海洋环境下载人航天器电子设备防护技术

于 峰，张福生，孟宪会

（中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094）

海洋环境下载人航天器电子设备防护技术

于 峰，张福生，孟宪会

（中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094）

海南文昌发射场高温、高湿、高盐雾的气候条件以及由天津到海南长距离的海上运输给航天器电子设备的三防性能带来了挑战。文章首先对运输过程中高湿、盐雾和霉菌对航天器电子设备的影响进行了分析，然后对航天器电子设备的三防工艺及运输技术进行了研究，并提出了具有普遍适用性的三防措施，能够有效降低环境因素带来的不利影响。

载人航天器；电子设备；海上运输；三防工艺；防护技术

0 引言

海南文昌发射基地是我国载人航天器主要的发射场地，位于热带沿海地区，具有高温、高湿、高盐雾的气候特点，同时由天津到文昌长距离海上运输也要经历温湿度的剧烈变化，恶劣的海洋气候环境直接影响航天器电子设备的功能、性能。为解决电子设备环境适应性的问题，本文从高湿、盐雾和霉菌对电子设备影响的分析出发，对设备设计生产阶段的选型、涂覆、防护等工艺进行对比分析，对运输过程中降低外部环境影响的方法进行研究，提出覆盖电子设备设计、运输、使用阶段的综合防护技术，为提高电子设备的“三防”性能提供技术基础。

1 问题分析

载人航天器运输需途经天津、山东、江苏、浙江、福建、广东、海南等东南沿海地区，温度高，湿度大，盐雾浓度高，日照时间长，太阳辐射强烈，受海浪海风影响较大。全年平均温度大约为 20～35 ℃，年相对湿度平均值为70%～99%，一年四季都能满足霉菌的生长条件[1]。离海岸7 km地区的含盐量在0.3 mg/m3左右，离海岸2 km地区的含盐量能达到0.7 mg/m3以上[2]。

高湿、盐雾、霉菌对设备的影响是化学腐蚀、电化学腐蚀以及生物腐蚀同时作用的结果，其腐蚀面广，腐蚀速率快，无论是电子器件、线路、结构部件还是电缆均面临巨大的环境考验[3]。

1）高湿

当空气中的相对湿度超过65%时，物体表面会附着一层厚度约为0.001～0.01 µm的水膜，这时零部件材料表面绝缘状况将明显恶化，电阻率显著减小，出现漏电和电弧[4]。

水膜会溶解大气中气体形成电解液，使得异种金属之间发生电化学反应，氧化腐蚀金属材料。

水不仅能吸附在材料表面，还能渗入材料内部。材料吸湿后，从一般纯介质转变为含水分子的介质，造成零部件材料整体性能恶化，例如电绝缘强度降低，介电常数增大等[5]。

高湿能使包括继电器、电磁铁、变压器、电机等电磁性器件线圈产生的磁拉力减小，以致其不能正常工作[6]。

2）盐雾

盐雾的组成类似于海水，含有大量的氯离子。其易被吸附在金属表面形成液膜。氯离子容易穿透金属表面的氧化层进入金属内部，排挤并取代氧化层中的氧而在吸附点上形成可溶的氯化物，从而破坏金属钝性，加速金属腐蚀。

此外，盐雾中溶解有比同体积的海水多得多的氧。氧能引起金属表面阴极去极化，从而阻止由于腐蚀物的产生而使腐蚀速度下降的趋势，促使阳极腐蚀能继续进行下去[7]。

盐雾导致的电化学反应能迅速腐蚀金属器件，因此对电气或电子系统、金属结构部件及电缆接插件等都是巨大的威胁。

3）霉菌

霉菌最适宜的生长温度为20～35 ℃，在相对湿度为70%开始生长，电子设备材料均能作为其营养物质[8]。

霉菌将非抗霉材料分解作为自己的养分，造成对设备材料的直接侵蚀；且其分泌物或代谢产物对包括抗霉材料在内的所有材料造成间接侵蚀。霉菌直接侵蚀的对象是非金属材料，而间接侵蚀对象是包含金属材料在内的所有材料[9]。

2 电子设备三防技术

为增强航天器电子设备的三防性能，提高航天器电子设备的环境适应能力，在载人航天器电子设备的设计及运输过程中均需重点关注设备的三防要求。

电子设备在研制过程中的选型、涂覆、防护等工艺是影响电子设备自身三防性能的关键因素。同时，电子设备运输使用过程中，减少外部环境的接触也是降低电子设备受环境影响的有效手段。

