空間使用環(huán)境對(duì)火工裝置性能的影響

張 醒，張修科，楊樹彬，鮑國(guó)苗

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海，201109；2 .陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

火工裝置廣泛應(yīng)用于各類運(yùn)載火箭、飛船、衛(wèi)星、探測(cè)器等運(yùn)載航天器的連接分離裝置中，是分離系統(tǒng)中的核心元件。通常航天型號(hào)上應(yīng)用的火工裝置在發(fā)火之前會(huì)經(jīng)歷地面環(huán)境（組裝、試驗(yàn)、運(yùn)輸、貯存等）、發(fā)射環(huán)境（加速度、振動(dòng)、沖擊、噪聲等）和空間環(huán)境（真空、高低溫、粒子輻照、原子氧等）等不同的環(huán)境條件，其中以空間環(huán)境最為復(fù)雜和惡劣。在現(xiàn)役型號(hào)的運(yùn)載火箭和衛(wèi)星中，火工裝置主要應(yīng)用于火箭級(jí)間分離、整流罩分離、星箭分離、衛(wèi)星太陽(yáng)翼展開以及星上機(jī)構(gòu)的解鎖。這些分離動(dòng)作中，火工裝置工作時(shí)刻一般都處于發(fā)射環(huán)境或剛進(jìn)入空間環(huán)境不久，空間環(huán)境中各因素對(duì)火工裝置性能的影響尚不明顯。隨著我國(guó)航天技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是空間站、月球探測(cè)、深空探測(cè)等任務(wù)的提出，很多火工裝置在發(fā)火前將長(zhǎng)時(shí)間處于空間環(huán)境中，火工裝置的空間適應(yīng)性研究的重要性不言而喻。

本文簡(jiǎn)述了能夠影響火工裝置性能的主要空間環(huán)境因素，介紹了目前我國(guó)空間環(huán)境適應(yīng)性研究的現(xiàn)狀，并展望了今后火工裝置空間環(huán)境適應(yīng)性研究的發(fā)展趨勢(shì)。

1 空間環(huán)境影響

空間環(huán)境[1-2]中所指空間通常是地面幾十公里高度以上的廣大宇宙區(qū)域。這個(gè)空間不僅具有高真空、深低溫等特點(diǎn)，還充斥著各式各樣的粒子和場(chǎng)。其中，能夠?qū)鸸ぱb置的性能產(chǎn)生影響甚至導(dǎo)致其失效的環(huán)境因素主要有真空環(huán)境、高低溫環(huán)境、帶電粒子輻照環(huán)境和原子氧環(huán)境等。

1.1 真空環(huán)境

宇宙真空是理想的潔凈真空，長(zhǎng)時(shí)間處于高真空環(huán)境中的物質(zhì)可能出現(xiàn)材料內(nèi)部物質(zhì)揮發(fā)和黏著冷焊效應(yīng)：（1）內(nèi)部物質(zhì)揮發(fā)。火工裝置內(nèi)可能發(fā)生物質(zhì)揮發(fā)的有橡膠密封圈、密封膠、潤(rùn)滑脂等。這種揮發(fā)不僅可能會(huì)造成污染，還會(huì)造成材料自身變質(zhì)、失去密封或潤(rùn)滑功能，從而影響火工裝置的正常工作。（2）黏著冷焊效應(yīng)。黏著冷焊效應(yīng)也是較受關(guān)注的空間效應(yīng)之一，如果此類效應(yīng)發(fā)生在火工裝置運(yùn)動(dòng)部件之間，會(huì)大大提高運(yùn)動(dòng)阻力，甚至導(dǎo)致機(jī)構(gòu)卡死，火工裝置工作失效。

1.2 高低溫環(huán)境

空間環(huán)境的高真空特性決定了物質(zhì)中的熱量無(wú)法通過(guò)氣體傳導(dǎo)擴(kuò)散。因此，火工裝置經(jīng)常會(huì)處于溫差極大的高低溫環(huán)境中。

1.2.1 長(zhǎng)期高溫環(huán)境

當(dāng)火工裝置受到陽(yáng)光直射時(shí)，其最高溫度可達(dá)約+150℃。長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境往往會(huì)帶來(lái)金屬材料力學(xué)性能下降、火藥發(fā)火能量上升、火藥物理化學(xué)性狀變化等問(wèn)題，可能導(dǎo)致火工裝置發(fā)火時(shí)結(jié)構(gòu)破壞，或發(fā)火能量不足以完成功能的情況發(fā)生。

