度）通過對(duì)航天器作開普勒軌道假設(shè)，使用數(shù)值計(jì)算的方法得到。太陽活動(dòng)強(qiáng)度是影響原子氧濃度的關(guān)鍵參數(shù)，一般采用10.7 cm 太陽射電通量（F107）來描述，該參數(shù)隨著太陽活動(dòng)周期而變化，一段時(shí)間內(nèi)的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值如圖3 所示。圖中以月為單位，將實(shí)測(cè)值平滑擬合，并根據(jù)實(shí)測(cè)曲線的趨勢(shì)預(yù)測(cè)未來某個(gè)月的F107值。從圖中可以看出，F(xiàn)107取值大約在70～150范圍之內(nèi)，平均值約為100。對(duì)于未來的航天任務(wù)，其執(zhí)行周期內(nèi)的原子氧濃度平均值取決于任務(wù)的時(shí)間段；對(duì)于研究而言，往往取最大值和最小值給出原子氧濃度的范圍用于器件的性能評(píng)估。本文為了驗(yàn)證大氣模型給出的原子氧濃度的正確性，使用不同平均F107值計(jì)算了國際空間站軌道上的原子氧濃度，結(jié)果如圖4 所示。

圖3 10.7 cm 太陽射電通量變化趨勢(shì)Fig. 3 Evolution of solar radio flux with the wavelength of 10.7 cm

圖4 國際空間站軌道各位置原子氧濃度數(shù)值Fig. 4 Atomic oxygen concentration at different positions in the orbit of the International Space Station

圖4 中軌道高度為航天器在運(yùn)行軌道實(shí)時(shí)位置距離地球表面的高度，本文計(jì)算中考慮了地球的橢球形狀，不同軌道位置的高度為實(shí)時(shí)位置距離地心的距離減去該位置地球表面到地心的距離，因而呈現(xiàn)出連續(xù)的起伏，其平均高度約為420 km。橫坐標(biāo)為航天器在軌道平面的位置，以真近點(diǎn)角為參量。計(jì)算過程中以軌道近地點(diǎn)與地心連線為起始位置，此時(shí)真近點(diǎn)角為0°，航天器在軌道上運(yùn)行1 圈，真近點(diǎn)角逐漸增加到360°。采用圖3 中F107的典型值，計(jì)算F107=75、100、125、150 下軌道各位置的原子氧濃度，該濃度值與軌道高度、經(jīng)緯度同時(shí)相關(guān)，呈現(xiàn)出連續(xù)變化的趨勢(shì)。圖中同時(shí)給出在軌道上運(yùn)行1 圈的原子氧濃度平均值，對(duì)于F107=75、100、125、150，原子氧濃度的平均值分別為2.88×1013m-3、4.73×1013m-3、7.05×1013m-3、9.78×1013m-3。作為對(duì)比，圖中還給出NASA 文獻(xiàn)中420 km 高度的原子氧濃度（nAO(NASA)= 6.78×1013m-3），該值與nAO(125)基本相當(dāng)，印證了本文采用的大氣模型及其編程實(shí)現(xiàn)的正確性。

本文在后續(xù)的研究中采用此大氣模型，對(duì)于任務(wù)時(shí)間段范圍內(nèi)取F107預(yù)測(cè)值的平均值作為太陽活動(dòng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)，計(jì)算給定軌道上不同位置的原子氧濃度，以及連接器在服役過程中受到的原子氧累積通量。

2.3 相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算

如圖5 所示，原子氧相對(duì)于航天器的運(yùn)動(dòng)速度可通過矢量運(yùn)算表示為

圖5 原子氧相對(duì)于航天器的速度矢量合成示意Fig. 5 Composite diagram of the velocity vector of atomic oxygen relative to the spacecraft

式中：vorbital為由于航天器軌道運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的原子氧相對(duì)于航天器的速度，等于航天器軌道運(yùn)動(dòng)速度的反向矢量；vco-rotation為原子氧隨著地球自轉(zhuǎn)而具有的相對(duì)于地球坐標(biāo)系的速度，在假設(shè)原子氧和地球自轉(zhuǎn)同步的情況下，可以用航天器的軌道高度在航天器所在緯度的投影乘以地球自轉(zhuǎn)角速度得到；vMaxwellian為原子氧由于熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的速度，其方向和大小均是隨機(jī)的，總體服從麥克斯韋分布，其平均值與航天器所處環(huán)境溫度有關(guān)。

由熱運(yùn)動(dòng)麥克斯韋分布和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度推導(dǎo)出來的原子氧通量解析表達(dá)式為

3 電連接器原子氧侵蝕行為計(jì)算

3.1 剝蝕率參數(shù)的獲得

在原子氧侵蝕行為特征計(jì)算的過程中，暴露于原子氧環(huán)境下材料的剝蝕率是一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)——將原子氧通量與剝蝕率相結(jié)合可計(jì)算出材料的原子氧侵蝕厚度。原子氧剝蝕率一般通過材料數(shù)據(jù)庫或地面模擬試驗(yàn)獲得。利用微波電子回旋共振（ECR）原子氧環(huán)境模擬技術(shù)，對(duì)某系列矩形自浮動(dòng)電連接器所用材料進(jìn)行原子氧試驗(yàn)研究，結(jié)果如表1 所示。需要指出的是，電連接器的外殼材料為鋁，其表面存在致密的氧化膜，在原子氧侵蝕下剝蝕率為0；整個(gè)矩形自浮動(dòng)電連接器的原子氧侵蝕集中在器件中心區(qū)域，插頭及插座的主要暴露材料分別為聚苯硫醚（pps）及硅橡膠，因此在模擬計(jì)算過程將這2 種材料的剝蝕率代入進(jìn)行計(jì)算。

