空间用FM08系列熔断器漏率研究与仿真分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院光电研究院 作者:徐晓宇

  为保证空间用FM08 系列熔断器在规定的任务时间内不因密封原因失效,必须制定合理的漏率指标。本文从漏孔的气流特性出发,研究并建立了FM08 系列熔断器真空泄漏数值模型。在此基础上,对允许漏率、气体压力等进行了数值仿真分析,得出了不同任务周期下FM08 允许漏率指标,该结果与NASA 研究结果基本一致,验证了仿真模型的正确性。本文研究结果对航天工程确定FM08 系列熔断器的密封性要求具有实际指导作用。

  航天工程是一个高科技、高风险的系统工程,尤其是载人航天工程,国内外都对其安全性可靠性要求非常高。FM08 系列熔断器作为一种有效的、效费比较高的安全性可靠性保证措施,广泛应用于国内外各种航天器中,美军专门制定标准对其各项参数进行规定。随着航天器电源系统水平的提高,使得供配电效率得以大幅提升,高电压的供配电设计是未来航天器的发展趋势。目前常规卫星和一般航天器的供配电系统电源母线的电压为28~50VDC,而国际空间站供配电一次母线电压为160VDC,其它部分航天器的母线电压采用100~135VDC。但是,作为安全性可靠性保证措施的FM08 系列熔断器,当内部压力过低且应用于高电压电路中时反而发生了不可靠事件,其失效模式为电弧放电。电弧放电将产生大电流过流状态,熔丝激发金属气化并一直持续过流状态,只有关闭电源才能停止此现象。电弧放电会导致已经断开的熔丝之间重新出现电连接,即应该熔断时不能断,丧失了熔断功能。

  FM08 用于空间高电压供电系统时,由于地球轨道的高真空环境,FM08 工作一段时间后内部气压将低于某值,一旦此时发生熔断,则在瞬间会形成电弧放电。发生电弧放电失效将带来严重影响。持续放电轻则烧毁熔断器封装结构以及附近的元器件;重则大电流过流造成电源母线的烧毁,导致航天器供配电系统故障,造成安全性事故。NASA 研究报告显示,FM08 内部气体在高真空条件下会发生泄漏,大约一年后气体几乎耗尽,容易发生失效。为了解决此问题,美军成功研制了FM12 系列熔断器,但对于我国航天器研制,其价格昂贵并且采购渠道不畅。

  我国十一五规划中,计划发射卫星60~70 颗,对熔断器的需求非常大,而新型熔断器技术是一个比较难的瓶颈,需要较长研制周期才能突破。在此期间,为实现在航天器中安全可靠地使用FM08,需制定合理的漏率指标以保证其在任务周期内满足内部压力要求。根据GJB548- 2005和MIL- STD- 883G 中的规定,当前主要方法是根据元器件的体积来确定允许漏率,此方法由于未考虑不同元器件实际工作情况的差异,因此有待进一步完善。

  本文建立了空间真空环境下的FM08 内部气体泄漏模型,并进行了数值仿真分析,得到了不同任务周期下对FM08 进行检漏筛选的允许漏率指标,可为实际工程应用提供可靠依据。

1、FM08 真空泄漏模型

1.1、FM08 的物理模型和工作环境

  FM08 系列熔断器的物理模型如图1 所示,其中密封空腔内封装的是气压为1.013×105 Pa的空气,图中P1 表示内部气体压力,V 表示内部空腔体积,P2 表示外部环境气体压力,T 表示腔体内气体温度。为了表明泄漏的含义,图中将泄漏等效漏孔尺寸比例放大示意。

 FM08 熔断器物理模型示意图

图1 FM08 熔断器物理模型示意图

  装有FM08 的航天器发射入轨后,工作在地球轨道的极低气压、高度真空的环境中。由于FM08 密封元器件存在内外气压差,气体将由腔体内部通过漏孔泄漏到太空中。

3、结论

  本文分析了空间采用FM08 的必要性以及影响其可靠性的主要因素,在FM08 物理模型的基础上,基于均匀圆截面导管型漏孔假设,建立了FM08 系列熔断器的真空泄漏模型,并对漏率、压力等进行了数值仿真分析。为保证熔断器在高电压条件下安全可靠的使用,在满足FM08 许用压力约束条件下,分析了不同任务周期条件下的允许漏率指标,量级一般不小于10- 11 Pa·m3·s- 1。该结果与NASA 指标基本一致,验证了方法的有效性,对工程中确定高可靠、长寿命空间用FM08系列熔断器的密封性要求有着一定的指导意义,且该方法对制定其它类似密封元器件的漏率指标有一定的参考价值。

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