因此，下文从电子设备三防工艺及三防运输技术两个方面出发，提出针对性措施。

2.1 电子设备三防工艺

航天器电子设备内部主要包括以下几类部件：

1）结构部件，主要指机箱、机柜等机械结构部件；

2）电路板，包括电子设备内部电路板、电连接器、电子器件等电性能部件；

3）电缆，包括设备内部电连接器和线缆。对电子设备内不同类型的零部件或元器件，须设计不同的防护工艺。

2.1.1 结构部件防护设计

1）选用“三防”性能良好的材料，例如不锈钢、防锈铝合金、钛合金钢、铸铁、铸钢。

2）选用环境耐受性良好的涂覆材料进行完整、可靠的表面处理，以阻止腐蚀、老化，可采用涂油漆或者镀金属的方法。

若采用涂油漆的方法，可使用常规喷漆工艺，可选油漆及其性能特点如下：

① 氨基漆。国内电子设备应用最多的漆种，但耐水性差，雨淋或者潮湿浸水后易起泡、易粉化。

② 聚氨酯漆。在军用电子设备中做三防漆使用，户外耐候性不够理想，如聚氨酯白磁漆，在海南加积地区户外暴晒3个月后表面发黄、失光、密布裂纹。

③ 丙烯酸漆。国际上公认具有优异“三防”性能的漆种，保光、包色、耐粉化性好，在海南加积地区一般要户外暴晒10年以后才会出现轻微粉化。

④ 环氧漆。黏结强度好，多用于底漆，但抗粉化性能差，一旦面漆被破坏，会很快粉化，性能丧失。

若采用镀金属层的方法，可使用常规电镀工艺，可选镀金属及其性能特点如下：

① 锌。在海南加积地区潮湿而有盐雾的空气环境中，容易产生粉白点腐蚀，30 µm镀锌层在海洋大气环境中寿命为8年，主金属不腐蚀。

② 镉。较耐大气冷凝物的烟雾侵蚀，不易出现粉白点，能较长时间保持金属光泽，12 µm镀镉层在海南加积地区户外暴晒9年不发生锈蚀。

③ 镍、铬。装饰性好，但耐候性不好，容易锈蚀，在海南加积地区户外只两三个月就会面目全非。

综合分析，航天器电子设备结构外部可以选择“三防”性能优异、持续时间最长的丙烯酸漆；镀金属可以选择“三防”性能优异、持续时间最长的镉。

3）合理的结构设计

航天器电子设备合理的结构设计可有效降低恶劣环境带来的影响[10]。

① 表面形状力求简单，避免出现过深的凹陷和棱角，连接处过渡圆滑；

② 易腐蚀的部位，特别是关键零部件应保有维修保养和检查通道；

③ 选择接触材料时尽量避免异种金属和合金相互接触，不可避免时应选取在电偶序中位于同组或者位置较近的金属或合金；

④ 在设备结构方面，阴阳极面积应保持适当比例，切忌形成大阴极、小阳极的不利面积比。

2.1.2 电路板防护设计

1）选用具备“三防”性能的电连接器。若无，也可选用防潮电连接器，隔绝与外部环境的接触，同样能达到“三防”的目的。

2）对于无“三防”能力器件，包括继电器、PCB本身，则采用涂覆三防漆的工艺。常用涂覆材料及其性能如下[11]：

① 丙烯酸树脂（AR）。具有良好的电性能和优良的附着力，工艺性良好，以单组分居多，操作方便，涂层美观。

② 改性环氧树脂（ER）。具有良好电性能和优良的附着力，工艺性良好，但硬度较大。

③ 有机硅树脂（SR）。电性能优良，介质损耗和介电常数比其他类涂料低，防潮湿性好，适用于高频电路板的涂覆，亦适用于高温下工作电路板的涂覆。

④ 聚氨酯树脂（UR）。耐湿热和耐盐雾腐蚀性能优越，涂层的漆膜光滑、丰满、坚硬、附着力强，耐水、防潮、防霉、耐磨、防化学腐蚀等性能优越[12]。

⑤ 聚对二甲苯（XY）。防潮、防霉、耐磨、防化学腐蚀、耐湿热、耐盐雾等性能均非常好。

综合分析，选用XY可保证电子设备板具有优良的防潮、防结露、防盐雾的性能。

3）涂覆工艺的选择

涂覆工艺手段主要包括浸渍、刷涂、手工喷涂和选择性涂覆[13]，其工艺特点如表1所示。

综合分析，选择一致性较高、边沿精度高的选择性涂覆，有助于提高涂覆质量和效率。

2.1.3 电缆防护设计

1）选用“三防”性能良好的电连接器。若无“三防”电连接器，可选用防潮电连接器，降低与外部环境的接触，同样能达到“三防”的目的。

2）对电连接器与线缆的焊点采用灌封工艺进行密封。线缆本身有绝缘外皮保护，只要将电连接器和线缆的焊点进行密封，就能有效降低潮湿空气的接触，达到“三防”目的。

2.2 航天器三防运输技术

2.2.1 专用包装箱

航天器由天津运输至海南文昌发射场过程中，状态为舱段总装状态，置于专用的包装箱内[15]。为提高专用包装箱的三防效果，在传统的航天器包装箱的基础上，在密封和监测手段2个方面进行针对性加强。

1）航天器传统专用包装箱密封在保证洁净度方面主要关注外部灰尘的进入。海运包装箱应进一步提高包装箱的密封性能，以阻隔更小颗粒的盐雾、湿气；同时，包装箱内可以充填洁净、干燥气体，保持正压状态，进一步阻止外部空气的进入。

