劉 志，羅吉，任國華，衛(wèi)麗君

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溫度循環(huán)條件下某光電艙結(jié)霧現(xiàn)象分析

劉 志1，羅吉1，任國華2，衛(wèi)麗君1

（1. 北京華航無線電測量研究所，北京100013；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

溫度循環(huán)篩選是提高產(chǎn)品可靠性的重要手段之一，而光電試驗(yàn)艙內(nèi)溫度循環(huán)引發(fā)的呼吸作用可能是導(dǎo)致光電產(chǎn)品結(jié)霧的原因。文章詳細(xì)分析了某光電艙溫度循環(huán)時(shí)低溫結(jié)霧的現(xiàn)象，通過理論計(jì)算和相關(guān)試驗(yàn)，表明器件內(nèi)部水汽含量過大是此現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因，而密封結(jié)構(gòu)的呼吸作用影響較小。根據(jù)以上結(jié)果，提出了相關(guān)解決措施。

光電試驗(yàn)艙；密封結(jié)構(gòu)；溫度循環(huán)；水汽含量；呼吸作用；結(jié)霧；漏率

0 引言

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為避免或減小外部環(huán)境對內(nèi)部系統(tǒng)的影響，通常會(huì)設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)。密封結(jié)構(gòu)使內(nèi)部與外界環(huán)境隔離，既能保護(hù)內(nèi)部材料表面和內(nèi)部安放的器件不受腐蝕，又可減輕結(jié)構(gòu)件重量、節(jié)省材料。O型圈密封屬于比較常用的密封形式，合適的密封設(shè)計(jì)能達(dá)到很高的接合面壓力，一般可滿足防水和氣密要求。而工程實(shí)際中，一些密封結(jié)構(gòu)長時(shí)間放置或經(jīng)歷外界往復(fù)的溫度、氣壓變化，內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)結(jié)霧，嚴(yán)重的出現(xiàn)積水，造成腐蝕。一般認(rèn)為此現(xiàn)象為密封結(jié)構(gòu)的呼吸作用導(dǎo)致，是受環(huán)境大氣溫度變化影響的必然結(jié)果[1]。在呼吸作用下密封結(jié)構(gòu)內(nèi)空氣含濕量越來越大，當(dāng)相對濕度偏高時(shí)，低溫區(qū)域附近容易達(dá)到露點(diǎn)溫度，導(dǎo)致水蒸氣冷凝成液態(tài)水，產(chǎn)生結(jié)霧現(xiàn)象[2]。呼吸作用的進(jìn)行是一個(gè)非常緩慢的過程，在短期內(nèi)可能不會(huì)影響器件的工作性能[3]。

某光電艙研制過程中發(fā)現(xiàn)，在溫度循環(huán)由高溫降至低溫階段時(shí)，光電艙鏡片內(nèi)壁出現(xiàn)結(jié)霧現(xiàn)象。為查明是否為光電艙密封性能設(shè)計(jì)不足，發(fā)生較嚴(yán)重的呼吸作用所致，進(jìn)行了理論計(jì)算和試驗(yàn)分析。

1 結(jié)霧現(xiàn)象

某光電艙結(jié)構(gòu)如圖1所示，在研制中按要求需要進(jìn)行6個(gè)溫度循環(huán)篩選，條件為：高溫60℃，保持2h；低溫-40℃，保持2h，溫變速率15℃/min。篩選進(jìn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度循環(huán)試驗(yàn)箱由高溫60 ℃降溫至-40℃過程中，光電艙鏡片的內(nèi)壁從某個(gè)循環(huán)開始有水霧凝結(jié)，低溫保持階段水霧消失。該現(xiàn)象通常不會(huì)在剛開始的幾個(gè)溫度循環(huán)中出現(xiàn)，而是進(jìn)行到某個(gè)循環(huán)階段后才出現(xiàn)；一旦出現(xiàn)，后續(xù)溫度循環(huán)中由高溫降至低溫階段水霧會(huì)重復(fù)出現(xiàn)。

