针对海南文昌发射场的载人航天器盐雾效应试验及防护方法

霍佳婧，雷剑宇，刘 元

（中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094）

针对海南文昌发射场的载人航天器盐雾效应试验及防护方法

霍佳婧，雷剑宇，刘 元

（中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094）

空间站工程大吨位载人航天器均在海南文昌发射场发射，面临盐雾效应这个新的环境要素。文章针对海南文昌发射场盐雾环境对载人航天器的影响开展分析和验证工作，研究文昌发射场盐雾水平，分析盐雾效应产生机理和常规盐雾模拟试验方法，针对载人航天器测发流程特点提出主动盐雾防护与盐雾效应摸底试验相结合的工程方法。基于盐雾效应机理总结提出的盐雾效应筛查表格可指导开展沿海地区发射航天器的盐雾防护设计和敏感因素筛查。

载人航天器；海南文昌发射场；盐雾环境；盐雾效应；试验方法

0 引言

盐雾是海洋大气的显著特点之一，它是由海浪的互相冲击和海浪拍击海岸而腾起的浪花、水沫在气流作用下被粉碎而形成极微小的液滴颗粒，向沿海空间飘散、弥漫形成的。在气流作用下，其高度可达2000多米高空，范围可扩散至距海岸数千米乃至数百千米处。大气中的盐雾成分与海水相似，对设备起腐蚀作用的主要是其中大量的氯离子。盐雾中的 Cl¯是吸附性和穿透力很强的活泼离子，具有较小的离子半径（只有1.81×10-10m），与金属接触时具有很强的穿透本领。因此盐雾是强电解质，能加速电极反应使阳极活化，加速腐蚀。另外，盐碱地区形成的盐尘雾也会对设备产生与盐雾类似的影响。

我国空间站工程的大吨位载人航天器均在海南文昌发射场发射，面临盐雾效应这个新的环境要素。本研究针对发射场盐雾环境对载人航天器的影响开展分析和验证，调研文昌发射场盐雾水平及常规盐雾模拟试验方法，分析盐雾效应的产生机理，并针对载人航天器工作环境特点提出主动盐雾防护加盐雾效应摸底试验的工程方法，旨在解决发射场盐雾效应影响问题。

1 海南文昌发射场盐雾环境

盐雾环境条件一般采用盐雾含量和盐雾沉降率表征。盐雾含量指单位体积大气中的含盐量，用mg/m3表示；盐雾沉降率是指大气盐雾在规定面积上单位时间的自由沉降量，用 mg/(80 m2·h)或mg/(m2·d)表示[1]。

空气中盐雾含量与降水情况、离海距离、海岸地貌情况有关。离海洋越近的大气，其含盐量越高（如图1所示）。依据GB/T 24513.1—2009《金属和合金的腐蚀 室内大气低腐蚀性分类》，国内不同地区的Cl¯含量在0.000 1～0.2 mg/m3。可查检测数据显示，文昌地区空气中 Cl¯含量为 0.056～0.225 mg/m3，在全国居于较高水平；HCl含量为0.008～0.077 mg/m3。由于湿度大可加剧盐雾效应，而文昌地区年平均湿度在86%以上，部分月份可达100%，所以盐雾环境是必须考虑的环境要素之一。

图1 氯离子浓度与距海岸线远近的关系Fig. 1 The relationship between the concentration of chloride ion and the distance from the coastline

2 盐雾效应分析

根据产生的机理不同，盐雾主要能够引发以下3种效应。

2.1 腐蚀效应

腐蚀效应包含以下3类：

1）电化学反应造成腐蚀；

2）由于水中盐电离形成酸碱溶液引起腐蚀；

3）不同金属间存在电位差，在盐溶液的强电解质环境下发生化学反应，造成腐蚀，而湿度环境将增加电化学反应阴极水分的供给，故而可加速化学成分对设备的腐蚀[2]。

2.2 电气效应

电气效应包含以下2类：

1）产生导电的覆盖层；

2）绝缘材料及金属腐蚀。

近年来有人对集成电路、雷达天线罩等产品受盐雾影响进行了研究[3-5]，结果表明：盐雾可使集成电路因电化学反应导致腐蚀物生成，进而破坏电路的表面和性能，且该效应与材料及密封性有一定关系：塑料封装和玻璃封装只有引线受腐蚀影响，陶瓷封装受腐蚀影响较大；盐雾明显增大天线罩对雷达波的反射，降低罩壁投射，会形成雷达盲区。

