航天器光纤陀螺用绕环胶特性分析

王晓玲, 党 静, 刘保林, 张宇飞, 赵亚飞, 王晓阳

（1. 北京控制工程研究所, 北京 100094;2. 空军装备部驻北京地区第四军事代表室, 北京 100041）

0 引言

光纤陀螺常用于敏感航天器姿态角速度, 是航天器姿态控制的关键敏感器之一, 具有高可靠性、长寿命、抗冲击、低功耗、全固态等优点,已广泛应用于航天器产品中。 光纤环作为光纤陀螺光路部分的核心组件, 其性能直接影响光纤陀螺精度［1-2］。 光纤绕制成环过程中需对绕制的光纤施胶, 绕纤后再进行固化以固定光纤成环, 确保各匝光纤之间相对位置及整个光纤环的轴向稳定性, 绕环胶可以有效提高光纤环的抗振性能［3］, 但也会对光纤环温度性能及可靠性等产生较大的影响［4-5］。 孟照魁等［4］分析了绕环胶对光纤环、光纤陀螺温度性能及振动性能的影响。 赵晓东等［6］通过分析不同绕环胶对光纤环应力及温度的影响, 得到了适用于光纤环的绕环胶特性参数。 但对于航天器光纤陀螺用绕环胶, 除了要考虑绕环胶对光纤陀螺温度及振动性能的影响外, 还需要考虑真空环境下绕环胶的真空挥发性能。 本文选取了两种紫外光固化胶作为光纤环绕环胶, 并对绕环胶的各项性能指标进行了测试, 综合考虑了绕环胶对光纤环温度、振动的影响以及绕环胶的真空挥发性能, 最终确定了适用于航天器光纤陀螺的绕环胶, 为航天器光纤陀螺用绕环胶的选取提供了参考和依据。 本文在进行绕环胶性能测试时采用的测试方法及标准如表1 所示［7-11］。

表1 绕环胶性能测试方法及标准Table 1 Test methods and standards for the performance of ring winding adhesive

1 光纤环绕环胶基本特性分析

绕环胶的主要功用为填充光纤间的缝隙, 使光纤成环后满足温度性能及振动要求。 实际使用中发现, 光纤间的绕环胶固化后会对光纤产生应力, 而光纤是一种应力敏感材料, 应力会引起光纤折射率的变化, 导致传播光的相位和幅度发生改变, 从而使光纤环输出产生非互易相移［6］。

紫外光固化胶是一种透明的液态光聚物, 暴露在紫外光下即可固化。 与其它聚合物材料相比,紫外光固化胶固化工艺简单、固化速度快、固化后收缩小, 并且由于其在低温下固化避免了高温产生的内部热应力, 因此可在较宽的温度范围内保持长期稳定性。 紫外光固化胶的以上特点使其满足光纤环绕环胶的特性要求。

绕环用的紫外光固化胶不仅需要具备固化快、固化收缩小、固化应力小等特点, 还需要与光纤涂覆胶性能接近, 以便固化后对光纤产生的应力最小。 紫外光固化胶与热学相关的参数有热膨胀系数、玻璃化转变温度等, 与振动相关的力学参数有弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率等, 光纤用紫外光固化涂料特性参数指标如表2 所示［12］。

表2 光纤用紫外光固化涂料特性参数指标（25℃）Table 2 Characteristic parameter indicators of UV-curable coatings for optical fibers（25℃）

绕环胶黏度应根据过胶工艺进行选择, 过胶工 艺示意图如图1 所示。 如果绕环胶黏度过高, 不利于消除胶流动过程中产生的气泡; 而黏度过低会导致绕环胶不易挂纤, 引起胶量少, 进而导致光纤间形成空洞。 绕环胶填充后的光纤端面形貌如图2 所示, 其它参数依据产品使用工况综合考虑。

图1 过胶工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of gluing process

图2 绕环胶填充光纤端面显微镜照片Fig.2 Microscope photo of fiber end face filled with ring winding adhesive

2 绕环胶基本特性参数测试

首先根据过胶工艺对不同黏度紫外光固化胶进行试绕制, 确定了紫外光固化胶黏度应在500cps ～1200cps 之间。 由于不同的固化设备、试验设备、测试条件等会对紫外光固化胶特性参数产生影响,为了对不同厂家提供的紫外光固化胶进行确切对比, 粗选出高模量（1000MPa ～1500MPa） 和低模量（＜500MPa） 的A、B 两种紫外光固化胶作为绕环胶, 然后按相同的设备、测试条件等进行热学、力学特性参数对比测试, 以获得具有可对比性的特性参数。 热学测试试样如图3 所示, 力学性能测试试样如图4 所示。

图3 热学测试试样（试样厚4mm）Fig.3 Sample used for thermal test（thickness is 4mm）

图4 力学性能测试试样（试样厚2.5mm）Fig.4 Sample used for mechanical properties test（thickness is 2.5mm）

根据表1 的测试方法及标准对A 胶、B 胶进行了黏度、热膨胀系数、玻璃化转变温度、弹性模量、拉伸强度及断裂伸长率测试, 测试得到A 胶和B 胶的基本特性参数如表3 所示。

表3 绕环胶基本特性参数（25℃）Table 3 Basic characteristic parameters of ring winding adhesive（25℃）