A. 光學(xué)探測器；B. 光學(xué)鏡頭；C. 密封結(jié)構(gòu)；1,2,3. O型密封圈。

-40 ℃時(shí)可見光光路結(jié)霧，會(huì)對光學(xué)成像造成一定影響。為提高產(chǎn)品可靠性，降低產(chǎn)品使用風(fēng)險(xiǎn)，有必要對此現(xiàn)象進(jìn)行分析，以制定合理的解決措施。

2 光電艙性能要求及氣密性指標(biāo)

光電艙在正常大氣壓下使用，研制任務(wù)書要求產(chǎn)品氣密，但無量化的漏率指標(biāo)；例行試驗(yàn)要求產(chǎn)品工作的最惡劣工況為-40℃。氣密性檢查時(shí)參考同類光電產(chǎn)品的指標(biāo)，要求在常溫時(shí)進(jìn)行打壓檢驗(yàn)，即產(chǎn)品內(nèi)部加壓至130kPa（內(nèi)外壓差30kPa，產(chǎn)品由25℃降溫至-40℃，內(nèi)部氣壓下降21.8kPa），保壓3h壓降≤5%；同時(shí)考慮到光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)，要求產(chǎn)品在6個(gè)溫度循環(huán)過程中無結(jié)霧現(xiàn)象。

圖1中，光電艙由外部密封結(jié)構(gòu)（C）和內(nèi)部光學(xué)器件（A、B）組成。密封結(jié)構(gòu)（C）的構(gòu)件通過螺釘進(jìn)行連接，由硅橡膠O型密封圈（1,2,3）進(jìn)行密封，鏡片通過硅橡膠粘接在構(gòu)件上，組成密封結(jié)構(gòu)的一部分。光學(xué)探測器（A）與光學(xué)鏡頭（B）一起安裝在光電艙內(nèi)部。光電艙內(nèi)部空間可分為3部分：光學(xué)探測器A內(nèi)部空間Ⅰ，光學(xué)鏡頭B內(nèi)部空間Ⅱ，以及光電艙內(nèi)除Ⅰ和Ⅱ外的空間Ⅲ，實(shí)際內(nèi)部空間（Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ）總和為=6×105mm3。按工藝流程，光電艙在進(jìn)行溫度循環(huán)篩選試驗(yàn)前進(jìn)行了氣密性檢查，向其內(nèi)部沖入高純氮?dú)?，加壓?30kPa，保壓3h后讀取壓力表數(shù)值，發(fā)現(xiàn)氣壓未下降，故按評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為光電艙的氣密性達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。氣密性檢查通過后，向光電艙內(nèi)部充入高純氮?dú)猓瑲鈮簽?atm。

3 結(jié)霧現(xiàn)象分析

一定壓力下的不飽和水汽，在溫度降低時(shí)，會(huì)逐漸變得飽和而使部分水汽凝結(jié)為露（霜）。此時(shí)，水從氣相變?yōu)橐合啵瑢?yīng)的溫度稱為露點(diǎn)，水分含量亦稱為飽和水汽密度（絕對濕度）。在一定壓力下，露點(diǎn)與飽和水汽密度是一一對應(yīng)的，因此空氣中水汽含量也可以用露點(diǎn)表示，標(biāo)準(zhǔn)[4]中已有準(zhǔn)確測量值可供理論計(jì)算時(shí)參考（見表1）。在降溫過程中，光電艙光學(xué)鏡片內(nèi)壁有霧氣出現(xiàn)，表明艙內(nèi)密封空間中的水汽密度達(dá)到了該溫度下的飽和水汽密度，而根據(jù)光電艙的結(jié)構(gòu)特征，溫箱降溫過程中，鏡片處的溫度較低，霧氣便凝結(jié)在鏡片內(nèi)壁。

