針對海南文昌發(fā)射場的載人航天器鹽霧效應(yīng)試驗及防護(hù)方法

霍佳婧，雷劍宇，劉 元

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

針對海南文昌發(fā)射場的載人航天器鹽霧效應(yīng)試驗及防護(hù)方法

霍佳婧，雷劍宇，劉 元

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

空間站工程大噸位載人航天器均在海南文昌發(fā)射場發(fā)射，面臨鹽霧效應(yīng)這個新的環(huán)境要素。文章針對海南文昌發(fā)射場鹽霧環(huán)境對載人航天器的影響開展分析和驗證工作，研究文昌發(fā)射場鹽霧水平，分析鹽霧效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理和常規(guī)鹽霧模擬試驗方法，針對載人航天器測發(fā)流程特點提出主動鹽霧防護(hù)與鹽霧效應(yīng)摸底試驗相結(jié)合的工程方法。基于鹽霧效應(yīng)機(jī)理總結(jié)提出的鹽霧效應(yīng)篩查表格可指導(dǎo)開展沿海地區(qū)發(fā)射航天器的鹽霧防護(hù)設(shè)計和敏感因素篩查。

載人航天器；海南文昌發(fā)射場；鹽霧環(huán)境；鹽霧效應(yīng)；試驗方法

0 引言

鹽霧是海洋大氣的顯著特點之一，它是由海浪的互相沖擊和海浪拍擊海岸而騰起的浪花、水沫在氣流作用下被粉碎而形成極微小的液滴顆粒，向沿?？臻g飄散、彌漫形成的。在氣流作用下，其高度可達(dá)2000多米高空，范圍可擴(kuò)散至距海岸數(shù)千米乃至數(shù)百千米處。大氣中的鹽霧成分與海水相似，對設(shè)備起腐蝕作用的主要是其中大量的氯離子。鹽霧中的 Clˉ是吸附性和穿透力很強的活潑離子，具有較小的離子半徑（只有1.81×10-10m），與金屬接觸時具有很強的穿透本領(lǐng)。因此鹽霧是強電解質(zhì)，能加速電極反應(yīng)使陽極活化，加速腐蝕。另外，鹽堿地區(qū)形成的鹽塵霧也會對設(shè)備產(chǎn)生與鹽霧類似的影響。

我國空間站工程的大噸位載人航天器均在海南文昌發(fā)射場發(fā)射，面臨鹽霧效應(yīng)這個新的環(huán)境要素。本研究針對發(fā)射場鹽霧環(huán)境對載人航天器的影響開展分析和驗證，調(diào)研文昌發(fā)射場鹽霧水平及常規(guī)鹽霧模擬試驗方法，分析鹽霧效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，并針對載人航天器工作環(huán)境特點提出主動鹽霧防護(hù)加鹽霧效應(yīng)摸底試驗的工程方法，旨在解決發(fā)射場鹽霧效應(yīng)影響問題。

1 海南文昌發(fā)射場鹽霧環(huán)境

鹽霧環(huán)境條件一般采用鹽霧含量和鹽霧沉降率表征。鹽霧含量指單位體積大氣中的含鹽量，用mg/m3表示；鹽霧沉降率是指大氣鹽霧在規(guī)定面積上單位時間的自由沉降量，用 mg/(80 m2·h)或mg/(m2·d)表示[1]。

空氣中鹽霧含量與降水情況、離海距離、海岸地貌情況有關(guān)。離海洋越近的大氣，其含鹽量越高（如圖1所示）。依據(jù)GB/T 24513.1—2009《金屬和合金的腐蝕 室內(nèi)大氣低腐蝕性分類》，國內(nèi)不同地區(qū)的Clˉ含量在0.000 1～0.2 mg/m3?？刹闄z測數(shù)據(jù)顯示，文昌地區(qū)空氣中 Clˉ含量為 0.056～0.225 mg/m3，在全國居于較高水平；HCl含量為0.008～0.077 mg/m3。由于濕度大可加劇鹽霧效應(yīng)，而文昌地區(qū)年平均濕度在86%以上，部分月份可達(dá)100%，所以鹽霧環(huán)境是必須考慮的環(huán)境要素之一。

圖1 氯離子濃度與距海岸線遠(yuǎn)近的關(guān)系Fig. 1 The relationship between the concentration of chloride ion and the distance from the coastline

2 鹽霧效應(yīng)分析

根據(jù)產(chǎn)生的機(jī)理不同，鹽霧主要能夠引發(fā)以下3種效應(yīng)。

2.1 腐蝕效應(yīng)

