弹箭外表面接插件高温高湿度耦合 环境试验方法研究

夏吝时，徐莹，那伟，石宝丽，王双全，孙波

（北京航天长征飞行器研究所，北京 100076）

弹箭在临近发射支点的侧表面上一般设置有电器接插件，作为弹箭与地面系统的分界面，在弹箭起竖后至飞离发射台前，能够保持地面监测系统和弹箭内仪器的正常通讯，以检测弹箭内设备的工作情况，并对故障进行诊断和处理。另有一些弹箭外表面电器接插件用于飞行过程中的星箭或多级分离、轻小型弹箭机动发射控制系统端接、飞行存储器外接数据传输接口等功能[1-2]。通常电连接器用于复杂串联系统中，只要其中一个元器件发生失效，就可能导致整个系统出现故障。暴露在弹箭外表面的电器接插件作为关键元器件，不论是在高速飞行过程中，还是在地面静止状态下，都难免遇到雨、雪、雾等高湿度气候环境，而较高的环境温度和相对湿度是造成其失效的关键因素[3]，尤其在两者叠加作用下效果更加明显。一方面，在高温条件下非金属材料中的易挥发物质挥发后加速老化，导致插针与插孔接触表面状态变化而造成接触失效；另一方面，高湿度条件下水气的进入将使内部相对湿度升高，电路产生腐蚀，一旦内部出现凝露或积水，就可能造成短路或设备烧毁等绝缘耐压失效情况发生。

现代化、全天候、全方位复杂环境中进行的立体战争，要求弹箭装备适应比以往更为复杂和严酷的贮存、运输和使用环境[4]。GJB 1217—91《电连接器试验方法》和GJB 150A—2009《军用装备实验室环境试验方法》中，都将产品的高温环境试验和潮湿或淋雨试验单独进行[5]，并未提出针对复合环境进行综合模拟的试验方法。飞行器地面试验的目的是以最低代价保障试验项目和状态能够覆盖实际使用环境需求[6]。文中通过对简单结构喷嘴低压喷射流场环境的数值分析，设计了搭载在石英灯加热器辐射热环境下的喷淋试验方案，成功开展了弹箭外表面电器接插件在飞行过程中主要环境条件动态变化过程的实效模拟试验，并通过阻值测试、剖面碳化层厚度测量和热解产物分析方法，对试验后的产品可靠性进行了评估。

1 试验要求与模型

模拟弹箭在对流层内飞行过程中遇云、雾、雨、雪时，水气作用下的外壁接插件所处高湿度气动热环境。需同时开展实际飞行过程中所承受的气动热环境动态变化过程和降雨条件下的水气环境实效模拟，并对试验后接插件产品的可靠性作出评价。

参试产品为弹箭外表面裸露的脱插式接插件，具有小型化、高密度的特点，插孔间距约1 mm。非金属绝缘部分尺寸为30 mm×30 mm×6 mm，带金属法兰的外包络尺寸为36 mm×50 mm×38 mm，平面结构如图1所示。接插件非金属部分材料为聚苯硫醚（PPS），该材料短期耐热性和长期连续使用的热稳定性均优于目前绝大部分的工程塑料，在高温、高湿条件下具有优良的电绝缘性能，并能表现出良好的尺寸稳定性。试验前，接插件外观完好，供电接口、数据传输接口、引脚结构和对应位置编号清晰可见。在常压、常温、室内干燥条件下对其进行通电测试，结果表明，导通性能和电绝缘性良好。

图1 接插件结构平面 Fig.1 Schematic diagram of connector structure

2 试验

2.1 设备

试验设备由热环境模拟系统、水气环境模拟系统和配套测试系统3部分组成。石英灯热辐射试验系统负责建立飞行过程中弹箭外表面所处的真实高温环境。系统总功率110 kW，温度闭环控制上位机对试件表面K型热电偶的采样率为10 Hz。加热面积为400 mm×300 mm，远远大于试件外尺寸。对试件四周进行绝热保护，避免多余热量从非插孔平面进入接插件内部。