表1 溫度與飽和水汽密度

根據(jù)溫度循環(huán)結(jié)霧現(xiàn)象分析：當(dāng)溫度下降至-40℃時(shí)，光電艙內(nèi)部有霧氣（霜）凝出，說明此時(shí)空間Ⅲ內(nèi)的水汽密度應(yīng)不低于該溫度下飽和水汽密度（0.102g/m3）。而溫度循環(huán)前已向光電艙內(nèi)充入高純氮?dú)?，?shí)際測試該氮?dú)饴饵c(diǎn)為-71℃，且在起初幾個(gè)溫度循環(huán)中并未觀察到結(jié)霧現(xiàn)象，說明期間空間Ⅲ內(nèi)的水汽密度低于該溫度下飽和水汽密度，也就是說執(zhí)行氮?dú)獬淙牍に嚂r(shí)未引入水汽。但隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，空間Ⅲ內(nèi)的水汽密度逐漸升高，到觀察到結(jié)霧現(xiàn)象時(shí)，已超過該溫度下飽和水汽密度。

4 氦質(zhì)譜檢漏及漏率評(píng)定

為進(jìn)一步評(píng)估光電艙密封性能，抽取同批次、同狀態(tài)2套氣密性合格的光電艙作為試件，委托某研究所對光電艙進(jìn)行檢漏，根據(jù)對航天產(chǎn)品常用泄漏檢測方法的分類及介紹[5]，結(jié)合產(chǎn)品使用工況，選擇氦質(zhì)譜檢測方法來定量測量系統(tǒng)漏率。設(shè)計(jì)了常溫負(fù)壓工況、高溫工況、低溫負(fù)壓工況的系統(tǒng)漏率測量試驗(yàn)。實(shí)際測量時(shí)選取了不同工況，以全面評(píng)估密封結(jié)構(gòu)的密封性能，檢測結(jié)果見表2。

表2 光電艙漏率檢測結(jié)果

光電艙沒有量化的漏率指標(biāo)，需參考同類型產(chǎn)品漏率指標(biāo)以及產(chǎn)品實(shí)際使用情況綜合評(píng)價(jià)其密封性能。盛放介質(zhì)毒性程度為極度危害的容器，對氣密性要求嚴(yán)格，一般允許的泄漏率為不大于1×106Pa·m3·s-1[6]。大型空間環(huán)境模擬器中用到的熱沉，其密封性能直接影響到模擬器所模擬的冷、黑真空環(huán)境的指標(biāo)，其漏率也要求較高，實(shí)際使用中對每一級(jí)熱沉進(jìn)行漏率測試，保證熱沉整體最大允許漏氣率＜1.33×10-6Pa·m3·s-1[7]。載人航天器密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要求密封艙體結(jié)構(gòu)單位長度焊縫漏率＜2.0×10-7Pa·m3·s-1·m-1[8]。從表2給出的漏率檢測結(jié)果看，光電艙密封結(jié)構(gòu)的實(shí)測漏率也基本達(dá)到了10-7量級(jí)，實(shí)際工作時(shí)內(nèi)外壓差不超過21.8kPa，工況良好，因此，可認(rèn)為光電艙密封性能滿足使用要求。

5 水汽來源分析

5.1 外部引入水量分析

由理想氣體狀態(tài)方程=可知，密封腔體內(nèi)氣體壓力因溫度變化而變化。式中：為氣體壓力，Pa；為氣體體積，m3；為氣體的物質(zhì)的量，mol；為氣體摩爾常數(shù)，8.3143J/(K·mol)；為氣體熱力學(xué)溫度，K。當(dāng)密封結(jié)構(gòu)內(nèi)氣體溫度發(fā)生變化時(shí)，氣壓也隨著變化，其變化量為

Δ=Δ/。 (1)

