沈 亮，王學(xué)強，王艷芬，經(jīng)貴如，李長江

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

滑環(huán)是一種實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部分和固定部分之間電流、信號傳輸?shù)难b置，廣泛應(yīng)用于航天器太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)，是航天器系統(tǒng)能源供給和信號傳輸?shù)年P(guān)鍵通道[1-2]，其失效將對航天器造成災(zāi)難性后果[2]。

由于滑環(huán)內(nèi)部為環(huán)、刷滑動接觸，在工作過程中產(chǎn)生磨屑是不可避免的。目前，對滑環(huán)磨屑產(chǎn)生的影響因素、磨屑的粒徑、形貌、產(chǎn)生規(guī)律及特征有較多研究[3-8]，王華慶等[9]曾對磨屑顆粒在空間微重力及電磁場環(huán)境下可能的運動遷移規(guī)律進行仿真研究。但是磨屑的存在對滑環(huán)最大的威脅是增大了真空電弧放電的風(fēng)險，放電會給滑環(huán)造成致命故障，進而威脅航天器在軌壽命，目前針對該方面的研究較少。

為此，本課題對存在磨屑的空間盤式滑環(huán)真空電弧放電進行試驗研究，驗證磨屑和電壓對滑環(huán)真空電弧放電的影響，得出真空電弧放電的特征參數(shù)，模擬在軌真空電弧放電對滑環(huán)的破壞后果，并提出預(yù)防空間滑環(huán)真空電弧放電的改進思路。

1 滑環(huán)真空電弧放電機理

真空電弧通常指的是金屬蒸氣中的電弧放電，真空環(huán)境中沒有氣體分子，放電燃燒通過不斷熔化和蒸發(fā)的金屬蒸氣得以維持，因此真空電弧也被稱為金屬蒸氣電弧。

典型的盤式滑環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。工作時，電刷觸頭一直與匯流盤上的導(dǎo)電環(huán)道發(fā)生滑動接觸，將不可避免地產(chǎn)生金屬磨屑（主要成分為金、銅等），并可能積聚在相鄰焊點之間或焊點與環(huán)道之間。

圖 1 盤式滑環(huán)結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Schematic view of the disc slip ring

金屬磨屑如果在滑環(huán)內(nèi)部焊點間、環(huán)道與焊點之間搭接，會形成短路通道。電流經(jīng)過磨屑時釋放的大量能量使得金屬磨屑汽化形成金屬蒸氣，并在電場作用下電離成等離子體；等離子體畸變電場最終使得陰極產(chǎn)生場致發(fā)射，從而發(fā)展成自持的真空電弧。在空間失重環(huán)境中，電極間的磨屑處于失重懸浮狀態(tài)，更易形成電弧。

電弧放電產(chǎn)生的局部高溫會造成燒蝕，嚴(yán)重情況下會破壞滑環(huán)絕緣，造成相鄰焊點之間、焊點與環(huán)道間出現(xiàn)短路或低阻抗通路，同時也可能造成焊點處出現(xiàn)高阻抗開路，從而影響滑環(huán)的電傳輸功能。

2 真空電弧放電試驗設(shè)計

盤片真空電弧放電試驗電路如圖2 所示。試品間隙串聯(lián)在主回路中，當(dāng)間隙未導(dǎo)通時，間隙兩端電壓與電源輸出電壓一致；當(dāng)間隙發(fā)生導(dǎo)通時，間隙上流過的電流由電源的輸出電流來決定，整個回路通過空氣開關(guān)來控制通斷。試驗所用的電源為直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，為防止試品間隙的導(dǎo)通引起直流電源的正負極短路，在回路中串聯(lián)1 個3 Ω 電阻。

圖 2 真空電弧放電試驗電路Fig. 2 Test circuit of vacuum arc discharge

真空電弧放電試驗系統(tǒng)主要由直流電源、真空系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成，如圖3 所示。

圖 3 真空電弧放電試驗系統(tǒng)組成示意Fig. 3 Schematic diagram of the vacuum arc discharge test system

目前主流航天器對滑環(huán)的傳輸要求是單環(huán)傳輸電流5 A、電壓60 V；同時，根據(jù)太陽電池陣真空電弧放電的研究經(jīng)驗，當(dāng)電流為5 A 時，35 V 電壓是引起真空電弧放電的臨界值，因此本試驗確定的條件為：真空條件下，分別在相鄰焊點之間、焊點與內(nèi)環(huán)道之間通5 A 電流，并保證兩極之間存在60 V、34 V 的電壓差，研究存在金屬磨屑的條件下，滑環(huán)的真空電弧放電特性。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 相鄰焊點之間電弧放電試驗