腐蝕效應(yīng)包含以下3類：

1）電化學(xué)反應(yīng)造成腐蝕；

2）由于水中鹽電離形成酸堿溶液引起腐蝕；

3）不同金屬間存在電位差，在鹽溶液的強電解質(zhì)環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成腐蝕，而濕度環(huán)境將增加電化學(xué)反應(yīng)陰極水分的供給，故而可加速化學(xué)成分對設(shè)備的腐蝕[2]。

2.2 電氣效應(yīng)

電氣效應(yīng)包含以下2類：

1）產(chǎn)生導(dǎo)電的覆蓋層；

2）絕緣材料及金屬腐蝕。

近年來有人對集成電路、雷達(dá)天線罩等產(chǎn)品受鹽霧影響進(jìn)行了研究[3-5]，結(jié)果表明：鹽霧可使集成電路因電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致腐蝕物生成，進(jìn)而破壞電路的表面和性能，且該效應(yīng)與材料及密封性有一定關(guān)系：塑料封裝和玻璃封裝只有引線受腐蝕影響，陶瓷封裝受腐蝕影響較大；鹽霧明顯增大天線罩對雷達(dá)波的反射，降低罩壁投射，會形成雷達(dá)盲區(qū)。

2.3 物理效應(yīng)

物理效應(yīng)包含以下2類：

1）機(jī)械部件及組合件活動部分的阻塞或卡死；

2）由于電解作用導(dǎo)致漆層起泡。

鹽霧試驗曾暴露過有機(jī)涂層與基底金屬結(jié)合力差，造成表面起泡、脫落的現(xiàn)象，也曾出現(xiàn)過設(shè)備之間的接合處由于鹽霧腐蝕而卡死的事例，影響了設(shè)備的功能和性能[6]。

3 常規(guī)鹽霧試驗方法及其局限性

常規(guī)的鹽霧試驗可分為自然環(huán)境試驗和試驗室環(huán)境試驗。

自然環(huán)境試驗可在戶外、庫房、海洋平臺等進(jìn)行，其中戶外試驗綜合了太陽輻射、濕度的影響；庫房內(nèi)可模擬設(shè)備的真實存儲狀態(tài)；自然環(huán)境考核設(shè)備、試樣對真實鹽霧環(huán)境的耐受能力，可以反映設(shè)備儲存、運輸、使用的真實狀態(tài)，但耗時長，且受自然與現(xiàn)場環(huán)境條件變化影響，試驗可重復(fù)性和規(guī)律性差。自然環(huán)境試驗設(shè)計中，試驗持續(xù)時間和評估方法為關(guān)鍵，一般來講，試樣要按照真實服役時間或加嚴(yán)考核，評估方法需要用戶根據(jù)功能、性能單獨設(shè)計。常用評價標(biāo)準(zhǔn)有GB 1766—2008[7]、ENISO 102891999[8]、ISO 4628-2003[9]、 ASTM D610-2008[10]及 ASTM D1654-2008[11]等。

實驗室環(huán)境試驗一般參照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，根據(jù)需求制定循環(huán)次數(shù)。實驗室鹽霧試驗的主要作用是材料、器件耐受能力對比篩選；試驗條件可參考GJB 150.11—1986[12]，QJ 1238.7—1987[13]、GJB 1217—1991[14]、MIL-STD-810G[15]、GB/T 1771—2007[16]等進(jìn)行；試驗方法分為中性鹽霧試驗、醋酸鹽霧試驗、銅加醋酸鹽霧試驗、交變鹽霧試驗。其中，中性鹽霧試驗?zāi)M環(huán)境條件類似于沿海地區(qū)大氣環(huán)境，試驗可揭示元器件鍍層存在的缺陷及不符合質(zhì)量要求的工藝處理。

考慮到載人飛船返回艙有著陸于海上的可能性，故對艙內(nèi)外在返回后仍需工作的產(chǎn)品均開展了試驗箱鹽霧試驗考核，方法為中性鹽霧試驗，積累了機(jī)電設(shè)備耐受鹽霧環(huán)境的能力數(shù)據(jù)。但根據(jù)當(dāng)時經(jīng)驗，試驗箱鹽霧試驗需要在設(shè)備上噴淋鹽溶液，極易造成設(shè)備表面鹽霧沉淀。

與導(dǎo)彈、艦船、飛機(jī)等直接暴露且多次應(yīng)用于鹽霧自然環(huán)境中的裝備不同，運載上面級類的航天器在測發(fā)流程中的大部分時間置于有環(huán)境控制的廠房，因此其鹽霧環(huán)境水平與廠房環(huán)境控制能力、航天器測發(fā)流程設(shè)計等因素均相關(guān)。一方面，鹽霧效應(yīng)為溫度、濕度、鹽霧的綜合結(jié)果，統(tǒng)籌考慮廠房環(huán)控和航天器測發(fā)流程后的鹽霧環(huán)境水平與試驗箱鹽霧試驗的水平（加速關(guān)系）尚無準(zhǔn)確的換算關(guān)系，折合出合適的試驗箱鹽霧試驗量級較為困難，可能造成對設(shè)備考核過嚴(yán)或投入不必要的試驗經(jīng)費；另一方面，盡管試驗箱鹽霧試驗可快速發(fā)現(xiàn)材料工藝的設(shè)計缺陷，但部分缺陷很難通過試驗箱鹽霧試驗直接暴露，因為自然環(huán)境中的溫度、降塵、濕度、鹽霧耦合效應(yīng)很難模擬。