若結(jié)構(gòu)密封性能不足，溫度循環(huán)的高溫階段，艙內(nèi)溫度升高，艙內(nèi)氣體就會(huì)自內(nèi)向外流出；溫度循環(huán)的低溫階段，艙內(nèi)溫度降低，氣體就會(huì)自外向內(nèi)流入。由于不可能做到絕對的氣密，光電艙肯定存在一定的泄漏率，即艙內(nèi)溫度變化時(shí)會(huì)有呼吸作用。

如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密封性能不足、固有漏率過大，在溫度循環(huán)時(shí)的呼吸作用下，溫箱內(nèi)水汽進(jìn)入艙內(nèi)，也可導(dǎo)致光電艙鏡片出現(xiàn)結(jié)霧現(xiàn)象。為評(píng)估該密封結(jié)構(gòu)經(jīng)溫度循環(huán)后會(huì)否引入水汽及引入水汽的量，下面進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

5.1.1 理論分析

目前，光電艙在嚴(yán)格控制濕度的25℃條件下進(jìn)行裝配，內(nèi)部氣壓為1atm，即101kPa；可利用式(1)計(jì)算出溫度循環(huán)高低溫狀態(tài)下艙內(nèi)氣壓1的變化：60℃溫度穩(wěn)定時(shí)，1=101+11.7=112.7kPa；-40℃溫度穩(wěn)定時(shí)，1=101?21.8=79.2kPa。即，單個(gè)溫度循環(huán)時(shí)，氣體既有流入也有流出。

一定空間內(nèi)空氣水汽含量為

=， (2)

式中：為相對濕度，%；為飽和水汽密度，g/m3。

假設(shè)：1）充入氮?dú)夂?，空間Ⅲ內(nèi)水汽密度為露點(diǎn)-70℃；2）對光電艙進(jìn)行72個(gè)溫度循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，空間Ⅲ內(nèi)水汽密度為露點(diǎn)-40℃；3）各個(gè)循環(huán)進(jìn)入的水汽量相等，為0，則有

0=(-40?-70)3/。 (3)

式中：-40和-70分別為-40和-70℃時(shí)的飽和水汽含量，g/m3；3為空間Ⅲ的體積，mm3；為溫度循環(huán)次數(shù)。計(jì)算得0=8.3×10-7g=0.83μg。

光電艙的溫度循環(huán)條件為60℃高溫2h，-40℃低溫2h，單個(gè)循環(huán)進(jìn)入的水汽量為1；若在-40℃低溫下保持4h，單個(gè)循環(huán)進(jìn)入的水汽量為2，則1＜2。常溫負(fù)壓氦質(zhì)譜檢漏測定光電艙的漏率為=7.4×10-7Pa·m3/s，可判定該漏率下氣體分子沿漏孔的流動(dòng)狀態(tài)為分子流[9]。25℃條件下，內(nèi)部真空度低于5Pa，外部氣壓1×105Pa，則

(21)。 (4)

式中：為測定漏率，為流導(dǎo)，2為外部氣壓，1為光電艙內(nèi)部氣壓；可計(jì)算出漏孔的流導(dǎo)≈7.4×10-12m3/s，假設(shè)漏孔可等效為一圓截面長管，其流導(dǎo)與漏孔的模型可簡化為[9]

式中：f為分子流時(shí)圓截面長管流導(dǎo)，m3/s；為管道直徑，m；為管道長度，m；為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；為氣體溫度，K。

可以推測出-40℃時(shí)，漏孔對水分子的流導(dǎo)為H2O, -40=3.08×10-12m3/s，據(jù)此計(jì)算光電艙在-40℃時(shí)對水的漏率

H2O, -40=H2O, -40·Δ。 (6)

此時(shí)光電艙內(nèi)外壓差為Δ=1.97×104Pa，水的飽和蒸汽壓為，空氣濕度為，則環(huán)境大氣進(jìn)入光電艙內(nèi)部的水汽含量-40為