水气环境模拟采用恒压储气容器对水罐加压的方式，将液态水挤压至喷管内，并通过喷管头部的喷嘴以自由射流的方式喷射至常压大气空间，管路原理如图2所示，喷嘴结构[7-8]如图3所示。其中上游气源最大供气压力为0.8 MPa。试验过程中，通过对缓冲气瓶上、下游管路上串联的2个电磁阀的开闭控 制，调节进气量和排气量的动态平衡，以维持供气压力的恒定。

图2 管路原理 Fig.2 Pipeline schematic

图3 喷管结构 Fig.3 Nozzle structure

配套测试系统由绝缘电阻测试设备、电子显微镜和元素分析仪组成。其中，绝缘电阻随温度的升高和相对湿度的增大而减小，可作为评价高温高湿度环境下电连接器性能的主要指标[9]。试验结束后，由绝缘电阻测试设备进行测量。为进一步判断其整体导电性，采用电子显微镜对试验后的接插件剖面进行碳化层厚度测量，并使用元素分析仪测量试验后接插件的热解产物。

2.2 水气模拟

针对供水压力0.1 MPa条件下不同喷嘴直径时的喷射效果进行了计算，获取了喷嘴出口外φ1000 mm×1600 mm圆柱形空间内的水气分布云图、出口流速和流量等参数。计算条件中，射流工作介质为液态水，环境介质为空气，射流水与空气间发生动量交换和紊动扩散，成为气液两相混合介质射流。采用连续性方程和N-S方程作为控制方程[10]，在圆柱坐标系下径向r、切向θ和垂直方向z（图3中y轴方向）的独立变量与直角坐标系中x、y、z方向独立变量间的关系由式（1）表示，圆柱坐标系下的不可压缩流动连续性方程和N-S方程由式（2）、（3）表示。

式中：ρ为流体密度；F为体积力；η为黏性系数；V为流体中某点的运动速度；P为流体中某点处压强。

使用标准κ-ε模型进行求解[11-12]，其中边界条件设为入口表压0.1 MPa，出口及整个圆柱形外流场计算域为标准大气压环境。获得了出口直径1.5、2、2.5、3、4 mm时的流场云图，如图4a所示。可以看出，由于周围空气对流场内水气的剪切力相对较小，因此液态水离开喷口后，能够在常压大气环境中喷射较长距离。在各喷口条件下，计算域内的流动状态均为典型的自由射流流场结构。喷嘴出口直径为2.5 mm时的核心流长度明显大于其他出口直径条件，且在距喷嘴出口0.8 m处，核心流宽度较其他喷嘴出口直径时更大。考虑到射流压差对流场结构的影响，以0.1 MPa为间隔，对喷嘴出口直径为2.5 mm时入口表压分别为0.1～0.4 MPa条件下的喷射状态进行计算，结果如图4b所示。可以看出，随着入口压力的增加，喷嘴出口前的最大速度随之增大，流场结构未发生明显变化。由此选择直径2.5 mm的喷嘴进一步分析，各工况压力下的喷嘴出口平均速度和对应流量如图5所示。

图4 流场结构 Fig.4 Flow field structure

图5 不同工况下φ2.5 mm喷嘴出口速度与流量 Fig.5 The exit speed and flow rate under different conditions (φ2.5 mm)

考虑到管路流阻等因素作用，在0.35 MPa工况下，测试了喷嘴实际喷射效果。流场结构与仿真结果基本一致，中心核心流从喷口至1200 mm清晰可见，水液离开喷嘴出口后，以约43°的喷射角向前方空间散射，如图6所示。

图6 喷嘴实际喷射效果 Fig.6 Actual spray effect

取喷嘴入口压力0.35 MPa为条件，计算得到2.5 mm直径喷嘴内压力分布、出口速度矢量和外流场的涡流黏度分布规律，如图7—9所示。可以看出， 喷嘴内压力分布均匀，水液以略大于实测喷射角度的散射角喷射进入大气环境。在距喷嘴出口中心线600～800 mm内，水气速度梯度变化较小，且靠近喷嘴的区域内水气流速较快，适合放置试件。

