空間用FM08系列熔斷器漏率研究與仿真分析
為保證空間用FM08 系列熔斷器在規定的任務(wù)時(shí)間內不因密封原因失效，必須制定合理的漏率指標。本文從漏孔的氣流特性出發(fā)，研究并建立了FM08 系列熔斷器真空泄漏數值模型。在此基礎上，對允許漏率、氣體壓力等進(jìn)行了數值仿真分析，得出了不同任務(wù)周期下FM08 允許漏率指標，該結果與NASA 研究結果基本一致，驗證了仿真模型的正確性。本文研究結果對航天工程確定FM08 系列熔斷器的密封性要求具有實(shí)際指導作用。
航天工程是一個(gè)高科技、高風(fēng)險的系統工程，尤其是載人航天工程，國內外都對其安全性可靠性要求非常高。FM08 系列熔斷器作為一種有效的、效費比較高的安全性可靠性保證措施，廣泛應用于國內外各種航天器中，美軍專(zhuān)門(mén)制定標準對其各項參數進(jìn)行規定。隨著(zhù)航天器電源系統水平的提高，使得供配電效率得以大幅提升，高電壓的供配電設計是未來(lái)航天器的發(fā)展趨勢。目前常規衛星和一般航天器的供配電系統電源母線(xiàn)的電壓為28~50VDC，而國際空間站供配電一次母線(xiàn)電壓為160VDC，其它部分航天器的母線(xiàn)電壓采用100~135VDC。但是，作為安全性可靠性保證措施的FM08 系列熔斷器，當內部壓力過(guò)低且應用于高電壓電路中時(shí)反而發(fā)生了不可靠事件，其失效模式為電弧放電。電弧放電將產(chǎn)生大電流過(guò)流狀態(tài)，熔絲激發(fā)金屬氣化并一直持續過(guò)流狀態(tài)，只有關(guān)閉電源才能停止此現象。電弧放電會(huì )導致已經(jīng)斷開(kāi)的熔絲之間重新出現電連接，即應該熔斷時(shí)不能斷，喪失了熔斷功能。
FM08 用于空間高電壓供電系統時(shí)，由于地球軌道的高真空環(huán)境，FM08 工作一段時(shí)間后內部氣壓將低于某值，一旦此時(shí)發(fā)生熔斷，則在瞬間會(huì )形成電弧放電。發(fā)生電弧放電失效將帶來(lái)嚴重影響。持續放電輕則燒毀熔斷器封裝結構以及附近的元器件；重則大電流過(guò)流造成電源母線(xiàn)的燒毀，導致航天器供配電系統故障，造成安全性事故。NASA 研究報告顯示，FM08 內部氣體在高真空條件下會(huì )發(fā)生泄漏，大約一年后氣體幾乎耗盡，容易發(fā)生失效。為了解決此問(wèn)題，美軍成功研制了FM12 系列熔斷器，但對于我國航天器研制，其價(jià)格昂貴并且采購渠道不暢。
我國十一五規劃中，計劃發(fā)射衛星60~70 顆，對熔斷器的需求非常大，而新型熔斷器技術(shù)是一個(gè)比較難的瓶頸，需要較長(cháng)研制周期才能突破。在此期間，為實(shí)現在航天器中安全可靠地使用FM08，需制定合理的漏率指標以保證其在任務(wù)周期內滿(mǎn)足內部壓力要求。根據GJB548- 2005和MIL- STD- 883G 中的規定，當前主要方法是根據元器件的體積來(lái)確定允許漏率，此方法由于未考慮不同元器件實(shí)際工作情況的差異，因此有待進(jìn)一步完善。
本文建立了空間真空環(huán)境下的FM08 內部氣體泄漏模型，并進(jìn)行了數值仿真分析，得到了不同任務(wù)周期下對FM08 進(jìn)行檢漏篩選的允許漏率指標，可為實(shí)際工程應用提供可靠依據。
1、FM08 真空泄漏模型
1.1、FM08 的物理模型和工作環(huán)境
FM08 系列熔斷器的物理模型如圖1 所示，其中密封空腔內封裝的是氣壓為1.013×105 Pa的空氣，圖中P1 表示內部氣體壓力，V 表示內部空腔體積，P2 表示外部環(huán)境氣體壓力，T 表示腔體內氣體溫度。為了表明泄漏的含義，圖中將泄漏等效漏孔尺寸比例放大示意。
圖1 FM08 熔斷器物理模型示意圖
裝有FM08 的航天器發(fā)射入軌后，工作在地球軌道的極低氣壓、高度真空的環(huán)境中。由于FM08 密封元器件存在內外氣壓差，氣體將由腔體內部通過(guò)漏孔泄漏到太空中。
3、結論
本文分析了空間采用FM08 的必要性以及影響其可靠性的主要因素，在FM08 物理模型的基礎上，基于均勻圓截面導管型漏孔假設，建立了FM08 系列熔斷器的真空泄漏模型，并對漏率、壓力等進(jìn)行了數值仿真分析。為保證熔斷器在高電壓條件下安全可靠的使用，在滿(mǎn)足FM08 許用壓力約束條件下，分析了不同任務(wù)周期條件下的允許漏率指標，量級一般不小于10- 11 Pa·m3·s- 1。該結果與NASA 指標基本一致，驗證了方法的有效性，對工程中確定高可靠、長(cháng)壽命空間用FM08系列熔斷器的密封性要求有著(zhù)一定的指導意義，且該方法對制定其它類(lèi)似密封元器件的漏率指標有一定的參考價(jià)值。
