張 醒，張修科，楊樹彬，鮑國苗

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海，201109；2 .陜西應用物理化學研究所，陜西 西安，710061）

火工裝置廣泛應用于各類運載火箭、飛船、衛(wèi)星、探測器等運載航天器的連接分離裝置中，是分離系統(tǒng)中的核心元件。通常航天型號上應用的火工裝置在發(fā)火之前會經歷地面環(huán)境（組裝、試驗、運輸、貯存等）、發(fā)射環(huán)境（加速度、振動、沖擊、噪聲等）和空間環(huán)境（真空、高低溫、粒子輻照、原子氧等）等不同的環(huán)境條件，其中以空間環(huán)境最為復雜和惡劣。在現役型號的運載火箭和衛(wèi)星中，火工裝置主要應用于火箭級間分離、整流罩分離、星箭分離、衛(wèi)星太陽翼展開以及星上機構的解鎖。這些分離動作中，火工裝置工作時刻一般都處于發(fā)射環(huán)境或剛進入空間環(huán)境不久，空間環(huán)境中各因素對火工裝置性能的影響尚不明顯。隨著我國航天技術的迅速發(fā)展，尤其是空間站、月球探測、深空探測等任務的提出，很多火工裝置在發(fā)火前將長時間處于空間環(huán)境中，火工裝置的空間適應性研究的重要性不言而喻。

本文簡述了能夠影響火工裝置性能的主要空間環(huán)境因素，介紹了目前我國空間環(huán)境適應性研究的現狀，并展望了今后火工裝置空間環(huán)境適應性研究的發(fā)展趨勢。

1 空間環(huán)境影響

空間環(huán)境[1-2]中所指空間通常是地面幾十公里高度以上的廣大宇宙區(qū)域。這個空間不僅具有高真空、深低溫等特點，還充斥著各式各樣的粒子和場。其中，能夠對火工裝置的性能產生影響甚至導致其失效的環(huán)境因素主要有真空環(huán)境、高低溫環(huán)境、帶電粒子輻照環(huán)境和原子氧環(huán)境等。

1.1 真空環(huán)境

宇宙真空是理想的潔凈真空，長時間處于高真空環(huán)境中的物質可能出現材料內部物質揮發(fā)和黏著冷焊效應：（1）內部物質揮發(fā)?；鸸ぱb置內可能發(fā)生物質揮發(fā)的有橡膠密封圈、密封膠、潤滑脂等。這種揮發(fā)不僅可能會造成污染，還會造成材料自身變質、失去密封或潤滑功能，從而影響火工裝置的正常工作。（2）黏著冷焊效應。黏著冷焊效應也是較受關注的空間效應之一，如果此類效應發(fā)生在火工裝置運動部件之間，會大大提高運動阻力，甚至導致機構卡死，火工裝置工作失效。

1.2 高低溫環(huán)境

空間環(huán)境的高真空特性決定了物質中的熱量無法通過氣體傳導擴散。因此，火工裝置經常會處于溫差極大的高低溫環(huán)境中。

1.2.1 長期高溫環(huán)境

當火工裝置受到陽光直射時，其最高溫度可達約+150℃。長時間處于高溫環(huán)境往往會帶來金屬材料力學性能下降、火藥發(fā)火能量上升、火藥物理化學性狀變化等問題，可能導致火工裝置發(fā)火時結構破壞，或發(fā)火能量不足以完成功能的情況發(fā)生。

1.2.2 長期低溫環(huán)境

長時間位于陰影區(qū)的火工裝置溫度可降至-150℃以下。低溫環(huán)境會導致非金屬密封元件脆化，從而出現密封失效、火藥燃氣及固體顆粒泄漏的問題。同樣可能導致某些火工裝置因內壓不夠而無法正常工作，或者污染附近光學元件的情況出現。

1.2.3 高低溫交變環(huán)境

對于大部分繞地球飛行的航天器上的火工裝置來說，雖然一般不會長時間處于超高溫和深低溫的環(huán)境，但很可能經歷溫差100K以上的高低溫交變。這種溫度交變帶來的內部溫度應力可能導致結構微裂紋的擴展，各種非金屬部件和裝藥的性能下降或者失去性能，從而降低火工裝置殼體對高內壓的承載能力。