2.3 物理效应

物理效应包含以下2类：

1）机械部件及组合件活动部分的阻塞或卡死；

2）由于电解作用导致漆层起泡。

盐雾试验曾暴露过有机涂层与基底金属结合力差，造成表面起泡、脱落的现象，也曾出现过设备之间的接合处由于盐雾腐蚀而卡死的事例，影响了设备的功能和性能[6]。

3 常规盐雾试验方法及其局限性

常规的盐雾试验可分为自然环境试验和试验室环境试验。

自然环境试验可在户外、库房、海洋平台等进行，其中户外试验综合了太阳辐射、湿度的影响；库房内可模拟设备的真实存储状态；自然环境考核设备、试样对真实盐雾环境的耐受能力，可以反映设备储存、运输、使用的真实状态，但耗时长，且受自然与现场环境条件变化影响，试验可重复性和规律性差。自然环境试验设计中，试验持续时间和评估方法为关键，一般来讲，试样要按照真实服役时间或加严考核，评估方法需要用户根据功能、性能单独设计。常用评价标准有GB 1766—2008[7]、ENISO 102891999[8]、ISO 4628-2003[9]、 ASTM D610-2008[10]及 ASTM D1654-2008[11]等。

实验室环境试验一般参照标准执行，根据需求制定循环次数。实验室盐雾试验的主要作用是材料、器件耐受能力对比筛选；试验条件可参考GJB 150.11—1986[12]，QJ 1238.7—1987[13]、GJB 1217—1991[14]、MIL-STD-810G[15]、GB/T 1771—2007[16]等进行；试验方法分为中性盐雾试验、醋酸盐雾试验、铜加醋酸盐雾试验、交变盐雾试验。其中，中性盐雾试验模拟环境条件类似于沿海地区大气环境，试验可揭示元器件镀层存在的缺陷及不符合质量要求的工艺处理。

考虑到载人飞船返回舱有着陆于海上的可能性，故对舱内外在返回后仍需工作的产品均开展了试验箱盐雾试验考核，方法为中性盐雾试验，积累了机电设备耐受盐雾环境的能力数据。但根据当时经验，试验箱盐雾试验需要在设备上喷淋盐溶液，极易造成设备表面盐雾沉淀。

与导弹、舰船、飞机等直接暴露且多次应用于盐雾自然环境中的装备不同，运载上面级类的航天器在测发流程中的大部分时间置于有环境控制的厂房，因此其盐雾环境水平与厂房环境控制能力、航天器测发流程设计等因素均相关。一方面，盐雾效应为温度、湿度、盐雾的综合结果，统筹考虑厂房环控和航天器测发流程后的盐雾环境水平与试验箱盐雾试验的水平（加速关系）尚无准确的换算关系，折合出合适的试验箱盐雾试验量级较为困难，可能造成对设备考核过严或投入不必要的试验经费；另一方面，尽管试验箱盐雾试验可快速发现材料工艺的设计缺陷，但部分缺陷很难通过试验箱盐雾试验直接暴露，因为自然环境中的温度、降尘、湿度、盐雾耦合效应很难模拟。

4 载人航天器盐雾效应试验及防护新方法

海南文昌发射场发射的载人航天器会经历海运、发射场总装、测试、转运、塔架停放等各类工况。在此期间通过厂房环境控制、航天器主动防盐雾设计、敏感设备局部防护等主动防护手段，可达到阻断盐雾效应的目的。

