航天高壓機(jī)電設(shè)備低氣壓絕緣技術(shù)研究

徐志書 何雨昂 桑慶宏 張華 郭昊宇

摘要

因在距離地面30-100Km的亞軌道空間領(lǐng)域空氣分子自由行程距離變短，易引起氣體分子電離，繼而引發(fā)放電，使得運(yùn)載火箭設(shè)備高壓機(jī)電設(shè)備在低氣壓環(huán)境下絕緣能力發(fā)生下降，本文從亞軌道空間易放電敏感區(qū)域辨識(shí)、低氣壓放電環(huán)境下高壓機(jī)電設(shè)備絕緣電氣間隙與加強(qiáng)絕緣方法進(jìn)行研究，對(duì)航天高壓機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用具有重要參考意義。

【關(guān)鍵詞】大功率機(jī)電伺服 高可靠驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用研究

1 引言

隨著磁性材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，高壓機(jī)電設(shè)備被越來越多的應(yīng)用在航天領(lǐng)域。因距離30～100Km臨近空間軌道區(qū)域空氣分子自由行程距離下降，容易引發(fā)放電，導(dǎo)致高壓設(shè)備絕緣性能下降。本文從亞軌道空間易放電敏感區(qū)域辨識(shí)、低氣壓放電環(huán)境下高壓機(jī)電設(shè)備絕緣電氣間隙與加強(qiáng)絕緣方法進(jìn)行研究，對(duì)航天高壓機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用具有重要參考意義。

2 亞軌道空間易放電敏感區(qū)域辨識(shí)

根據(jù)低氣壓放電表述，低氣壓放電指在1.3Pa～1000Pa的氣壓范圍內(nèi)，殘留氣體中的自由電子因微波功率激發(fā)獲得能量撞擊氣體分子，引起氣體分子電離，繼而引發(fā)放電的現(xiàn)象，在空氣介質(zhì)中最低放電的氣壓值在60Pa～133Pa附近。

經(jīng)查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，分析得到空間高度與大氣壓強(qiáng)關(guān)系。

從圖1可以看出，低氣壓放電的空間區(qū)域?yàn)榫嚯x地面高度為30～80km，其中在空間高度為45km～55km放電的氣壓值最低。

3 低氣壓放電環(huán)境下高壓機(jī)電設(shè)備絕緣電氣間隙

從兩個(gè)電級(jí)間電場(chǎng)的均勻性考慮，高壓大功率機(jī)電伺服設(shè)備電氣間隙分為整機(jī)級(jí)與印制板級(jí)兩方面考慮。整機(jī)級(jí)電氣間隙在設(shè)計(jì)之初應(yīng)采用電極端小區(qū)率設(shè)計(jì)保證電極之間電場(chǎng)的均勻性：

均勻電場(chǎng)氣體間隙擊穿電壓、間隙距離和氣壓值的關(guān)系由帕邢定律來表示。帕邢定律計(jì)算公式為：

U_d=B×P×d/ln[A×P×d/in（1+1/γ）]（1）

式中：

U_d——低氣壓條件下的耐壓值，單位為V;

B——系數(shù)，在空氣中B=2.744V/（cm.Pa）;

P——大氣壓，單位為Pa;

d——導(dǎo)線間距，單位為cm;

A——系數(shù)，在空氣中A=0.110V/（cm.Pa）

γ——系數(shù)，在空氣中為0.025

根據(jù)公式（I），對(duì)于確定的電壓U_d，可以計(jì)算出不同大氣壓P下最小電氣間隙d。帕邢定律適用范圍需要滿足以下2點(diǎn)：

（1）兩個(gè)電極下電場(chǎng)為均勻電場(chǎng);

（2）當(dāng)pd<133pa.mm無法適用;對(duì)于pd<133pa情況下的電氣間隙，可參照低氣壓條件下耐電壓、大氣壓與電氣間隙部分補(bǔ)充數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

4 低氣壓放電環(huán)境下高壓機(jī)電設(shè)備加強(qiáng)絕緣方法研究

結(jié)合航天電氣設(shè)備在亞軌道內(nèi)飛行時(shí)存在電氣設(shè)備內(nèi)氣壓變低導(dǎo)致設(shè)備電氣絕緣性能下降的特點(diǎn)，從以下兩個(gè)方面進(jìn)行加強(qiáng)絕緣研究：

（1）增強(qiáng)機(jī)電設(shè)備的密封性，保證運(yùn)載火箭飛行于亞軌道時(shí)，機(jī)電設(shè)備內(nèi)部氣壓不致迅速隨外界環(huán)節(jié)降低，導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能下降。

（2）針對(duì)功率電部分，辨識(shí)易放電的部件，采用加強(qiáng)絕緣措施，將強(qiáng)電部件與空氣隔絕，避免低氣壓放電現(xiàn)象的發(fā)生。由于航天用RTV-GD414具有極強(qiáng)的絕緣強(qiáng)度（不小于18Mv/mm），且在低氣壓環(huán)境下絕緣性能基本不變，強(qiáng)電部件采用GD414密封后與空氣隔絕，進(jìn)一步避免了低氣壓放電現(xiàn)象的發(fā)生。

5 總結(jié)

本文分別從亞軌道空間易放電敏感區(qū)域辨識(shí)、低氣壓放電環(huán)境下高壓機(jī)電設(shè)備絕緣電氣間隙、低氣壓放電環(huán)境下高壓機(jī)電設(shè)備加強(qiáng)絕緣方法進(jìn)行了研究，對(duì)于航天機(jī)電設(shè)備在亞軌道空間領(lǐng)域的工程應(yīng)用具有重要參考意義。

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