航天器单机产品通用低气压放电试验条件

张 华，宗益燕，信太林，李 强

（上海卫星工程研究所，上海 201109）

航天器单机产品通用低气压放电试验条件

张 华，宗益燕，信太林，李 强

（上海卫星工程研究所，上海 201109）

文章结合国内外文献研究成果，并根据帕邢曲线计算，确定了通用的低气压放电气压范围；根据运载火箭的飞行历程以及理论计算，分别给出了非密闭单机和密闭单机经历低气压环境的时间，从而确定了通用的低气压放电试验时间；针对鉴定单机和验收单机，分别给出试验次数及单机通电要求。研究提出了更符合实际且满足地面试验考核需求的通用低气压放电试验条件，可为航天器型号地面低气压试验提供参考。

航天器；单机产品；低气压放电；试验研究；试验条件

0 引言

航天器自发射至入轨过程中，内部单机产品一般要经历从1个标准大气压到1×10-6Pa以下的气压变化[1]。低气压环境中的气体带电粒子在电场的作用下，容易碰撞中性粒子或在金属表面激发二次电子发射，造成空间中电子数雪崩式增长，使原本绝缘的气体变为传导等离子体，形成低气压放电[2]。主动段工作的航天器单机，主动段不工作但密闭性较好的单机，以及航天器在返回大气层和登陆外星体过程中工作的单机，都容易产生低气压放电现象。低气压放电可导致单机信号功能下降、设备功能丧失甚至损毁，从而严重影响航天器的在轨可靠性。地面开展低气压放电试验可有效检验产品设计的合理性，提前发现产品存在的在轨低气压放电风险。例如：“风云二号”卫星S频段设备的微波旋转关节因未专设排气孔，在整星热真空试验第13 h发生了低气压放电现象，使得S频段无线信道短暂失锁[3]；“实践十六号”卫星 S频段微波产品也由于内部的腔体滤波器未设计排气孔，在单机热真空试验时发生低气压放电，导致产品故障。

欧美国家在早期气体放电的研究基础上，持续开展了低气压放电形成机理、分析方法和抑制技术等方面的研究，构建了较为完备的理论体系，建立了低气压放电的分析模型，并采用数值方法精确分析低气压放电过程[2,4]。国内复旦大学、中国科学技术大学、西安交通大学等高校对气体放电理论进行了深入研究，上海卫星工程研究所、西安空间无线电技术研究所等单位，根据型号工程研制需求，研究了低气压放电的预防与抑制方法[3,5-7]，但目前尚未查见航天器产品通用低气压放电试验方面公开发表的文章。

本文在梳理航天器低气压放电试验的工程基础上，分析低气压放电的实际环境条件，提出了更符合实际且满足地面试验考核需求的通用低气压放电试验条件。

1 低气压放电试验分析

1.1 低气压放电试验通用要求

低气压放电试验是检验航天器单机产品对于低气压环境适应性的试验项目。无源和有源单机产品的试验连接与测试方法可参见文献[8-9]。

低气压放电试验在工程上一般结合热真空试验开展，通用要求如下：

1）从发射时开始工作的有源电子单机和微波单机应进行本项试验，有断续重复工作的单机在此期间还需要检测重复启动能力；2）在航天器发射过程中不工作，但在常压下密闭、入轨后允许缓慢漏气的单机产品，也应进行本项试验；3）试验时，单机应在额定电流和电压下工作。

1.2 低气压放电试验条件

航天器从发射至入轨过程中，采用不同运载火箭所经历的低气压环境和时间差别不大。但是，在型号工程上，由于总体设计师对低气压放电理解认知的差异，不同的型号试验规范或标准给出的低气压放电试验条件差别较大（参见表1）。

表1 不同标准或型号的低气压放电试验条件Table 1 Low pressure discharge test conditions in different standards or test documents

具体表现在：

1）低气压环境试验压力范围不一致，有常压～1.3 Pa、常压～20 Pa、1000～20 Pa、1000～1 Pa，以及在900～500 Pa和1000～500 Pa的整百 Pa气压时停留等；

2）试验时间不一致，有3 min、5 min、10 min、15 min、20 min等；

3）试验次数不一致，有1次、2次、3次，以及根据试验量级区分（鉴定级3次、验收级1次）；

4）主、备机加电要求不一致，有备机加电试验和对备机无明确要求2种。

以上试验要求的差别，使得单机设计师和试验实施方需要谨慎面对不同的要求。尤其当设计师需要同时应对多个型号要求时，容易造成错误。此外，这种型号间的差别化与当前航天“型谱化、产品化”的要求不相符合，型谱产品经历相似的环境却要做不同的地面低气压放电试验。