基于对试验箱盐雾试验局限性的考虑，以及对载人航天器测发流程及停留时间的评估，作者提出了采取主动防护设计和利用首次在海南文昌发射场发射的货运飞船为试验对象，借助合练开展真实环境存放摸底试验的手段（而不采用试验箱盐雾试验的方案，以规避设备盐雾防护过设计），研究发射场盐雾环境对航天器产品的影响。

4.1 盐雾效应防护方案

基于研制流程的分析，载人航天器采取的主要防护措施有：

1）对发射场厂房、工作间提出洁净度、温度、湿度控制指标要求及监测要求，其中厂房洁净度优于1万级，温度(20±5) ℃，相对湿度保持40%左右。

2）舱外设备的保护罩在载人航天二期用保护罩基础上加放干燥剂除湿。3）高温隔热屏、热控材料采用塑料保护膜保护。4）电缆与设备插合后，对缝隙涂胶密封；外露接插件采用3M胶带密封。

5）舱外接插件全部选用防潮接插件。

6）转运过程中，航天器穿船衣，舱外设备全部加装保护罩。

据考，五色养生蔬菜汤源于日本，发明者是一名叫立石和的博士，他著书立说，出版了《元租蔬菜汤强健法》。书中详细记载了五色蔬菜汤的好处及熬煮法。这个配方在民间流传开后，许多注重饮食健康的家庭主妇，更是把五色蔬菜汤“发扬光大”。就连一些企业采用了低温脱水技术，制作成的专门用于冲泡的五色蔬菜汤快餐食品，在市场上，受到了人们的欢迎。

4.2 存放摸底试验方法

结合前述盐雾效应机理，设计出载人航天器真实环境存放试验的典型试件识别方法，形成盐雾效应筛查表格（见表 1），可直接用于沿海发射航天器盐雾敏感因素筛查。通过此表，识别出整船对盐雾敏感的材料、工艺、设备，对筛选出的包含敏感要素的设备制作试验件，试验方法为合练期间试验件随航天器工作流程同步存放，即：航天器在总装厂房，试验件存放于总装厂房；航天器转运，试验件随转运车按同样条件一起转运；航天器在加注厂房，试验件存放于加注厂房；航天器停放于发射塔架，试验件存放于发射塔架同样环境下；依此类推。由于此存放试验典型试件识别方法几乎涵盖了航天器上所有常用的器件、材料和工艺，所以试验结果也可供其他航天器产品参考借鉴。

表1 盐雾效应筛查表格Table 1 Salt fog effect screening form

4.3 摸底试验结果

按照表1所述，共选取参试试验件包括典型的8类共计62个试验件（部分如图2所示）：

1）5A06、2A12、2219、5B70、5A90、TC4、蜂窝板（铝蒙皮、碳蒙皮）、镁合金、铸铝及不锈钢（1Cr18Ni）；

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

3）各类姿态测量敏感器光学镜片；

4）摄像机镜头；

5）装船同批次高频电缆、低频电缆；

6）太阳电池片、涂覆二硫化钼的关节轴承；

7）若干推进阀门、浮动断接器；

图2 部分盐雾试验件示意Fig. 2 Part of the products in salt spray test

盐雾试验件与货运飞船同时进入海南发射场总装厂房，随整船按合练技术流程，在总装厂房、加注扣罩厂房、垂直总装测试厂房及塔架存放和转运。塔架测试结束后，盐雾试验件由提供方取走返回北京地区后对试验件功能和性能进行测试比对。试验件共计在温湿度洁净度控制的厂房中停留49天（洁净度1万级以上，湿度40%左右），在非洁净厂房停留 15天（无洁净度要求，湿度70%～80%）。试验件的功能性能比对测试均未出现明显差异。

通过摸底试验，经发射场现场观察以及撤场后性能和功能测试复测比对，所识别出的敏感试件未发生明显性能下降。这表明在厂房环境保障条件下，盐雾效应可控，货运飞船选用的材料、器件在海南发射场环境中至少可适应3个月的测发流程。

