航天组件级单机热循环试验过程防凝露试验技术探讨

程建，刘钰，张瀚文，冯盟蛟，顾伟玲，张珩

（上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245）

引言

中国载人航天工程于1992年9月21日由中国政府批准实施，代号“921工程”。在航天工程（包括载人与卫星）中整机包含大量的驱动器、配电器、控制器、分流调节器等中枢产品，统称为航天器单机产品。航天器单机产品是飞行器的控制中枢，在先期的环境试验过程中，如试验问题带来了产品损伤而隐患未被发现及时处理的情况下进入航天轨道，随着隐性损伤在发射过程中通过振动、气压、温度、湿度、辐射等综合应力下出现故障，则航天器将无法完成预定功能而出现任务失败，损失巨大。

1 热循环试验

热循环试验是一种利用高低温交变试验设备对试验产品进行的预设高低温交替的应力考核，用以验证材料和产品是否达到在研发、设计、制造中预期的质量目标的一类可靠性试验[1]。通过大温变速率可暴露产品潜在的材料与性能缺陷，经过不断地质量改进，达到可靠性提升的目的。航天单机类产品一次热循环示意图见图1所示。

2 产品凝露带来的危害

1）表面覆盖层（表面处理防腐）的化学或电化学破坏[2]。

2）基体材料腐蚀。

3）材料性能的损坏。

4）元器件电气性能的损伤。

图1 航天组件级单机产品一次热循环示意图

3 产品表面凝露原理

环境试验设备在开展热循环试验时，一般的气体介质为湿空气，即为氮气、氧气、二氧化碳和惰性气体等混合水蒸汽，也即干空气与水蒸汽的混合。

1）含湿量为在湿空气中与1 kg干空气并存的水蒸汽量，即

mq—湿空气中水蒸汽的质量，kg；

mg—湿空气中干蒸汽的质量，kg。

2）相随湿度就是空气中水蒸汽分压力和同温度下饱和水蒸汽分压力之比，用符号φ表示，即：

pq— 水蒸汽分压力；

pq,b—同温度下饱和水蒸汽分压力；

db—同温度下饱和含湿量。

3）露点温度

在保持整个湿空气含湿量不变的情况下，将湿空气冷却，此时相对湿度中pq,b为不断降低，pq近似不变，当pq与pq,b相等时，相对湿度变为100 %，此时所对应的温度为该湿空气的露点温度，计为tl。空气相对湿度最大为100 %，温度持续降低时，Pq,b持续降低，此时空气中水蒸汽无法维持气体状态，开始出现凝结水滴现象，此现象称为凝露[4]。

4）试验过程凝露机理

产品在热循环过程中分为降温过程，温度保持过程，升温过程和温度保持过程四个阶段。在降温过程中，低温的空气经气流风道吹出经过产品表面，经过对流换热产品表面开始降温。此时对于腔体式产品，产品表面降温速率大于产品内部，在产品内部湿空气温度在产品内壁降低至露点温度以下，于产品内部形成凝露现象[5-7]。

保温过程：此过程为产品温度稳定过程，不会在此过程形成新的凝露现象。

升温过程：热循环试验的升温过程是产品凝露的关键过程。降温过程中，湿空气在经过蒸发器时，水蒸汽凝结在蒸发器表面，低温保温过程中，由于箱内形成负压，外界环境中湿空气不断进入试验设备中，凝结在蒸发器上，低温保温时间越久，则蒸发器凝结霜层越厚。在低温转高温过程中，热空气经过蒸发器表面，将蒸发器表面霜层融化形成大量水蒸汽随气流进入试验箱内部，而由于试验产品热容比空气大，产品表面热滞后于空气温度，湿空气在产品表面温度降至露点温度以下，在产品表面析出水分，凝结在产品表面，可能造成内部空腔吸入水分的问题。产品在考核高温过程中，增加了湿热试验的综合应力影响，可能会对产品造成未知伤害。

4 防凝露试验技术

产品出现凝露存在一个根本问题为产品表面流经的湿空气在产品表面降至露点温度以下，导致产品表面析出水分。而露点温度tl与d和db有关，因此，只要控制d与db的关系，就可控制产品凝露问题。

含湿量d，为相对湿度中分子量，为寻求空气相对湿度越低，则研究中需控制含湿量越低。含湿量为空气中存在的水蒸汽的质量，即为考虑如何将空气中存在的水蒸汽控制到最低限度。