2 低气压放电试验环境研究

2.1 低气压范围

关于低气压的范围，目前国内尚未形成统一认识。上海卫星工程研究所的王宇平等认为产生低气压放电的压力为 1300～300 Pa[3]；中国电子科技集团第十三研究所的张强等给出的低气压放电区域为1300～300 Pa[11]，刘中华等则提出 58 kPa～200 Pa为低气压阈值区域，其中1300～200 Pa为低气压放电敏感区域[12]；西安空间无线电技术研究所的王小林等对卫星功率合成器进行试验得出的低气压放电气压值约为920 Pa[7]；北京卫星环境工程研究所的王志浩等根据对PCB焊点的测试研究试验得到的低气压放电气压值约为1000～120 Pa[13]；西安空间无线电技术研究所的吴须大等研究认为750～260 Pa的气压范围内最容易发生低气压放电[14]。

单机内气体击穿电压既与气压有关，又与极板间距有关。帕邢曲线以图形方式定量化表述了这一关系（见图1[14]），气体击穿电压最小值近似为300 V，对应的气压与极板间距乘积约为66 Pa·cm。根据文献[15]和[16]，极板间距可按0.013～0.015 cm计算，则低气压放电的气压值范围为5077～440 Pa。由于气压值过高时，空气中的气体分子较多，电子不易扩散，所以可将气压值范围缩减为1300～440 Pa。

图1 帕邢曲线Fig.1 The Paschen curve

文献[5]通过试验测试得到，频率为3.13 GHz，极板间距为0.02、0.05和0.101 cm时的击穿电压与气压的关系如图2所示。由图可知，气压为2～5 torr（即266～665 Pa）时，击穿电压达到或接近最小值。

图2 击穿电压与气压的关系Fig.2 Relationship between breakdown voltage and gas pressure

综上可认为，低气压放电的气压敏感区域为几百Pa到1000 Pa的气压范围。部分单机内部印制板、器件布局及安装而造成局部的密闭性，使单机在低气压放电试验抽真空过程中内部气压下降较慢，单机内压要稍高于真空罐内压力，因此可将低气压放电的气压阈值向低压拉偏。考虑现有型号工程实际，提出低气压放电试验的气压为 1300～1.3 Pa（即10～0.01 torr）。

2.2 低气压试验时间

航天器从发射至运载火箭抛罩前都置于整流罩内，随着火箭飞行高度的上升，外界气体密度和压力降低，为保持罩内外压力平衡，在整流罩表面开排气孔，以使罩内气压可及时下降。对于非密闭、透气良好的单机，整流罩内气压即可视为单机内压。图3为某低轨运载火箭发射时轨道高度随时间变化曲线。根据文献[1]的研究，轨道高度为29.7 km时的大气压力约为1300 Pa，轨道高度达到125 km时的气压约为1.3 Pa。结合图3的主动段飞行高度变化曲线可知，整个过程约需要 100 s。低地球轨道航天器的轨道高度一般为1200 km以下，发射时运载火箭的飞行速度一般相差不是很大，因此航天器单机产品经历低气压环境的时间也相差不大。考虑到不确定性以及单机布置在星体内部等因素，取3倍余量，即单机在轨经历1300～1.3 Pa低气压过程的时间应不超过 300 s。高轨航天器的发射初始速度大于低轨航天器，因此其经历低气压过程的时间要比低轨航天器的短，可认为300 s的时间也能覆盖高轨航天器单机产品的实际环境。

图3 某航天器发射主动段飞行高度随时间变化曲线Fig.3 Flight altitude and time variation for a certain spacecraft in its launch phase

对无排气孔、具有一定密闭性的单机，航天器单机机箱内部的压力变化规律可表示为[13]

式中：p为单机内压；C为常数；t为经历低气压的时间；V为单机容积。

对于一般尺寸的单机，式(1)可简化为

由式(2)可求解得到单机内部气压从1300 Pa下降到1.3 Pa的时间约为58 min。显然，密闭单机内的气压变化较为缓慢，而由于真空设备的能力限制，在低气压放电试验中，一般单机低气压抽真空过程很难覆盖上述时间要求。因此，单机设计上应采取放气措施，设置排气孔。根据 NASA的 JPL实验室的规定[17]，为缩短低气压放电可能发生的时间，单机的排气孔设置应确保机箱内压在1 min内迅速降低至3×10-3torr（0.4 Pa），同时外部压力应在 6 min内从 1个大气压降低至 1×10-5torr（1.33×10-3Pa）。