4 載人航天器鹽霧效應(yīng)試驗及防護(hù)新方法

海南文昌發(fā)射場發(fā)射的載人航天器會經(jīng)歷海運、發(fā)射場總裝、測試、轉(zhuǎn)運、塔架停放等各類工況。在此期間通過廠房環(huán)境控制、航天器主動防鹽霧設(shè)計、敏感設(shè)備局部防護(hù)等主動防護(hù)手段，可達(dá)到阻斷鹽霧效應(yīng)的目的。

基于對試驗箱鹽霧試驗局限性的考慮，以及對載人航天器測發(fā)流程及停留時間的評估，作者提出了采取主動防護(hù)設(shè)計和利用首次在海南文昌發(fā)射場發(fā)射的貨運飛船為試驗對象，借助合練開展真實環(huán)境存放摸底試驗的手段（而不采用試驗箱鹽霧試驗的方案，以規(guī)避設(shè)備鹽霧防護(hù)過設(shè)計），研究發(fā)射場鹽霧環(huán)境對航天器產(chǎn)品的影響。

4.1 鹽霧效應(yīng)防護(hù)方案

基于研制流程的分析，載人航天器采取的主要防護(hù)措施有：

1）對發(fā)射場廠房、工作間提出潔凈度、溫度、濕度控制指標(biāo)要求及監(jiān)測要求，其中廠房潔凈度優(yōu)于1萬級，溫度(20±5) ℃，相對濕度保持40%左右。

2）艙外設(shè)備的保護(hù)罩在載人航天二期用保護(hù)罩基礎(chǔ)上加放干燥劑除濕。3）高溫隔熱屏、熱控材料采用塑料保護(hù)膜保護(hù)。4）電纜與設(shè)備插合后，對縫隙涂膠密封；外露接插件采用3M膠帶密封。

5）艙外接插件全部選用防潮接插件。

6）轉(zhuǎn)運過程中，航天器穿船衣，艙外設(shè)備全部加裝保護(hù)罩。

據(jù)考，五色養(yǎng)生蔬菜湯源于日本，發(fā)明者是一名叫立石和的博士，他著書立說，出版了《元租蔬菜湯強健法》。書中詳細(xì)記載了五色蔬菜湯的好處及熬煮法。這個配方在民間流傳開后，許多注重飲食健康的家庭主婦，更是把五色蔬菜湯“發(fā)揚光大”。就連一些企業(yè)采用了低溫脫水技術(shù)，制作成的專門用于沖泡的五色蔬菜湯快餐食品，在市場上，受到了人們的歡迎。

4.2 存放摸底試驗方法

結(jié)合前述鹽霧效應(yīng)機(jī)理，設(shè)計出載人航天器真實環(huán)境存放試驗的典型試件識別方法，形成鹽霧效應(yīng)篩查表格（見表 1），可直接用于沿海發(fā)射航天器鹽霧敏感因素篩查。通過此表，識別出整船對鹽霧敏感的材料、工藝、設(shè)備，對篩選出的包含敏感要素的設(shè)備制作試驗件，試驗方法為合練期間試驗件隨航天器工作流程同步存放，即：航天器在總裝廠房，試驗件存放于總裝廠房；航天器轉(zhuǎn)運，試驗件隨轉(zhuǎn)運車按同樣條件一起轉(zhuǎn)運；航天器在加注廠房，試驗件存放于加注廠房；航天器停放于發(fā)射塔架，試驗件存放于發(fā)射塔架同樣環(huán)境下；依此類推。由于此存放試驗典型試件識別方法幾乎涵蓋了航天器上所有常用的器件、材料和工藝，所以試驗結(jié)果也可供其他航天器產(chǎn)品參考借鑒。

表1 鹽霧效應(yīng)篩查表格Table 1 Salt fog effect screening form

4.3 摸底試驗結(jié)果

按照表1所述，共選取參試試驗件包括典型的8類共計62個試驗件（部分如圖2所示）：

1）5A06、2A12、2219、5B70、5A90、TC4、蜂窩板（鋁蒙皮、碳蒙皮）、鎂合金、鑄鋁及不銹鋼（1Cr18Ni）；

2）E51-M黑漆（基材為2A12），E51-M黑漆（基材為5A90），ERB-2B黑漆（基材為2A12），ERB-2B黑漆（基材為5A90），KS-Z白漆（基材為2A12），KS-Z白漆（基材為5A90）；

