麻力，耿翟

（中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100176）

0 引言

繼電器是通過較小電流來控制較大電流的自動開關(guān)，在系統(tǒng)中起著自動調(diào)節(jié)、安全性保護(hù)、電路轉(zhuǎn)換控制等作用，長期以來始終是運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、空間站及其配套地面測控設(shè)備中不可或缺的重要元器件。

根據(jù)不完全數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果，在航天系統(tǒng)質(zhì)量故障中，電子設(shè)備元器件類問題一直高居第一位。而繼電器失效所占的比率，則長期占據(jù)著各種元電子器件失效榜排名前三的地位，而且已成為控制系統(tǒng)中的主要問題之一。對于應(yīng)用于重要控制系統(tǒng)中的繼電器來說，其質(zhì)量與可靠性水平將直接決定著整個航天控制系統(tǒng)的安全性。

1 航天繼電器主要失效模式

繼電器類型很多，人們一般把繼電器分成電磁繼電器、干簧繼電器、時間控制繼電器和固體繼電器等幾類。其中電磁繼電器構(gòu)造簡單、工作可靠，是目前使用最為普遍的一類繼電器。電磁繼電器一般由輸入電流線圈、鐵芯、銜鐵、共軛鐵、復(fù)位彈簧及多個簧片等構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電磁繼電器基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)電磁繼電器的功能特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其主要失效模式包括多余物質(zhì)導(dǎo)致的相關(guān)失效、接觸失效、密封泄露等。觸點(diǎn)是體現(xiàn)繼電器功能的關(guān)鍵部位，非常容易遭到多余物質(zhì)的干擾和其他侵蝕損傷，因此觸點(diǎn)接觸失效也是繼電器最主要的失效模式。在觸點(diǎn)失效模式中，有一類嚴(yán)重影響繼電器接觸功能的失效模式即觸點(diǎn)粘接，國外統(tǒng)稱為冷焊。

2 冷焊現(xiàn)象及其產(chǎn)生的機(jī)理

冷焊現(xiàn)象于二十世紀(jì)40年代首次被人類發(fā)現(xiàn)。隨著人類空間活動的頻繁開展，冷焊現(xiàn)象導(dǎo)致的航天器故障就時有報(bào)道，引起了國際上的普遍關(guān)注。

冷焊現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理主要有兩種。一是原子間配對機(jī)理，即兩個達(dá)到了原子級清潔程度的金屬表面互相接觸在一起，將原來界面的表面自由能釋放掉，界面消失，界面上的原子之間形成了新的金屬鍵，使兩金屬表面粘結(jié)到了一起。這種情形大多出現(xiàn)于低溫條件下，此時原子熱運(yùn)動降低，從而把原子鍵禁錮于原位不動。二是原子熱擴(kuò)散機(jī)理，兩個達(dá)到原子級清潔程度的金屬表面互相接觸，通過提高環(huán)境溫度，促進(jìn)原子熱運(yùn)動，使之能克服來自原子鍵的禁錮，從而相互間產(chǎn)生了熱擴(kuò)散，使兩種金屬表面連接在一起。

關(guān)于冷焊現(xiàn)象，費(fèi)曼曾作了一個生動而又形象的描述：在真空中，彼此接觸的金屬原子間無任何其他附著物，于是這些金屬原子無從得知它們實(shí)際上并不是同類，這時他們就會很自然地手拉手走到一起。而當(dāng)接觸區(qū)有其他原子，比如氧氣或者其他復(fù)雜成分的雜質(zhì)層，原子就會意識到他們是來自不同的部分，就會保持一定的距離。

正常大氣條件下，金屬固體表面存在著氣體的物理、化學(xué)吸附膜和金屬氧化層等污染物，而且氣體本身也可以起到潤滑作用。因此，在大氣中固體與固體間的表面接觸其實(shí)是吸附膜、金屬氧化層等污染物之間的接觸，而非固體與固體之間的原子級接觸。當(dāng)金屬固體處于超高空條件下時，金屬表面吸附的氣體釋放，非金屬污染層解析消失，當(dāng)金屬氧化層受外力破裂時，金屬表面之間的潤滑物質(zhì)不復(fù)存在，金屬與金屬直接接觸，金屬間的摩擦力會陡然增大數(shù)十倍以上。此時，金屬原子便會因彼此擴(kuò)散而產(chǎn)生不同程度的粘合現(xiàn)象。一旦金屬表面達(dá)到了原子級的清潔程度，在一定的壓力載荷下就會形成進(jìn)一步的整體粘著，最終發(fā)生冷焊現(xiàn)象。