式中，為-40℃時(shí)環(huán)境試驗(yàn)箱的大氣壓力，為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

光電艙在-40℃環(huán)境下保持4h，則進(jìn)入密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水汽含量可由

==-40。 (8)

計(jì)算得到，進(jìn)入水汽的物質(zhì)的量=5.78×10-18mol，其質(zhì)量2=1.004×10-16g，2遠(yuǎn)小于0，說明單個(gè)溫度循環(huán)進(jìn)入的水汽含量不足以構(gòu)成光電艙內(nèi)壁結(jié)霧的水汽來源。

5.1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取出現(xiàn)結(jié)霧現(xiàn)象的光電艙樣品1套進(jìn)行摸底試驗(yàn)。試驗(yàn)前拆除內(nèi)部光學(xué)元件，僅組裝密封結(jié)構(gòu)，組裝后，該密封結(jié)構(gòu)通過了氣密性檢查驗(yàn)證，然后內(nèi)部充入高純氮?dú)?，將密封結(jié)構(gòu)內(nèi)原空氣置換出，按溫度循環(huán)條件進(jìn)行摸底試驗(yàn)。首個(gè)循環(huán)未觀察到結(jié)霧現(xiàn)象，證明氮?dú)庵脫Q充分有效；繼續(xù)溫度循環(huán)試驗(yàn)至第72個(gè)循環(huán)，仍未觀察到光電艙光學(xué)鏡片上有霧氣出現(xiàn)，說明內(nèi)部絕對水汽含量仍未富集至露點(diǎn)（-40℃），證明此溫度循環(huán)條件下，單個(gè)循環(huán)引入水汽量遠(yuǎn)小于0.83μg。表明該密封結(jié)構(gòu)氣密性能滿足工程使用要求，呼吸作用不是光電艙結(jié)霧的主要原因。

5.2 內(nèi)部固有水汽含量分析

-40℃時(shí)飽和水汽密度-40=0.102g/m3，則光電艙在-40℃時(shí)的臨界水汽含量為=-40·=6×10-5g=60μg，即光電艙在-40℃結(jié)霧的必要條件為內(nèi)部水汽含量超過60μg。下面對圖1所示的光電艙內(nèi)部3個(gè)空間的水汽含量逐一進(jìn)行計(jì)算。

1）空間Ⅰ水汽含量

光電器件裝配車間有嚴(yán)格的溫濕度控制，裝配作業(yè)時(shí)濕度維持在25%，室溫維持在25℃，此時(shí)飽和水汽密度25=25.1g/m3，光學(xué)探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)部（空間I）的體積為A，A=5.0×104mm3；組件內(nèi)水汽含量為A=25%×25×A=3.1×10-4g=310μg，A≈5。

圖2 光學(xué)探測器A內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

2）空間Ⅱ水汽含量

如圖3，空間Ⅱ?yàn)楣鈱W(xué)鏡頭（B）內(nèi)部空間，由鏡片區(qū)和遮光筒組成；鏡片區(qū)內(nèi)由6個(gè)光學(xué)鏡片組成，鏡片通過止檔卡在結(jié)構(gòu)上，無密封措施，鏡片區(qū)內(nèi)空間體積為1；遮光筒對外敞開，體積為2。

圖3 光學(xué)鏡頭B外形示意圖

可計(jì)算出1=1.2×103mm3，2=1.45×104mm3；現(xiàn)有充氮工藝不易將鏡片區(qū)內(nèi)氣體排出，但1較小，僅為探測器內(nèi)空間體積（A）的2.4%，鏡片區(qū)內(nèi)水汽含量為V1=25%×25×1=7.44μg=0.124；遮光筒空間對外開放，充氮時(shí)水汽可排出，因此，可以認(rèn)為光學(xué)鏡頭內(nèi)部空間的水汽含量B≈V1。