將磨屑撒在試品上相鄰焊點之間，使得相鄰焊點之間由無磨屑時的絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通，構(gòu)成“搭橋”狀態(tài)，如圖4 所示。

圖 4 相鄰焊點間存在磨屑的試品Fig. 4 Test product with wear debris between adjacent solder joints

將試品放入真空腔內(nèi)進行試驗，并記錄試驗過程數(shù)據(jù)，如圖5 所示。由試驗結(jié)果可知：60 V 電源開關(guān)觸發(fā)后，相鄰焊點之間的電壓上升，當(dāng)電壓達到20 V 時，焊點之間開始燃起電弧；在整個電弧持續(xù)期間，弧道電壓約20 V，電流由電源限制在5 A。真空電弧的產(chǎn)生和維持需要一定的弧道電壓與流過弧道的電流，根據(jù)P=UI可以計算出電弧功率約為100 W，電弧持續(xù)時間約1.28 s。電弧熄滅后，相鄰焊點燒蝕嚴(yán)重，電極附近絕緣碳化，但沒有損傷電極間的整體絕緣，因此電壓恢復(fù)到電源電壓。

圖 5 相鄰焊點間電弧放電試驗結(jié)果Fig. 5 Test results for arc discharge between adjacent solder joints

試驗后的試品表面如圖6 所示，可以看出：相鄰焊點之間出現(xiàn)了非常明顯的燒蝕痕跡，在其附近區(qū)域也出現(xiàn)了明顯的燒蝕痕跡；焊點之間的磨屑已被燒蝕。

圖 6 相鄰焊點間電弧放電試驗后的試品表面形態(tài)Fig. 6 Appearance of test product after arc discharge between adjacent solder joints

按上述試驗狀態(tài)，將電源輸出電壓降至34 V進行電弧放電試驗。當(dāng)開關(guān)觸發(fā)后，電流信號出現(xiàn)了1 個短時間的脈沖，同時電壓信號在上升的過程中也出現(xiàn)了短時間的振蕩，電流與電壓信號表明：當(dāng)開關(guān)觸發(fā)后，在試品表面的相鄰焊點之間出現(xiàn)了放電現(xiàn)象，但其持續(xù)時間很短且并未產(chǎn)生電弧放電；整個放電過程持續(xù)了9.6 ms 左右，隨后試品表面恢復(fù)了絕緣狀態(tài)，電流信號降為0 而電壓信號繼續(xù)上升至電源輸出電壓。從試驗前、后試品的表面狀態(tài)對比可知，試品表面原本堆積在焊點之間的金屬磨屑在放電過程中并未被燒蝕掉。

3.2 焊點與環(huán)道之間電弧放電試驗

將磨屑撒在試品的內(nèi)環(huán)道與焊點之間，如圖7所示。

圖 7 焊點和內(nèi)環(huán)道間存在磨屑的試品Fig. 7 Test product with wear debris between solder joints and inner ring

將試品放入真空腔內(nèi)并開展試驗，記錄整個試驗過程數(shù)據(jù)，如圖8 所示。由試驗結(jié)果可知：60 V電源開關(guān)觸發(fā)后，內(nèi)環(huán)道與焊點之間出現(xiàn)電弧，電弧電壓并不穩(wěn)定，弧道平均電壓約為32 V，電流保持在5 A。因此可以計算出電弧的功率約為160 W，放電時間持續(xù)了1.36 s。放電過程中，弧道電壓出現(xiàn)了多次振蕩，表明電弧多次熄滅又重新燃起，并且電弧的位置也發(fā)生了改變。

圖 8 焊點和內(nèi)環(huán)道間電弧放電試驗結(jié)果Fig. 8 Test results for arc discharge between solder joints and inner ring

圖9 為試驗后的試品表面，可以看出：試品表面的燒蝕痕跡非常明顯，并且相比于相鄰焊點之間放電試驗的燒蝕面積擴大了很多，甚至擴散到最外層的環(huán)道，與焊點相連的導(dǎo)線也被連根燒斷。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，推測是由于電弧產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致連接焊點與導(dǎo)線之間的焊錫被熔化，使得導(dǎo)線移位，從而造成焊點與內(nèi)環(huán)道之間的電弧熄滅；而且隨著導(dǎo)線位置的改變，在其他區(qū)域重新產(chǎn)生了電弧，造成試品被大面積燒蝕。因此在實際運行中，電弧不僅會對其附近區(qū)域造成損害，還有可能致使其他區(qū)域短路。

圖 9 焊點和內(nèi)環(huán)道間放電試驗后的試品表面形態(tài)Fig. 9 Appearance of test product after arc discharge between solder joints and inner ring