通過國內(nèi)外多年的研究，普遍認(rèn)為影響附著、冷焊的主要因素有：表面清潔度、壓力負(fù)荷、接觸時間、材料性能和溫度。從原則上來講，表面越清潔，接觸壓力越大，接觸時間越長，溫度越高，則越易附著或冷焊。

3 國外研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)60年代以來的很長一段時間內(nèi)，空間冷焊現(xiàn)象都曾是航天器設(shè)計(jì)主要考慮的問題之一。為更好地研究冷焊現(xiàn)象，國外專門通過環(huán)境試驗(yàn)衛(wèi)星開展冷焊試驗(yàn)，進(jìn)行冷焊現(xiàn)象研究。同時在冷焊防護(hù)方面也開展了大量地面模擬試驗(yàn)。

國外通過試驗(yàn)取得了大量真實(shí)可靠性的數(shù)據(jù)，為后來地面模擬試驗(yàn)提供了參考數(shù)據(jù)。地面模擬試驗(yàn)的真空度選用量級通常在107～109Pa之間，且國外防冷焊試驗(yàn)設(shè)備的真空能力大都達(dá)到了108Pa量級。幾個典型的空間冷焊失效案例都在108Pa量級的地面模擬真空條件下得到了復(fù)現(xiàn)。

國外研究人員通過對金屬對偶材料進(jìn)行的深入研究，發(fā)現(xiàn)了三氧化二鋁、二氧化鋯、三氧化二錳和二硫化鉬等材料作為金屬的表面覆膜層，能夠有效地減小金屬表面之間的摩擦力，從而能夠有效地防止冷焊現(xiàn)象的出現(xiàn)。國外研究人員還對電磁閥和繼電器等在航天器中使用得比較普遍的典型產(chǎn)品，進(jìn)行了超高真空下的加速壽命試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)了產(chǎn)品在設(shè)計(jì)壽命動作次數(shù)以內(nèi)產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象的規(guī)律，并觀測和記錄在超過設(shè)計(jì)動作次數(shù)之后接觸面或摩擦表面的損壞狀況，為改進(jìn)產(chǎn)品防冷焊設(shè)計(jì)提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)。

最后，國外從選料、表面處理入手，并采用一整套質(zhì)量保證標(biāo)準(zhǔn)，基本防止了冷焊現(xiàn)象的發(fā)生。

4 國內(nèi)真空冷焊研究現(xiàn)狀

國內(nèi)有關(guān)真空冷焊的研究始于上世紀(jì)六十年代，徐錦芬等人對固體潤滑材料在超高真空中的摩擦磨損問題和防冷焊技術(shù)開展了深入研究。蘭州物理研究院的劉明輝、王福云等人研制出了中型無油超高真空防冷焊評價試驗(yàn)裝置，并對超高真空及各種環(huán)境條件下材料對偶之間的接觸壓力和黏著力進(jìn)行了研究。北京衛(wèi)星工程環(huán)境研究所相繼建成了多套超高真空冷焊試驗(yàn)設(shè)備，用于我國某些重要型號航天器配套的宇航組件真空防冷焊評價試驗(yàn)，是我國最早從事航天組件真空冷焊試驗(yàn)的研究機(jī)構(gòu)。

中國公開發(fā)行的繼電器高真空防冷焊測試規(guī)范，目前只有1991年3月19日公布的QJ2213.1-91《繼電器特殊環(huán)境試驗(yàn)方法超高真空冷焊試驗(yàn)》。據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)尚未出現(xiàn)過電磁繼電器冷焊試驗(yàn)失效的公開報(bào)道。