1.2.2 長(zhǎng)期低溫環(huán)境

長(zhǎng)時(shí)間位于陰影區(qū)的火工裝置溫度可降至-150℃以下。低溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致非金屬密封元件脆化，從而出現(xiàn)密封失效、火藥燃?xì)饧肮腆w顆粒泄漏的問(wèn)題。同樣可能導(dǎo)致某些火工裝置因內(nèi)壓不夠而無(wú)法正常工作，或者污染附近光學(xué)元件的情況出現(xiàn)。

1.2.3 高低溫交變環(huán)境

對(duì)于大部分繞地球飛行的航天器上的火工裝置來(lái)說(shuō)，雖然一般不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于超高溫和深低溫的環(huán)境，但很可能經(jīng)歷溫差100K以上的高低溫交變。這種溫度交變帶來(lái)的內(nèi)部溫度應(yīng)力可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)微裂紋的擴(kuò)展，各種非金屬部件和裝藥的性能下降或者失去性能，從而降低火工裝置殼體對(duì)高內(nèi)壓的承載能力。

1.3 帶電粒子輻照環(huán)境

空間帶電粒子源主要包括地球輻射帶、太陽(yáng)粒子事件以及銀河宇宙射線，其產(chǎn)生的帶電粒子輻射可能會(huì)對(duì)火工裝置產(chǎn)生總劑量效應(yīng)、表面充放電效應(yīng)和內(nèi)部充放電效應(yīng)等。

1.3.1 總劑量效應(yīng)

總劑量效應(yīng)一般指通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間輻照后劑量的積累導(dǎo)致的損傷效應(yīng)。這種效應(yīng)可能導(dǎo)致火工裝置內(nèi)的裝藥失效，橡膠等高分子材料強(qiáng)度降低、開裂，以及絕緣材料絕緣失效等問(wèn)題。常用密封材料輻射損傷閾值見表1。

表1 密封材料的輻射損傷閾值Tab.1 Radiation damage threshold value of the sealing material

1.3.2 表面充/放電效應(yīng)

表面充/放電效應(yīng)主要是指由太陽(yáng)風(fēng)和地球磁場(chǎng)形成的空間等離子體引起的火工裝置表面靜電荷積累現(xiàn)象，以及由于表面各處的相對(duì)電位升高到一定的量值之后，以電暈、飛弧、擊穿等方式發(fā)生靜電放電現(xiàn)象。如果發(fā)生表面放電效應(yīng)，會(huì)對(duì)火工裝置的可靠性與安全性產(chǎn)生較大威脅。

1.3.3 內(nèi)部充/放電效應(yīng)

內(nèi)部充電效應(yīng)是指大通量高能電子直接穿透火工裝置外殼進(jìn)入內(nèi)部，在絕緣介質(zhì)和孤立導(dǎo)體深處堆積電荷的現(xiàn)象。內(nèi)部放電效應(yīng)是指當(dāng)火工裝置遭受長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)、高通量高能電子注入時(shí)，材料內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)可能達(dá)到絕緣材料的擊穿電壓閾值，從而發(fā)生深層放電擊穿絕緣材料的現(xiàn)象。此類現(xiàn)象主要可能發(fā)生于火工裝置內(nèi)部的絕緣橡膠處，威脅火工裝置的安全性和密封性。

1.4 原子氧環(huán)境

原子氧(Atomic Oxygen，簡(jiǎn)稱AO)環(huán)境是低軌最危險(xiǎn)的環(huán)境因素之一。原子氧所引起的破壞對(duì)材料中存在的缺陷，如微裂紋等十分敏感，易于沿材料內(nèi)部缺陷產(chǎn)生剝蝕。在原子氧的作用下，材料將受到腐蝕變薄，進(jìn)而引起性能退化乃至完全失效。因此，原子氧效應(yīng)的后果十分嚴(yán)重。對(duì)于長(zhǎng)期在低軌運(yùn)行的衛(wèi)星和空間站上使用的火工裝置的金屬外殼，可能在原子氧的作用下形成不粘的氧化物，造成表面的逐漸侵蝕，降低其力學(xué)性能。