图7 入口0.35 MPa时喷嘴内部压力分布 Fig.7 The pressure distribution inside the nozzle (inlet 0.35 MPa)

由文献[13]查得，推荐的试验降雨条件为1.7 mm/min。根据式（4）所列喷嘴降雨强度计算公式[14]反推得出喷嘴的出口速度应不小于10.1 m/s的流速。对照图5可以看出，喷嘴压力应不低于0.3 MPa。按喷嘴入口压力0.35 MPa计算得到的降雨量为1.82 mm/min，大于推荐标准要求，可以此工况进行效果预测。

式中：R为降雨强度，mm/h；Q为喷嘴流量，L/min；n为喷嘴个数，n=1；S为单个喷嘴在距喷口中心线x位置处的覆盖面积，m2。

2.3 喷淋效果

由于试件表面正前方为石英灯加热器[15-16]，因此将试件以45°角放置在距喷嘴出口中心线800 mm位置处，建模计算试件表面水气覆盖效果，结果如图10所示。分别取流场空间内yz、xz中心截面和xy距喷口800 mm截面，观察试件所处流域，如图11所示。可以看出，处于核心流中心的试件完全被水气来流覆盖。

图10 放置试件时的水气流场 Fig.10 Water flow field diagram when placing the test piece

图11 yz、xz中心截面和xy距喷口800 mm截面处水气分布 Fig.11 Water vapor distribution at yz, xz center section and xy section 800 mm away from the nozzle

图8 入口0.35 MPa时喷嘴出口速度矢量图 Fig.8 Nozzle outlet speed vector (inlet 0.35 MPa)

图9 入口0.35 MPa时外流场涡流黏度分布 Fig.9 Vortex viscosity distribution in external flow field (inlet 0.35 MPa)

3 结果与评价

按上述分析结果搭建了配套试验系统，将试件安装在试验工位后，在石英灯加热器和水气模拟系统的联合作用下，成功开展了试件表面400 ℃条件下的水气喷淋耦合环境实效模拟试验[17-22]，其中热环境加载曲线如图12所示，试验后试件表面照片见图13。试验加热条件能够达到飞行过程中的表面最高温度，且总加热量达到了过考核条件。试件在高温和高湿同时作用下，非金属绝缘区的聚苯硫醚（PPS）材料表面有明显熔化和热解的痕迹。

图12 热环境加载曲线 Fig.12 Thermal environment curve

图13 试验后试件表面状态照片 Fig.13 Photograph of the surface

对试验后的试件样本进行阻值测量，测试结果显示未导通。沿试件长度方向的中心线对其进行解剖，解剖后的显微图片如图14所示。可以看出，碳化层深度小于1.8 mm，其他区域保持原始层状态，说明试件内部不导通。对试件表面的热解产物进行元素分析，结果见表1。分解产物中含C、O、F、AL、Si、S、Ca等元素，其中C元素以化合物的形式存在于碳酸钙中，不存在游离的C元素。因此从元素分析的角度，得出试验后碳化产物不导电的结论。由此表明，试件在经历了高温高湿度耦合测试环境后，电气性能仍然良好。

表1 试件热解产物元素 Tab.1 Table of pyrolysis products elements

图14 试件剖面显微图 Fig.14 Specimen section micrograph

4 结语

通过分析低压喷嘴射流流场，在石英灯加热器辐射热环境下开展了弹箭外表面电器接插件水气喷淋的高温高湿耦合环境模拟试验，完成了对受试产品的可靠性评价。

1）在辐射热环境下，对电器接插件表面进行水气喷淋的方法能够建立高温高湿耦合试验条件，可通过试件表面温度实时控制和喷淋流量的调节实现飞行过程中主要环境条件动态变化过程的实效模拟。

2）数值分析方法可以对试验过程中水气环境模拟相关参数进行选择，并对实施效果进行预测。

3）对试验后参试产品进行阻值测量、剖面碳化层厚度测量和热解产物分析等测试方法可以对其可靠性进行正确评价。

利用石英灯加热器和低压喷嘴射流流场开展高温高湿度耦合环境模拟的试验方法为地面复合环境综合模拟试验提供了一种新思路。