2.3 试验次数及其他

在低气压放电试验中，当单机的功率容量（工作电压）与试验要求功率（电压）临界时，放电现象是以一定概率的方式出现，而非100%发生。例如，“实践”某卫星应答机在热真空试验过程中，当罐内气压为 100 Pa左右时发生了低气压放电，后重复3次该过程，仅第1次在230 Pa左右时再次发生低气压放电。因此，为尽可能暴露临界功率时的概率性放电现象，从统计经验上可以对鉴定单机增加试验次数为不少于3次，并兼顾备份单机的加电试验要求；验收单机可结合单机热真空试验完成1次低气压放电试验。

3 低气压放电试验条件制定

3.1 原则和通用考虑

航天器单机产品低气压放电试验条件制定应满足如下原则：

1）覆盖航天器单机在轨低气压环境；

2）兼顾当前航天器型号低气压试验现状；

3）考虑现有低气压试验设备能力。

根据以上原则，并结合前面的论述，确定的航天器单机产品通用低气压放电试验条件为：

1）环境压力：1300～1.3 Pa。

2）压力允差范围：压力为1.3～133 Pa时允许偏差应优于±25%；压力大于 133 Pa时应优于±10%。

3）环境温度：常温。

4）试验时间：环境压力从 1300 Pa下降到1.3 Pa 的时间不少于5 min。

5）试验次数：鉴定级3次，中间1次备份加电，其他2次主份加电；验收级1次，主份加电。

3.2 试验条件分析

上述试验条件的制定未考虑密闭单机，密闭单机的低气压放电问题可通过设计或使用手段予以解决。设计上，可合理设置排气孔，将密闭单机改为透气性较好的单机；或者在使用过程中单机主动段不加电，入轨后静置一段时间（可根据式(1)计算），待单机内压与外界压力接近时再开机工作，从而主动避开低气压环境。

航天器单机产品低气压放电试验使用的真空容器一般相对较小，抽真空过程较快。图4给出了某单机产品在有效尺寸为φ1.5 m的真空容器中，完成低气压放电试验3次抽真空的曲线图。从图中可知，真空容器压力从1300 Pa下降到1.3 Pa的持续时间为12 min。对尺寸大于φ1.5 m的真空容器，单机低气压环境的持续时间一般要超过上述时间，即试验设备能力基本都能满足环境压力从1300 Pa下降到1.3 Pa 的时间不少于5 min的要求。

表1的“风云三号”和“风云四号”卫星试验规范中提出了在整百 Pa气压时的停留要求，但在上述试验条件的制定中未予以选用。气压停留要求的目的是增加在低气压放电敏感区域的停留时间，以便更充分地检验单机产品的适应性。但是，该项要求的可操作性不是很好——真空容器在抽真空过程中的气压停留较难实现，而且目前的单机地面低气压放电试验过程（见图4）已经可以覆盖航天器在轨的真实环境，因此在制定低气压放电试验的通用试验条件时不作气压停留的要求。

图4 某单机产品低气压放电试验真空度曲线Fig.4 Vacuum curve of low pressure discharge test for an individual product

4 结束语

本文在梳理国内低气压放电的标准和不同型号试验文件的基础上，总结归纳其中的差异。结合国内外文献研究成果并根据帕邢曲线计算，确定了通用的低气压放电气压范围；根据运载火箭的飞行过程以及理论计算公式，分别给出了非密闭单机和密闭单机的低气压放电试验时间；针对鉴定单机和验收单机，分别给出试验次数及加电要求。在此基础上，形成了通用的航天器单机产品低气压放电试验条件，并对试验条件进行了解释和地面可操作性分析。

后续，将对航天器整星级（整船级）低气压放电试验的条件与方法开展进一步研究，从而形成较为系统的低气压放电试验要求，为航天器型号地面试验提供参考。

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（编辑：张艳艳）

General test conditions for low pressure discharge of spacecraft units

ZHANG Hua, ZONG Yiyan, XIN Tailin, LI Qiang
(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

Combined with the calculation of the Paschen curve, a general low pressure discharge test pressure range is proposed.According to the rocket’s flight course and the theoretical calculation, the general single machine low pressure discharge test time is obtained.According to different single machines, the test times and the power demands are put forward and the general conditions of the low pressure discharge test for single machine products are presented.

spacecraft; single machine product; low pressure discharge; test study; test conditions

O461.2

：A

：1673-1379(2016)06-0643-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.012

张 华（1987—），男，硕士学位，从事环境与可靠性技术研究。E-mail: zhanghua_seu@126.com。

2016-05-21；

：2016-11-21

国家自然科学基金项目（编号：51605080）