2）保证对箱体内部空气湿度、盐雾浓度的实时监测，一方面实时掌握航天器所处环境情况，另一方面也为运输影响的量化提供数据支持。

2.2.2 集装箱防护

载人航天器运输过程中应重点关注集装箱的密封、防潮、隔热等需求[16]。虽然标准集装箱本身的设计可以满足风雨密闭性要求，但因箱内温度变化剧烈，且有集装箱雨的存在，仍有必要对集装箱进行防潮隔热措施，解决办法是采用密封条、干燥剂、加阻隔板等。

1）密封条

为了减少集装箱外部湿气及风雨等的侵袭造成的内部设备受潮，一般集装箱在接缝处及门框处使用集装箱密封条。按其功能可分为风雨密封条（普通货物集装箱用）和气密胶条（保温集装箱用）2类，使用环境温度为-45～80 ℃，通常采用PVC材质生产，正常条件下使用寿命不少于5年，且耐候性极佳。气密胶条能够最大限度地降低与外界空气的交换，在源头上降低潮湿空气的进入。

2）干燥剂

集装箱干燥剂又叫强力干燥剂、生化干燥剂，主要用于吸附海运集装箱的集装箱雨。目前干燥剂的原料主要有氯化钙、硅胶、蒙脱石、生石灰等，其中氯化钙吸附能力强且持久、安全性能高，是航天器集装箱干燥剂的首选材料，其单位吸附能力为：在相对湿度为20%时，吸附量（吸收水分的质量比原有干燥剂的质量）≥60%；相对湿度为40%时，吸附量≥100%；相对湿度为 90%时，吸附量≥200%。

3）阻隔板

在干燥剂不能完全吸附集装箱雨时，可以使用阻隔板从源头上控制集装箱雨的产生。选用防潮纸与防潮衬垫复合阻隔板，在运输过程中能减缓外部过高或过低的温度通过集装箱壁传导，从而有效避免箱内温差急剧变化，减缓集装箱雨的产生。

3 “三防”技术应用效果

以海南发射场XX-1型号为例，对三防技术应用效果进行分析。

XX-1作为连续发射型号，需对其典型电子设备内电路板、场区留存电缆、结构部件、运输工装等进行环境试验，以获得“三防”技术效果，为后续型号工艺改进提供试验基础。具体试验结果如表 2所示。

表2 “三防”技术在某型号上的应用效果Table 2 The effect of protection technology applied for XX-1 spacecraft

以电缆转接箱为例，置于无环境控制的海南文昌发射基地厂房36个月。厂房内未采取防护措施的电缆受腐蚀严重，采取了密封、干燥措施的电缆转接箱内部电缆状况良好，无腐蚀、发霉等现象，防护措施有效。

综合分析各类“三防”技术及运输技术防护效果，针对各类电子部件的防护工艺实际效果良好，能很好地对抗恶劣环境的影响，保证电子设备的性能。

4 结束语及建议

本文根据载人航天器电子设备的特殊运输环境，分析了高湿、盐雾和霉菌对设备的影响，并从电子设备三防工艺及三防运输技术 2个方面提出并实施有效措施，提高了电子设备的三防性能，经实际分析效果良好，保证了航天器电子设备发射场运输及使用期间的可靠性。

随着国防工业基础实力的提升，各类新型材料、涂覆工艺的防护性能越来越高，在此，提出以下几点建议，旨在持续提高航天器电子设备的三防性能：

1）关注导弹、火箭等国防领域新型材料的应用，积极选用高密度、惰性材料，降低电解腐蚀；

2）提高设备加工精度，能够减少表面液膜形成量，还能改善涂覆层均匀度，改进防护性能；

3）完善运输过程中的监测手段，提高对霉菌、颗粒物的分析能力。

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（编辑：冯露漪）

Protection technology for electronic equipment used on manned spacecraft in coastal areas

YU Feng, ZHANG Fusheng, MENG Xianhui
(Institute of Manned Spacecraft System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

In the Wenchang launching site located in Hainan province, the high humidity, high salt fog conditions, mould, and long distance transportation from Tianjin to Hainan pose challenges to the protection of the electronic equipment used in manned spacecraft. This paper firstly analyzes the influence of damp heat, salt fog and mould on the electronic equipment, and then proposes universal measures of the protection to reduce the adverse effects of environmental factors effectively.

manned spacecraft; electronic equipment; marine transportation; three-proofing technique;protection technology

V551.5;TB304;TN60

：A

：1673-1379(2017)03-0330-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.03.018

于 峰（1984—），男，硕士学位，主要研究方向为载人航天器综合测试及测试系统开发。E-mail：yufishers@163.com。

2017-01-15；

2017-05-31

国家重大科技专项工程

于峰, 张福生, 孟宪会. 海洋环境下载人航天器电子设备防护技术[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017,34(3)： 330-335

YU F, ZHANG F S, MEGN X H. Protection technology for electronic equipment used on manned spacecraft in coastal areas[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(3)： 330-335