3 光纤环光学性能随温度变化测试

采用A、B 两种紫外光固化胶绕制了两只1km长的光纤环, 紫外光固化胶固化后进行光纤环全温性能测试。 搭建了光纤环光学性能测试系统如图5 所示, 将光纤环置于温箱中, 两端尾纤在温箱外分别与Y 波导及光功率计、消光比测试仪连接,测试光纤环的损耗及偏振串音。 光纤环损耗表征光纤环对光信号的衰减, 损耗越小, 光纤环性能越好。 偏振串音表征光纤环保持光偏振态的能力,偏振串音越大, 保偏性能越差。

图5 光纤环光学性能测试系统Fig.5 Optical performance test system of optical fiber ring

图5 中, 温箱设置为定点运行, 采取先升温再降温再升温的方法, 测试过程中选取的温度点依次为25℃、70℃、55℃、-20℃、-45℃、-20℃、25℃、55℃、70℃。 其中, 25℃～70℃为第一次升温过程, 70℃～ -45℃为降温过程, -45℃～70℃为第二次升温过程。 每个温度点保温30min, 不同温度点间的温变速率按1℃/min、2℃/min、3℃/min、5℃/min 顺序分别进行4 次测试, 以分析绕环胶在不同温变速率下对光纤环损耗和偏振串音的影响, 最终得到采用A、B 两种紫外光固化胶的光纤环性能测试曲线, 分别如图6、图7 所示。

图6 不同变温速率下A 胶光纤环的损耗、偏振串音变化曲线Fig.6 Loss and polarization crosstalk curve of A-adhesive optical fiber ring under different temperature changing rates

图7 不同变温速率下B 胶光纤环的损耗、偏振串音变化曲线Fig.7 Loss and polarization crosstalk curve of B-adhesive optical fiber ring under different temperature changing rates

对于光纤环损耗性能, 由图6（a）、图7（a） 可知, 在不同的变温速率下, 两种光纤环损耗变化曲线趋势一致, 均在低温-45℃时达到最小（形成“谷底”）, 在高温70℃时达到最大, 但不同变温速率之间损耗相差很小（小于0.05dB）, 基本忽略不计, 说明两种胶绕制的光纤环在不同变温速率时光纤环性能稳定。

对于光纤环偏振性能, 由图6（b）、图7（b） 可知, 在不同的变温速率下, 两种光纤环偏振串音变化曲线趋势一致。 偏振串音在70℃～ -20℃降温过程中呈现减小的趋势, 在-20℃～70℃第二次升温过程中呈现增大的趋势, 该现象说明温度越高保偏性能越差。 在-20℃～ -45℃与-45℃～-20℃相邻升降温区间, 低于-20℃的偏振串音呈现增大趋势, 在最低温度点- 45℃时达到相对“峰值”, 与高温点的偏振串音接近, 说明在-20℃时保偏性能最好。

从图6（b）、图7（b）中还可以看出, A 胶光纤环偏振串音在不同变温速率下基本稳定; B 胶光纤环在1℃/min 的第一次全温测试时胶性能不够稳定,与后续的测试曲线稍离散, 通过分析发现产生这种现象的主要原因是B 胶热膨胀系数大且玻璃化转变温度低于70℃, 后续B 胶在经过变温速率为2℃/min、3℃/min、5℃/min 的3 次高低温试验后, 相当于对光纤环进行了老化处理, 胶性能逐渐稳定, 离散现象消失。

通过以上光纤环全温性能测试可以看出, 采用A 胶和B 胶的光纤环均满足-45℃～70℃全温范围的光学性能要求。 全温测试后对两光纤环又进行了随机振动及半正弦冲击测试, 发现测试后的光纤环损耗、偏振串音仍然满足指标要求。

4 绕环胶真空挥发性能测试

航天器用非金属材料的总质损（Total Mass Lost,TML）和收集到的可凝挥发物（Collected Volatile Condensable Material, CVCM） 是衡量航天器材料放气污染的重要参数。 因质损所产生的可凝挥发物会对航天器敏感表面造成污染, 只有TML ＜1% 且CVCM ＜0.1%的材料才能用于航天器。 光纤环作为航天器用光纤陀螺的核心组件, 绕环胶的真空挥发性能需要进行重点关注。 根据表1 的测试方法及标准对A 胶、B 胶进行了真空挥发性能测试,得到的测试结果如表4 所示。

表4 绕环胶真空挥发特性参数Table 4 Vacuum volatilization characteristic parameters of ring winding adhesive

由表4 可知, A 胶的总质损、可凝挥发物参数均满足指标要求（TML ＜1%且CVCM ＜0.1%）, 而B 胶的总质损超出指标。 因此, A 胶可作为航天器用光纤陀螺光纤环的绕环胶。

5 结论

本文选取了两种紫外光固化胶作为光纤环绕环胶, 对比了两种胶的黏度、热膨胀系数、玻璃化转变温度以及力学性能, 分析了两种胶绕制的光纤环光学性能随温度变化情况, 再通过振动测试确认了这两种胶绕制的光纤环温度及振动性能均满足要求, 最后通过绕环胶真空挥发性能测试发现两种胶测试结果差异较大, 最终采用低挥发性的A 胶作为航天器光纤陀螺的绕环胶。 最终得出, 不同绕环胶的真空挥发性能差异较大是制约航天器光纤陀螺用绕环胶的重要指标。