1.3 帶電粒子輻照環(huán)境

空間帶電粒子源主要包括地球輻射帶、太陽粒子事件以及銀河宇宙射線，其產生的帶電粒子輻射可能會對火工裝置產生總劑量效應、表面充放電效應和內部充放電效應等。

1.3.1 總劑量效應

總劑量效應一般指通過長時間輻照后劑量的積累導致的損傷效應。這種效應可能導致火工裝置內的裝藥失效，橡膠等高分子材料強度降低、開裂，以及絕緣材料絕緣失效等問題。常用密封材料輻射損傷閾值見表1。

表1 密封材料的輻射損傷閾值Tab.1 Radiation damage threshold value of the sealing material

1.3.2 表面充/放電效應

表面充/放電效應主要是指由太陽風和地球磁場形成的空間等離子體引起的火工裝置表面靜電荷積累現象，以及由于表面各處的相對電位升高到一定的量值之后，以電暈、飛弧、擊穿等方式發(fā)生靜電放電現象。如果發(fā)生表面放電效應，會對火工裝置的可靠性與安全性產生較大威脅。

1.3.3 內部充/放電效應

內部充電效應是指大通量高能電子直接穿透火工裝置外殼進入內部，在絕緣介質和孤立導體深處堆積電荷的現象。內部放電效應是指當火工裝置遭受長時間、持續(xù)、高通量高能電子注入時，材料內部場強可能達到絕緣材料的擊穿電壓閾值，從而發(fā)生深層放電擊穿絕緣材料的現象。此類現象主要可能發(fā)生于火工裝置內部的絕緣橡膠處，威脅火工裝置的安全性和密封性。

1.4 原子氧環(huán)境

原子氧(Atomic Oxygen，簡稱AO)環(huán)境是低軌最危險的環(huán)境因素之一。原子氧所引起的破壞對材料中存在的缺陷，如微裂紋等十分敏感，易于沿材料內部缺陷產生剝蝕。在原子氧的作用下，材料將受到腐蝕變薄，進而引起性能退化乃至完全失效。因此，原子氧效應的后果十分嚴重。對于長期在低軌運行的衛(wèi)星和空間站上使用的火工裝置的金屬外殼，可能在原子氧的作用下形成不粘的氧化物，造成表面的逐漸侵蝕，降低其力學性能。

2 空間環(huán)境對火工裝置性能影響研究現狀

2.1 新型長期在軌型號火工裝置研究現狀

20世紀我國運載火箭的典型任務中，級間分離、星箭分離、衛(wèi)星太陽翼展開以及某些天線解鎖所使用的火工裝置處于空間環(huán)境的時間一般都不超過24h。隨著新型號新任務的發(fā)展，很多情況下需要火工裝置在軌運行數月甚至數年后再發(fā)火工作完成分離動作，因而對火工裝置空間環(huán)境適應性提出了更高的要求。

（1）長期低溫環(huán)境：某型號火星探測器需要在運載火箭發(fā)射11個月后完成太陽翼解鎖展開動作。該探測器太陽翼使用一組切割器作為解鎖元件。經分析，在軌飛行11個月中，切割器長期處于陰影區(qū)，處于深冷環(huán)境中。為了模擬該環(huán)境，利用液氮使4發(fā)切割器在-180℃以下保溫長達1a時間，之后該型切割器發(fā)火、正常完成切割功能，工作時間分別為2.55ms、3.05 ms、3.40 ms、2.50 ms，滿足指標要求，如圖1所示。

（2）原子氧環(huán)境及帶電粒子輻照環(huán)境：某型號機構上使用了多個爆炸螺栓作為備份分離系統(tǒng)的關鍵部件，要求該型爆炸螺栓在飛行器低軌飛行數年時間內均能正常工作。該火工裝置能否可靠工作直接關系到航天員的生命，因此對該火工裝置開展了較為充分的空間環(huán)境適應性驗證試驗，即驗證材料級原子氧環(huán)境對產品尾部膠粘劑的影響以及材料級帶電粒子輻照環(huán)境對對接機構爆炸螺栓工作性能的影響。

圖1 長期低溫環(huán)境試驗Fig.1 Low temperature test for long time

將圖2所示試驗件放置于原子氧環(huán)境（原子氧積分通量為3.3×1021原子數/cm2）中，記錄試驗前后膠粘劑質量損失數據，并根據樹脂材料的質量損失和原子氧劑量之間的線性關系，計算出飛行環(huán)境下剝蝕厚度為0.753mm，滿足小于4.5mm的使用要求，結果見表2。