5 關(guān)于地面模擬超高真空繼電器冷焊試驗(yàn)的思考

宇宙真空環(huán)境與地面模擬真空有本質(zhì)上的差異。地面模擬真空是一種在有限容積的真空容器中采用有限抽速及抽氣量的真空機(jī)組營造出的人造真空環(huán)境。容器中的氣體分子經(jīng)過相互碰撞或和容器碰撞達(dá)到一種平衡態(tài)。宇宙真空環(huán)境則是開放的、具有天然的無限抽速和抽氣容量，是一種“分子沉”環(huán)境。在宇宙真空環(huán)境下，物理表面會失去所有吸附的氣體。因此，開展地面模擬超高真空冷焊試驗(yàn)的前提條件是具備可以最大限度降低真空度并可以在較長時間內(nèi)維持該真空度的試驗(yàn)設(shè)備。但是，人造真空環(huán)境有其極限，目前國際上最頂尖的電離真空計(jì)也只能準(zhǔn)確檢測到（2±0.3）×1010Pa量級的真空壓力。樣品體積的大小、所用材料、高溫試驗(yàn)環(huán)境以及真空設(shè)備密封性，均會對設(shè)備抽氣以及保持超高真空的能力造成影響。

為保證產(chǎn)品的空間工作質(zhì)量，電磁繼電器等產(chǎn)品在上型號使用前須按航天用戶的要求進(jìn)行超高真空防冷焊性能評價試驗(yàn)。我國在前期進(jìn)行的所有電磁繼電器高溫真空冷焊試驗(yàn)，均執(zhí)行QJ2213.1-91標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對冷焊試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)步驟程序、試驗(yàn)條件、判據(jù)、試驗(yàn)記錄及結(jié)果分析和處理都進(jìn)行了規(guī)定。但由于年代稍顯久遠(yuǎn)，該標(biāo)準(zhǔn)的制定受限于當(dāng)時試驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)水平，導(dǎo)致真空度試驗(yàn)條件的設(shè)置略顯保守。而在標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行過程中，有些試驗(yàn)程序的設(shè)置也存在不合理之處。試樣在加載壽命或高溫狀態(tài)下，真空壓力甚至無法完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。而美國數(shù)次在地面模擬真空環(huán)境下復(fù)現(xiàn)冷焊失效案例時的壓力條件均為108Pa量級，比我國已開展的冷焊試驗(yàn)真空壓力條件高出一個數(shù)量級。

近年來，隨著我國航天事業(yè)步入高速發(fā)展階段，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、在軌永久空間站、探月探火以及深空探測工程均已逐步開展，這對航天器及其配套元器件提出了更長壽命及更高可靠性的要求。宇航用電磁繼電器雖然是氣密封產(chǎn)品，但氣密封產(chǎn)品有其固有漏率，當(dāng)繼電器被長期應(yīng)用于空間環(huán)境或航天器非密封艙時，其內(nèi)外部氣體壓力將逐漸趨于平衡。當(dāng)繼電器內(nèi)部觸點(diǎn)處于易發(fā)生冷焊的真空環(huán)境時，伴隨著金屬觸點(diǎn)間的相對摩擦運(yùn)動，就會有發(fā)生冷焊的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要在提升真空度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善試驗(yàn)方法程序，重新制定航天繼電器超高真空冷焊效應(yīng)評價及試驗(yàn)方法。

6 超高真空冷焊評價試驗(yàn)設(shè)備研制最新進(jìn)展

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)擁有空間活動部件防冷焊評價能力的單位有航天五院、航天八院及中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院（以下簡稱電子標(biāo)準(zhǔn)院）等單位。其中航天五院是最早開展超高真空冷焊試驗(yàn)評價的單位，也是擁有防冷焊評價試驗(yàn)設(shè)備最多的單位。電子標(biāo)準(zhǔn)院于2020年底開展了空間活動部件防冷焊評價試驗(yàn)?zāi)芰ρ芯?，所擁有的超高真空冷焊試?yàn)設(shè)備是一套無油、無任何有機(jī)物的超高真空系統(tǒng)。它突破了目前國內(nèi)的技術(shù)瓶頸，同時具備以下三項(xiàng)功能:（1）以極高的抽氣效率獲得超高真空環(huán)境；（2）可在超高真空環(huán)境下快速實(shí)現(xiàn)高、低溫的熱交換；（3）可在超高真空環(huán)境下進(jìn)行分離力的測試（該條適用于分離電連接器產(chǎn)品）。該設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)由六部分構(gòu)成，即真空腔體部分、真空保障系統(tǒng)、溫度保障系統(tǒng)、試驗(yàn)系統(tǒng)、設(shè)備控制監(jiān)測系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖2，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)架圖