2 空間環(huán)境對(duì)火工裝置性能影響研究現(xiàn)狀

2.1 新型長(zhǎng)期在軌型號(hào)火工裝置研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)我國(guó)運(yùn)載火箭的典型任務(wù)中，級(jí)間分離、星箭分離、衛(wèi)星太陽(yáng)翼展開以及某些天線解鎖所使用的火工裝置處于空間環(huán)境的時(shí)間一般都不超過(guò)24h。隨著新型號(hào)新任務(wù)的發(fā)展，很多情況下需要火工裝置在軌運(yùn)行數(shù)月甚至數(shù)年后再發(fā)火工作完成分離動(dòng)作，因而對(duì)火工裝置空間環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。

（1）長(zhǎng)期低溫環(huán)境：某型號(hào)火星探測(cè)器需要在運(yùn)載火箭發(fā)射11個(gè)月后完成太陽(yáng)翼解鎖展開動(dòng)作。該探測(cè)器太陽(yáng)翼使用一組切割器作為解鎖元件。經(jīng)分析，在軌飛行11個(gè)月中，切割器長(zhǎng)期處于陰影區(qū)，處于深冷環(huán)境中。為了模擬該環(huán)境，利用液氮使4發(fā)切割器在-180℃以下保溫長(zhǎng)達(dá)1a時(shí)間，之后該型切割器發(fā)火、正常完成切割功能，工作時(shí)間分別為2.55ms、3.05 ms、3.40 ms、2.50 ms，滿足指標(biāo)要求，如圖1所示。

（2）原子氧環(huán)境及帶電粒子輻照環(huán)境：某型號(hào)機(jī)構(gòu)上使用了多個(gè)爆炸螺栓作為備份分離系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，要求該型爆炸螺栓在飛行器低軌飛行數(shù)年時(shí)間內(nèi)均能正常工作。該火工裝置能否可靠工作直接關(guān)系到航天員的生命，因此對(duì)該火工裝置開展了較為充分的空間環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)，即驗(yàn)證材料級(jí)原子氧環(huán)境對(duì)產(chǎn)品尾部膠粘劑的影響以及材料級(jí)帶電粒子輻照環(huán)境對(duì)對(duì)接機(jī)構(gòu)爆炸螺栓工作性能的影響。

圖1 長(zhǎng)期低溫環(huán)境試驗(yàn)Fig.1 Low temperature test for long time

將圖2所示試驗(yàn)件放置于原子氧環(huán)境（原子氧積分通量為3.3×1021原子數(shù)/cm2）中，記錄試驗(yàn)前后膠粘劑質(zhì)量損失數(shù)據(jù)，并根據(jù)樹脂材料的質(zhì)量損失和原子氧劑量之間的線性關(guān)系，計(jì)算出飛行環(huán)境下剝蝕厚度為0.753mm，滿足小于4.5mm的使用要求，結(jié)果見表2。

圖2 原子氧試驗(yàn)件Fig.2 Experimental sample of atomic oxygen

表2 膠粘劑損失情況Tab.2 Damage conditions of the adhesive

將火工裝置放入帶電粒子輻照環(huán)境（劑量率：42.04Gy(Si)/min，累計(jì)輻照劑量：6.75×104Gy）中，試驗(yàn)后外觀及電性能無(wú)異常變化，發(fā)火情況見表3，均滿足使用要求。

2.2 新型火工裝置空間適應(yīng)性研究現(xiàn)狀

隨著火工裝置技術(shù)的迅速發(fā)展，很多新型火工裝置陸續(xù)應(yīng)用于航天型號(hào)上。新型火工裝置應(yīng)用的許多新材料，尤其是非金屬材料的空間適應(yīng)性研究是設(shè)計(jì)人員面臨的新課題。

某型航天器上使用了非電傳爆火工裝置，要求該火工裝置在軌運(yùn)行數(shù)月后解鎖。為了驗(yàn)證非電傳爆系統(tǒng)核心部件導(dǎo)爆索中的多種非金屬材料，尤其是非金屬密封材料能否在長(zhǎng)期處于空間環(huán)境后依然可靠傳爆，并且密封良好無(wú)泄漏，對(duì)該系統(tǒng)開展了地面帶電粒子輻照試驗(yàn)。在經(jīng)歷足夠劑量的輻照（劑量率：11.06Gy（Si）/min，累計(jì)輻照劑量：2.2×105rad）后，該套系統(tǒng)外觀及電性能無(wú)異常變化，能夠正常工作，發(fā)火情況如表4所示。