3）各類姿態(tài)測量敏感器光學(xué)鏡片；

4）攝像機(jī)鏡頭；

5）裝船同批次高頻電纜、低頻電纜；

6）太陽電池片、涂覆二硫化鉬的關(guān)節(jié)軸承；

7）若干推進(jìn)閥門、浮動斷接器；

圖2 部分鹽霧試驗件示意Fig. 2 Part of the products in salt spray test

鹽霧試驗件與貨運飛船同時進(jìn)入海南發(fā)射場總裝廠房，隨整船按合練技術(shù)流程，在總裝廠房、加注扣罩廠房、垂直總裝測試廠房及塔架存放和轉(zhuǎn)運。塔架測試結(jié)束后，鹽霧試驗件由提供方取走返回北京地區(qū)后對試驗件功能和性能進(jìn)行測試比對。試驗件共計在溫濕度潔凈度控制的廠房中停留49天（潔凈度1萬級以上，濕度40%左右），在非潔凈廠房停留 15天（無潔凈度要求，濕度70%～80%）。試驗件的功能性能比對測試均未出現(xiàn)明顯差異。

通過摸底試驗，經(jīng)發(fā)射場現(xiàn)場觀察以及撤場后性能和功能測試復(fù)測比對，所識別出的敏感試件未發(fā)生明顯性能下降。這表明在廠房環(huán)境保障條件下，鹽霧效應(yīng)可控，貨運飛船選用的材料、器件在海南發(fā)射場環(huán)境中至少可適應(yīng)3個月的測發(fā)流程。

5 結(jié)束語

對我國航天器而言，隨著海南文昌發(fā)射場的啟用，鹽霧環(huán)境成為必須考慮的環(huán)境要素之一。由于飛機(jī)、導(dǎo)彈、民用電子產(chǎn)品等在鹽霧環(huán)境中直接暴露的周期長，鹽霧考核方法苛刻，故有關(guān)結(jié)果不適宜航天器直接借鑒。本文研究結(jié)果表明，通過廠房環(huán)境濕度、潔凈度控制，轉(zhuǎn)運過程中航天器穿船衣加干燥劑除濕等手段，試件在潔凈度1萬級以上、濕度40%左右環(huán)境存放49天，在無潔凈度要求、濕度70%～80%環(huán)境存放15天后，無明顯腐蝕現(xiàn)象，性能復(fù)測結(jié)果均正常，證明所提出的主動防護(hù)設(shè)計加真實環(huán)境存放試驗摸底的方法是解決海南發(fā)射場發(fā)射的載人航天器鹽霧影響的現(xiàn)實可行且有效的工程手段。基于鹽霧效應(yīng)機(jī)理設(shè)計出的鹽霧效應(yīng)篩查表格可用于指導(dǎo)在沿海發(fā)射場發(fā)射的航天器開展鹽霧防護(hù)設(shè)計和敏感因素篩查。

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Salt spray test and protection for manned spacecrafts to be launched at Hainan Wenchang spaceport

HUO Jiajing, LEI Jianyu, LIU Yuan
(Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

In the space station construction, for large-tonnage manned spacecrafts to be launched at the Wenchang launch site in Hainan province, the salt fog, as a new environmental factor to aggravate the erosion,must be considered as a serious issue. This paper analyzes the impact of the salt fog on the manned spacecraft in the Hainan launch site. The salt fog level of the Hainan launch sate is investigated firstly. Then, based on the analysis of the mechanism of salt fog effect, and taking account of the characteristics of manned spacecrafts’development process, an engineering method combining the salt fog test with the active protection is proposed.The salt fog screening form given lastly may serve as a guide for spacecrafts launched at the Wenchang site with regard to the salt spray protection and the screening of sensitive factors.

manned spacecrafts; Hainan Wenchang launch site; salt-fog environment; salt fog effect; test method

X145; V416.5

B

1673-1379(2017)05-0538-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.015

2017-06-16；

2017-08-23

國家重大科技專項工程

霍佳婧, 雷劍宇, 劉元. 針對海南文昌發(fā)射場的載人航天器鹽霧效應(yīng)試驗及防護(hù)方法[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017,34(5): 538-542

HUO J J, LEI J Y, LIU Y. Salt spray test and protection for manned spacecrafts to be launched at Hainan Wenchang spaceport[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 538-542

（編輯：閆德葵）

霍佳婧（1986—），女，碩士學(xué)位，主要從事航天器總體設(shè)計及環(huán)境試驗方法研究。E-mail: hjj_20807@126.com。