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)的真空腔體部分主要包括圓形真空罐體、罐體兩端法蘭、相關(guān)真空抽氣元件的連接管道、溫度保障系統(tǒng)的法蘭引出管路、拉力試驗(yàn)裝置連接法蘭等。

它能制造一個符合試驗(yàn)條件的真空環(huán)境和溫度環(huán)境，并具有分離力測試能力。腔體上的所有連接口均采用國際通用的刀口法蘭連接形式，滿足超高真空密封要求和通用性要求。

真空罐體為臥式圓筒形結(jié)構(gòu)，其外形尺寸為Φ410×496×5（單位mm），前法蘭（前門）為導(dǎo)軌滑塊平移式開門，導(dǎo)軌安裝在設(shè)備臺面上。腔體內(nèi)部有兩組熱沉，分別是底部熱沉和環(huán)形熱沉，兩組熱沉都安裝在后法蘭上，可連同后法蘭一起從腔體后端裝入。其中底部熱沉主要用于大件試驗(yàn)樣品，作為其輔助熱源。熱沉與工件間的熱交換通過一種特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)是為解決超高真空環(huán)境下溫度傳導(dǎo)而專門設(shè)計(jì)的一種特殊結(jié)構(gòu)，可以在保證導(dǎo)溫的同時進(jìn)行電連接器在真空腔內(nèi)的分離。

真空保障系統(tǒng)幫助設(shè)備獲得試驗(yàn)所需要的真空度，主要包括真空泵抽氣系統(tǒng)、真空閥門、配套管路及真空測量裝置等。真空泵抽氣系統(tǒng)由進(jìn)口的分子泵、渦旋干泵組、離子泵及鈦升華泵組成，系統(tǒng)與高真空腔體連接的真空閥門，選用的是國際知名品牌的全金屬密封閥，密封性能可靠。

真空測量裝置選用了兩套，一套是國內(nèi)正華電子的復(fù)合真空計(jì)，其真空度的測量范圍在1×105～1×108pa。另一套是國際知名品牌且真空測量能力處于世界領(lǐng)先水平的超高真空計(jì)（IG40EX），它可以準(zhǔn)確地測量到1010pa。

該設(shè)備的技術(shù)能力較之以往有了極大程度的提高。設(shè)備的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)備主要性能指標(biāo)

該設(shè)備的出現(xiàn)，把我國空間活動部件防冷焊評價試驗(yàn)設(shè)備的真空度等級提高了至少一個數(shù)量級。該設(shè)備擁有極高的抽真空效率，帶載條件下從常壓到107Pa僅用時30min，抽到108Pa也僅僅耗時3個小時，可大幅提高試驗(yàn)效率，降低試驗(yàn)成本。同時，該設(shè)備還可以快速實(shí)現(xiàn)熱沉與工件間的自由熱交換，并確保試樣在超高真空下快速達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的溫度，且試樣表面溫度均勻性良好，配合電磁繼電器壽命試驗(yàn)系統(tǒng)可以對航天用電磁繼電器開展防冷焊性能評估。

7 結(jié)語

隨著中國航天事業(yè)的高速發(fā)展，航天器的設(shè)計(jì)工作壽命越來越長，安全性及可靠性的要求也愈來愈高。航天器中使用了大量的電磁繼電器、開關(guān)、電連接器等活動機(jī)構(gòu)，而這種活動機(jī)構(gòu)的可靠性將直接影響航天器的整體可靠性。目前，我國超高真空防冷焊評價試驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)能力已經(jīng)大幅提高，但現(xiàn)有的試驗(yàn)方法中還有很多有待進(jìn)一步研究的地方。對此應(yīng)盡快針對典型產(chǎn)品開展超高真空防冷焊性能評價技術(shù)研究，完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為研制單位提高航天繼電器防真空冷焊可靠性水平提供技術(shù)支撐。