表3 帶電粒子輻照試驗(yàn)產(chǎn)品發(fā)火情況Tab.3 Fire conditions of the experimental sample after charged particle irradiation

表4 帶電粒子輻照試驗(yàn)產(chǎn)品發(fā)火數(shù)據(jù)Tab.4 Fire data of the experimental sample after charged particle irradiation

2.3 研究現(xiàn)狀分析

縱觀我國(guó)空間環(huán)境對(duì)火工裝置性能影響研究的現(xiàn)狀，雖然多個(gè)型號(hào)都進(jìn)行了不同的空間環(huán)境試驗(yàn)，其火工裝置也都較為順利地通過(guò)了地面試驗(yàn)，但依然存在著一些亟待解決的問(wèn)題：（1）基礎(chǔ)研究較為薄弱。目前只是在特定型號(hào)的特定火工裝置上開展了少量的空間環(huán)境試驗(yàn)，無(wú)論是空間環(huán)境的損傷機(jī)理分析，還是金屬/非金屬材料尤其是各類藥劑的空間環(huán)境適用性研究，或是空間環(huán)境損傷防護(hù)技術(shù)等還處于摸索階段。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究對(duì)提高空間環(huán)境中火工裝置可靠性，進(jìn)而提高航天器的可靠性大有裨益。（2）標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)有待跟進(jìn)。我國(guó)目前的火工裝置相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在火工裝置裕度、安全性、溫度環(huán)境適應(yīng)性、力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性等方面有著成熟而明確的要求，但是在空間環(huán)境適應(yīng)性方面，尚無(wú)公認(rèn)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、工藝規(guī)范和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。不論是針對(duì)空間環(huán)境開展的火工裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)，還是各個(gè)型號(hào)開展的地面驗(yàn)證試驗(yàn)，都處于無(wú)章可循而自我探索的處境。

3 火工裝置空間環(huán)境適應(yīng)性研究展望

在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著我國(guó)空間站、月球探測(cè)、行星探測(cè)器等多個(gè)型號(hào)陸續(xù)從方案論證階段轉(zhuǎn)入工程研制階段，為其配套的火工裝置的研制工作也已經(jīng)被提上日程。針對(duì)當(dāng)前存在的薄弱環(huán)節(jié)，火工裝置的空間適應(yīng)性研究將在以下幾方面有所突破：空間環(huán)境中各類藥劑的性能研究；非金屬密封材料，尤其是適應(yīng)深低溫環(huán)境的密封材料的空間適應(yīng)性研究；空間環(huán)境防護(hù)技術(shù)，如降低原子氧侵蝕效應(yīng)的特種涂覆技術(shù)、防止冷焊效應(yīng)的表面處理技術(shù)、針對(duì)帶電粒子的屏蔽技術(shù)等；空間環(huán)境地面驗(yàn)證試驗(yàn)技術(shù)；火工裝置標(biāo)準(zhǔn)的修訂以及空間環(huán)境專門標(biāo)準(zhǔn)的制定。

可以預(yù)見，長(zhǎng)期在軌有人照料的空間站、以探火探金為代表的深空探測(cè)以及載人登月工程都會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)呈現(xiàn)在世人面前，火工裝置依然是這些型號(hào)空間分離的核心技術(shù)，影響著整個(gè)型號(hào)任務(wù)的成敗?？臻g環(huán)境對(duì)火工裝置性能影響的研究一定會(huì)在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展深入，并最終為火工裝置在未來(lái)重大航天型號(hào)上的可靠應(yīng)用提供有效的技術(shù)保障。

[1]黃本誠(chéng),主編.空間環(huán)境工程學(xué)[M].北京:宇航出版社,1993.

[2]黃本誠(chéng),馬有禮.航天器空間環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002.

[3]朱光武,李保全.空間環(huán)境對(duì)航天器的影響及其對(duì)策研究[J].上海航天,2002(4): 1-7.

[4]朱光武,李保全.空間環(huán)境對(duì)航天器的影響及其對(duì)策研究(續(xù))[J].上海航天, 2002(5):9-16.