圖2 原子氧試驗件Fig.2 Experimental sample of atomic oxygen

表2 膠粘劑損失情況Tab.2 Damage conditions of the adhesive

將火工裝置放入帶電粒子輻照環(huán)境（劑量率：42.04Gy(Si)/min，累計輻照劑量：6.75×104Gy）中，試驗后外觀及電性能無異常變化，發(fā)火情況見表3，均滿足使用要求。

2.2 新型火工裝置空間適應性研究現狀

隨著火工裝置技術的迅速發(fā)展，很多新型火工裝置陸續(xù)應用于航天型號上。新型火工裝置應用的許多新材料，尤其是非金屬材料的空間適應性研究是設計人員面臨的新課題。

某型航天器上使用了非電傳爆火工裝置，要求該火工裝置在軌運行數月后解鎖。為了驗證非電傳爆系統(tǒng)核心部件導爆索中的多種非金屬材料，尤其是非金屬密封材料能否在長期處于空間環(huán)境后依然可靠傳爆，并且密封良好無泄漏，對該系統(tǒng)開展了地面帶電粒子輻照試驗。在經歷足夠劑量的輻照（劑量率：11.06Gy（Si）/min，累計輻照劑量：2.2×105rad）后，該套系統(tǒng)外觀及電性能無異常變化，能夠正常工作，發(fā)火情況如表4所示。

表3 帶電粒子輻照試驗產品發(fā)火情況Tab.3 Fire conditions of the experimental sample after charged particle irradiation

表4 帶電粒子輻照試驗產品發(fā)火數據Tab.4 Fire data of the experimental sample after charged particle irradiation

2.3 研究現狀分析

縱觀我國空間環(huán)境對火工裝置性能影響研究的現狀，雖然多個型號都進行了不同的空間環(huán)境試驗，其火工裝置也都較為順利地通過了地面試驗，但依然存在著一些亟待解決的問題：（1）基礎研究較為薄弱。目前只是在特定型號的特定火工裝置上開展了少量的空間環(huán)境試驗，無論是空間環(huán)境的損傷機理分析，還是金屬/非金屬材料尤其是各類藥劑的空間環(huán)境適用性研究，或是空間環(huán)境損傷防護技術等還處于摸索階段。從長遠看，加強基礎研究對提高空間環(huán)境中火工裝置可靠性，進而提高航天器的可靠性大有裨益。（2）標準建設有待跟進。我國目前的火工裝置相關標準在火工裝置裕度、安全性、溫度環(huán)境適應性、力學環(huán)境適應性等方面有著成熟而明確的要求，但是在空間環(huán)境適應性方面，尚無公認的設計準則、工藝規(guī)范和試驗標準。不論是針對空間環(huán)境開展的火工裝置設計生產，還是各個型號開展的地面驗證試驗，都處于無章可循而自我探索的處境。

3 火工裝置空間環(huán)境適應性研究展望

在不遠的將來，隨著我國空間站、月球探測、行星探測器等多個型號陸續(xù)從方案論證階段轉入工程研制階段，為其配套的火工裝置的研制工作也已經被提上日程。針對當前存在的薄弱環(huán)節(jié)，火工裝置的空間適應性研究將在以下幾方面有所突破：空間環(huán)境中各類藥劑的性能研究；非金屬密封材料，尤其是適應深低溫環(huán)境的密封材料的空間適應性研究；空間環(huán)境防護技術，如降低原子氧侵蝕效應的特種涂覆技術、防止冷焊效應的表面處理技術、針對帶電粒子的屏蔽技術等；空間環(huán)境地面驗證試驗技術；火工裝置標準的修訂以及空間環(huán)境專門標準的制定。

可以預見，長期在軌有人照料的空間站、以探火探金為代表的深空探測以及載人登月工程都會在不遠的將來呈現在世人面前，火工裝置依然是這些型號空間分離的核心技術，影響著整個型號任務的成敗?？臻g環(huán)境對火工裝置性能影響的研究一定會在現有成果的基礎上，進一步發(fā)展深入，并最終為火工裝置在未來重大航天型號上的可靠應用提供有效的技術保障。

[1]黃本誠,主編.空間環(huán)境工程學[M].北京:宇航出版社,1993.

[2]黃本誠,馬有禮.航天器空間環(huán)境試驗技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

[3]朱光武,李保全.空間環(huán)境對航天器的影響及其對策研究[J].上海航天,2002(4): 1-7.

[4]朱光武,李保全.空間環(huán)境對航天器的影響及其對策研究(續(xù))[J].上海航天, 2002(5):9-16.