表1 某系列矩形自浮動(dòng)電連接器用材料的原子氧試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of atomic oxygen tests of materials for rectangular self-floating electrical connectors

3.2 原子氧侵蝕行為計(jì)算

電連接器在空間服役過程中存在各種工況，故原子氧撞擊器件時(shí)存在不同的攻角；受到器件外形遮擋效應(yīng)的影響，不同攻角下的原子氧侵蝕行為并不相同，原子氧垂直撞擊材料表面時(shí)的原子氧侵蝕效應(yīng)最為明顯。因此，本文針對(duì)最為嚴(yán)苛的工況，對(duì)軌道高度400 km、軌道傾角42°，在軌累計(jì)運(yùn)行15 年的電連接器所受原子氧侵蝕進(jìn)行模擬。圖6、圖7 所示分別為在原子氧垂直輻照下，某系列矩形自浮動(dòng)電連接器內(nèi)部的累積原子氧通量和侵蝕厚度。

圖6 垂直撞擊下電連接器內(nèi)部累積原子氧通量Fig. 6 Cumulative atomic oxygen flux on electrical connector under vertical atomic oxygen attack

由圖7 可見，由于受到電連接器異型結(jié)構(gòu)的影響，該款電連接器各部分的侵蝕厚度并不相同。受插頭孔內(nèi)形狀的影響，原子氧粒子在孔內(nèi)多次反射，使得孔內(nèi)的原子氧通量高于表面的，因此孔內(nèi)部的侵蝕厚度也大于表面的，最大約為69 μm；而受到鋁外殼反射效應(yīng)的影響，外殼附近的原子氧侵蝕厚度也大于中心區(qū)域的。同樣，插座也受鋁外殼反射效應(yīng)的影響，內(nèi)部的侵蝕厚度較外部的明顯增加，最大約為70 μm。但插座與插頭的最大侵蝕厚度均遠(yuǎn)小于電連接器加工精度，不影響元器件性能指標(biāo)。

圖7 原子氧垂直撞擊下電連接器內(nèi)部侵蝕厚度Fig. 7 Distributions of erosion thickness of electrical connector under vertical atomic oxygen attack

4 原子氧侵蝕行為驗(yàn)證

利用蘭州空間技術(shù)物理研究所原子氧/紫外綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備YZY100-ZW 開展電連接器原子氧試驗(yàn)：本底真空度不高于1.3×10-3Pa；原子氧能量5～8 eV，凈作用時(shí)間約1400 h，通量密度為1.5×1016cm-2?s-1（±10%），累積通量為7.83×1022cm-2（依據(jù)總體要求選?。７謩e在試驗(yàn)前、試驗(yàn)中和試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行外觀檢查，依據(jù)GJB 1217A—2009 中方法3003 進(jìn)行室溫絕緣電阻測(cè)試，依據(jù)GJB 1217A—2009 中方法3001進(jìn)行海平面介質(zhì)耐電壓測(cè)試[14]。

試驗(yàn)前/后的試驗(yàn)件外觀見圖8 中混裝的矩形電連接器。試驗(yàn)后，試驗(yàn)件除對(duì)接端面顏色變淺外，無其他肉眼可見的明顯變化，無裂紋、無變形；試驗(yàn)件的室溫絕緣電阻大于1×105GΩ，海平面介質(zhì)耐電壓測(cè)試通過。

圖8 試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的試驗(yàn)件外觀Fig. 8 Appearances of samples before and after the test

5 結(jié)束語

本文針對(duì)某空間用長壽命自浮動(dòng)電連接器的原子氧侵蝕行為進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究，借助光線追蹤技術(shù)充分考慮電連接器結(jié)構(gòu)對(duì)于原子氧粒子的遮擋與反射效應(yīng)，結(jié)合電連接器用材料地面環(huán)境模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)服役周期為15 年最惡劣原子氧環(huán)境條件下的電連接器原子氧侵蝕行為進(jìn)行模擬計(jì)算，仿真結(jié)果可直觀顯示電連接器表面各部分所受原子氧侵蝕的差異及相應(yīng)的數(shù)值，亦得到地面模擬試驗(yàn)的印證。

隨著航天任務(wù)的發(fā)展，對(duì)于空間原子氧侵蝕的研究從材料級(jí)向器件級(jí)部組件級(jí)轉(zhuǎn)變，而對(duì)于異形的器件級(jí)部組件來說，其表面形貌所引發(fā)的原子氧遮擋、反射等效應(yīng)直接影響整體的侵蝕行為。傳統(tǒng)的材料級(jí)樣品的試驗(yàn)結(jié)果并不能滿足實(shí)際航天器任務(wù)的需求。因此，針對(duì)異形部件乃至大型結(jié)構(gòu)的原子氧侵蝕行為研究就需要將計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)與地面模擬試驗(yàn)相結(jié)合。經(jīng)驗(yàn)證，本文提出的針對(duì)空間用電連接器原子氧侵蝕行為的計(jì)算方法正確有效，能夠避免過分冗余設(shè)計(jì)，可為后續(xù)LEO 航天器的原子氧防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及開展環(huán)境試驗(yàn)提供參考。