同温度下饱和含湿量db为分母量，为寻求空气相对湿度越低，则研究db需要越高越好，db随着温度的升高而升高，因此要求产品表面的温度与设备风口温度越接近越好。然而产品实时温度与产品形状、产品比热容、产品重量与温度变化速率有关，为产品与试验参数固有条件决定，无法通过试验技术对委托试验方进行约束修改。因此本文防凝露试验技术通过研究降低含湿量d来达到航天器单机产品的试验保障。

设备内部空气中水蒸汽主要来源于蒸发器的化霜，如何降低含湿量则需考虑如下三个问题：①如何控制蒸发器表面低温凝霜；②如何控制蒸发器升温化霜；③如何降低设备内部含湿量。

4.1 控制蒸发器表面低温凝霜

蒸发器表面低温凝霜为蒸发器在低温过程中设备内部及外界环境水蒸汽不断在蒸发器表面凝霜的现象。因此在低温过程中需要保持设备的密封与箱内的正压。

1）设备如果不密封（如测试孔堵塞不严密，见示意图2，大门密封不严密），则会形成湿气进入试验设备的通路。

因此测试电缆口处不可使用硬质堵头，建议使用棉花，软布类，见图3，内外封堵压紧。

2）对于设备内部正压则是为了防止低温过程中，设备内部形成负压造成湿空气从密封不严的缝隙、螺纹孔、测试孔等处进入设备内部，形成蒸发器积霜。可在设备内部风道持续充注0.1 MPa压力氮气，使设备内部持续正压。（由于整个过程氮气消耗量大，如能保证设备单向密封，可对此过程进行相应裁剪。）

4.2 如何控制蒸发器升温化霜

蒸发器升温化霜是整个环境试验中升温过程最大的隐患，蒸发器霜层越厚，则升温过程空气中的含湿量越多。如何控制蒸发器升温化霜是升温控湿技术的关键所在。一般升温过程中，蒸发器关闭或调节制冷剂流量来节约能源维持升温速率。对于控湿考虑，可在升温过程中持续大流量制冷剂输出，保持蒸发器开启，调节加热丝功率来维持升温速率。此时霜层由于蒸发器的冷量维持而不出现化霜现象，仅有表面热气通过时携带水蒸汽通过气流进入试验设备中，试验设备中辅助充注氮气或者露点温度小于-50 ℃的干燥空气，可在升温阶段大量减少含湿量进入设备内部。而蒸发器的化霜阶段可选择在产品温度到达试验设备温度后（可选择30 min后），关闭蒸发器，蒸发器进行化霜，化霜的水经过底部排水孔排出，而进入设备中的水蒸汽由于产品表面与设备内部空气温度一致，不会在产品表面出现凝露现象。

图3 软体堵头示意

4.3 如何降低设备内部含湿量

降低设备内部含湿量是考虑已经存在于设备内部环境空气中的水蒸汽如何排除。常规的做法为低露点气体置换法和吸附式除湿法[2]。

1）低露点干燥空气除湿法

开展单机热循环试验应采用电容式湿度传感器试验设备，可实时监控试验设备内部环境湿度。常规单机温度循环试验速率为3～5 ℃/min，根据经验得知一般常规航天组件级单机热滞后设备温度20 ℃左右，根据湿空气焓湿图可以得知，只要设备升温过程相对湿度小于25 %可避免产品表面空气降至露点温度以下出现凝露现象。可在升温过程中充注氮气或者露点温度小于-50 ℃干燥空气，并根据空气相对湿度进行低露点气体充注。一般经验表明低露点气体阀后压力在0.5 MPa以上可避免产品表面凝露。对于其他类结构复杂单机，可在产品代表位置黏贴多个产品温度传感器，通过最低温度点与设备温度差值，再结合试验环境湿度进行焓湿图查询，调节低露点气体充注量避免产品表面凝露。

2）吸附式除湿法

吸附式除湿一般选择清水类材料如硅胶、分子筛和活性碳等产品[8]。在风道处安装一个吸附式过滤器，设备空气经过吸附式过滤器时，水蒸汽吸附在过滤器中，不断除湿。过滤器可在高温中再生重复下一次吸附过程。试验中常用干燥剂为硅胶，蓝色代表具有吸湿能力，红色代表已吸湿饱和。吸附式干燥存在一定的弊端，如解吸温度高，吸湿温度低，无法再整个热循环过程中持续有效吸湿。因此一般作为热循环过程中辅助除湿手段，不单独采取此一种手段。

5 结束语

常规热循环试验在升温过程中必然会出现凝露现象。对于航天组件级单机产品由于产品自身性能问题对防凝露要求较高。在升温速率一定的条件下，本文从三个方面论述了如何降低产品升温过程的含湿量，通过验证，综合上述几种方法同时进行，航天单机类产品未出现产品凝露现象。