5 结束语

对我国航天器而言，随着海南文昌发射场的启用，盐雾环境成为必须考虑的环境要素之一。由于飞机、导弹、民用电子产品等在盐雾环境中直接暴露的周期长，盐雾考核方法苛刻，故有关结果不适宜航天器直接借鉴。本文研究结果表明，通过厂房环境湿度、洁净度控制，转运过程中航天器穿船衣加干燥剂除湿等手段，试件在洁净度1万级以上、湿度40%左右环境存放49天，在无洁净度要求、湿度70%～80%环境存放15天后，无明显腐蚀现象，性能复测结果均正常，证明所提出的主动防护设计加真实环境存放试验摸底的方法是解决海南发射场发射的载人航天器盐雾影响的现实可行且有效的工程手段。基于盐雾效应机理设计出的盐雾效应筛查表格可用于指导在沿海发射场发射的航天器开展盐雾防护设计和敏感因素筛查。

（

）

[1] 陆家乐, 孙立军, 邱福来. 大气盐雾与电子产品盐雾试验[J]. 电子产品可靠性与环境试验, 2009, 27(4):24-25 LU J L, SUN L J, QIU F L. The salt atmosphere and the salt spray test of electronics[J]. Electronic Product Reliability and Environmental Testing, 2009, 27(4): 24-25

[2] 程丛高. 关于盐雾、霉菌、湿度对设备腐蚀的解析[J].环境技术, 2001, 19(2): 2 CHENG C G. Analysis of equipment corrosion caused by humidity, mould and salt atmosphere[J]. Environmental Technology, 2001, 19(2): 2

[3] 杜迎, 朱卫良. 盐雾对集成电路性能的影响[J]. 半导体技术, 2004, 29(5): 56-58 DU Y, ZHU W L. The infection of saltfog for IC’s performance[J]. Semiconductor Technology, 2004, 29(5):56-58

[4] 杜迎. 盐雾腐蚀对不同封装集成电路性能的影响[J].电子与封装, 2006(2): 24-27 DU Y. The salt fog rusty influence for different package types of IC’s performance[J]. Electronics and Packaging,2006(2): 24-27

[5] 刘剑豪, 傅文斌, 苑立军. 盐雾沉积层对天线罩板块透射性能的影响[J]. 空军雷达学院学报, 2003, 17(2):12-14 LIU J H, FU W B, YUAN L J. Influence of salt-fog sediment on the transmission performance of radome panel[J]. Journal of Air Force Radar Academy, 2003,17(2): 12-14

[6] 史明丽. 机载设备盐雾试验与防护设计[J]. 装备环境工程, 2006, 3(1): 81-82 SHI M L. Salt fog test and protection design of airborne equipments[J]. Equipment Environmental Engineering,2006, 3(1): 81-82

[7] 色漆和清漆涂层老化的评级方法: GB/T 1766—2008[S]

[8] 金属制件上金属和其他无机覆盖层 经腐蚀试验的试验试样和制件的评级: ENISO 10289-2001[S]

[9] 色漆和清漆：涂层老化的评定——缺陷的变化程度、数量和大小的规定: ISO 4628-2003[S]

[10] 涂漆钢表面锈蚀程度评价的标准试验方法: ASTM D610-2008[S]

[11] 喷涂件耐腐蚀环境评估: ASTM D1654-2005[S]

[12] 军用设备实验室环境试验方法: 第11部分 盐雾试验:GJB 150.11A—2009[S]

[13] 导弹运载火箭上电缆试验方法 盐雾试验: QJ 1238.7—1987[S]

[14] 电连接器试验方法: GJB 1217A—2009[S]

[15] Environment engineering considerations and laboratory tests: MIL-STD-810G[S], 2008

[16] 色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定: GB/T 1771—2007[S]

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

国家重大科技专项工程

霍佳婧, 雷剑宇, 刘元. 针对海南文昌发射场的载人航天器盐雾效应试验及防护方法[J]. 航天器环境工程, 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

（编辑：闫德葵）

霍佳婧（1986—），女，硕士学位，主要从事航天器总体设计及环境试验方法研究。E-mail: hjj_20807@126.com。