試驗完成后，試品焊點和環(huán)道之間的絕緣破壞嚴(yán)重，焊點和環(huán)道之間電阻測量結(jié)果顯示，阻抗已經(jīng)降到3.5 Ω。

按上述試驗狀態(tài)，將電源電壓調(diào)至34 V 進行焊點與內(nèi)環(huán)道之間的真空電弧放電試驗。當(dāng)開關(guān)觸發(fā)后，在焊點與內(nèi)環(huán)道之間產(chǎn)生了短時間的放電現(xiàn)象，但并未出現(xiàn)持續(xù)性電弧放電。

3.3 試驗小結(jié)

在60 V 電壓下對試品進行的4 次試驗均發(fā)生了電弧放電，對焊點和盤面燒蝕嚴(yán)重。對上述試驗的電弧特性進行分析總結(jié)，如表1 所示。從表中可以看到，維持電弧發(fā)展所需的弧道電壓在20～32 V之間，電弧持續(xù)時間達0.80～1.36 s。

表 1 真空放電試驗的電弧特性Table 1 Arc parameters drawn from the vacuum discharge test

由存在磨屑條件下的盤式滑環(huán)真空電弧放電試驗結(jié)果可知：當(dāng)電壓較低（如施加34 V 電壓）時，會出現(xiàn)ms 級的非持續(xù)性放電，產(chǎn)生的電壓不足以維持試品出現(xiàn)持續(xù)性電弧，放電后電極之間又恢復(fù)了絕緣狀態(tài)；當(dāng)電壓升至60 V 時，容易發(fā)生持續(xù)性的電弧放電，高溫導(dǎo)致焊錫熔融，導(dǎo)線在焊點處出現(xiàn)脫焊或開焊狀態(tài)，嚴(yán)重時甚至燒毀環(huán)道。

盤式滑環(huán)真空電弧放電會破壞盤片絕緣，造成相鄰焊點之間、焊點和環(huán)道間的短路或開路。在軌實際工作中，磨屑情況往往更加復(fù)雜，磨屑量、磨屑形狀、失重環(huán)境、密閉腔體都會對電弧放電帶來影響，其電弧破壞性可能會更強。

4 盤式滑環(huán)防電弧放電設(shè)計

針對空間滑環(huán)的可靠性設(shè)計通常從絕緣材料的選用、冗余設(shè)計、降額設(shè)計等方面考慮[10-12]。從本試驗結(jié)果可知，磨屑和電壓差是滑環(huán)發(fā)生真空電弧放電的關(guān)鍵因素，因此為防止在軌出現(xiàn)真空電弧放電可采取的措施包括：

1）減少滑環(huán)磨屑：改善盤式滑環(huán)上環(huán)道與電刷之間的接觸狀態(tài)，包括優(yōu)化設(shè)計盤片表面鍍層的硬度、厚度及粗糙度；增加滑環(huán)真空烘烤、充分跑合等工藝和環(huán)節(jié)。

2）降低電壓差（盡量降到34 V 以下）：改進盤式滑環(huán)的設(shè)計和使用狀態(tài)，盤片同一表面的所有環(huán)道均按同一極性進行排布，并且相鄰環(huán)道盡量降低電壓差；相鄰盤片的相對工作面也應(yīng)采用同一極性；正、負焊點分開排布，保證安全距離；同時消除焊點上的毛刺和尖端，并在表面涂三防漆絕緣；最大程度降低相鄰環(huán)道、相鄰焊點以及焊點與內(nèi)環(huán)滑道之間的電壓差，保證壓差在34 V 以內(nèi)。

5 結(jié)束語

本研究分別在60 V 和34 V 電壓下完成了空間盤式滑環(huán)焊點之間、焊點與內(nèi)環(huán)道之間存在磨屑時的真空電弧放電試驗，發(fā)現(xiàn)在60 V 電壓下均發(fā)生了嚴(yán)重的電弧放電，而在34 V 電壓下只有短時間的放電，未出現(xiàn)持續(xù)性電弧放電，驗證了磨屑和電壓是滑環(huán)真空電弧放電的關(guān)鍵因素；通過地面試驗?zāi)M了在軌真空電弧放電對滑環(huán)的破壞性，表明真空電弧放電會造成滑環(huán)內(nèi)部大面積燒蝕，破壞產(chǎn)品絕緣性能，影響航天器在軌能源傳輸。

根據(jù)試驗情況，從設(shè)計和使用方面提出了預(yù)防空間盤式滑環(huán)預(yù)防真空電弧放電的改進思路，即通過減少磨屑、降低相鄰環(huán)道、相鄰焊點以及焊點和內(nèi)環(huán)道之間的電壓差，從根本上防止滑環(huán)發(fā)生真空電弧放電。