3）空間Ⅲ水汽含量

空間Ⅲ為密封結(jié)構(gòu)C圍成的除探測器A和鏡頭B外的空間，其體積為3=5.343×105mm3，其水汽絕對含量為0=25%×25×3=3.352×10-3g（3352μg），是臨界水汽含量的55.8倍。

因此，如不進(jìn)行氮?dú)庵脫Q工藝，溫度降至-40℃時(shí)，必然結(jié)霧。執(zhí)行氮?dú)庵脫Q工藝后，該處空間內(nèi)的水汽大部分可排出，但暫無法計(jì)算殘留量；若產(chǎn)品在氮?dú)庵脫Q后進(jìn)行溫度循環(huán)，鏡片處不出現(xiàn)霧氣，說明氮?dú)庵脫Q后空間Ⅲ內(nèi)部的水汽含量C＜。

4）小結(jié)

在執(zhí)行氮?dú)庵脫Q工藝后，探測器A（空間Ⅰ）內(nèi)水汽含量A≈5，鏡頭B（空間Ⅱ）內(nèi)含水汽含量B≈0.124，空間Ⅲ內(nèi)部水汽含量C＜，故探測器A內(nèi)水汽是光電艙結(jié)霧的主要原因。

由于探測器A為獨(dú)立的半密封空間，常規(guī)氮?dú)庵脫Q方法短時(shí)間內(nèi)無法將空間Ⅰ內(nèi)的水汽完全置換，在長時(shí)間存儲(chǔ)或試驗(yàn)過程中，空間Ⅰ內(nèi)的水汽將慢慢釋放，向空間Ⅲ內(nèi)富集，最終造成低溫結(jié)霧現(xiàn)象，與實(shí)際觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象相符。

6 問題總結(jié)及解決措施

本文通過對光電艙結(jié)霧機(jī)理、結(jié)構(gòu)密封性能及產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，并結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)，證明此次光電艙溫度循環(huán)結(jié)霧現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是光學(xué)探測器內(nèi)部固有水汽含量過大所致，密封結(jié)構(gòu)的呼吸作用不是主要原因。

解決該問題可采取如下措施：

1）加強(qiáng)光電產(chǎn)品裝配環(huán)境控制，如提供純氮?dú)庋b配作業(yè)環(huán)境等；

2）探測器等光學(xué)器件在純氮?dú)猸h(huán)境下裝配，降低其內(nèi)部水汽含量；

3）對探測器等光學(xué)器件進(jìn)行全密封設(shè)計(jì)，避免空間Ⅰ內(nèi)殘留水汽外溢；

4）通過試驗(yàn)等改進(jìn)氮?dú)庵脫Q工藝，延長氮?dú)庵脫Q時(shí)間，最大限度降低空間Ⅲ內(nèi)殘留水汽含量。

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（編輯：閆德葵）

Analysis of fogging phenomenon in a sealed cabin under condition of temperature cycling

LIU Zhi1, LUO Ji1, REN Guohua2, WEI Lijun1

(1. Beijing Institute of Huahang Radio Measurement, Beijing 100013, China；2. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Temperature cycle screening is important to improve the product reliability, and the respiration is a main cause of fogging in optoelectronic products, thus the study of fog phenomenon in photoelectric products under the condition of temperature cycle is of significance for similar engineering problems. The low-temperature fogging during the temperature cycle of a sealed chamber is analyzed in detail in this paper. Theoretical calculation and the experiment show that the internal moisture content of the device is the main factor of fogging. The respiration of the chamber’s sealed structure has a relatively small effect. Technical improvements can be made based on this finding.

photoelectric test tank; sealed structure; temperature cycle; water content; respiration; fogging; leakage rate

V416.4; X830.7

A

1673-1379(2017)04-0376-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.006

劉志（1988—），男，碩士學(xué)位，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析等。E-mail: liuzhi_1988@126.com。

2016-12-25；

2017-07-24