CC BY
345
Васильев Илья Сергеевич
Vasilev Ilia Sergeevich Открытое акционерное общество «Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф. Решетнева» Joint Stock Company “Academician M.F. Reshetnev” “Information Satellite Systems” Инженер-конструктор отдела разработки конструкций бортовой радиоэлектронной аппаратуры Department of on-board equipment construction design, Designer-engineer
E-Mail: [email protected]
Ким Владимир Сергеевич
Kim Vladimir Sergeevich Национальный исследовательский «Томский политехнический университет» National research “Tomsk Polytechnic University” Доцент кафедры Электромеханических комплексов и материалов Electromechanical Systems and Materials Department, Associate professor
Кандидат физико-математических наук.
E-Mail: [email protected]
Ефремов Сергей Валерьевич
Yefremov Sergey Valeryevich Открытое акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» Joint Stock Company “Academician M.F. Reshetnev” “Information Satellite Systems” Заместитель начальника отдела разработки конструкций бортовой радиоэлектронной аппаратуры Department of on-board equipment construction design, Deputy Head
E-Mail: [email protected]
05.09.02 «Электротехнические материалы и изделия»
Надежность электрических соединений в бортовой кабельной сети перспективных космических аппаратов
On-board DC harness electrical connections reliability of perspective spacecrafts
Аннотация: Объектом исследования является определение максимально возможного срока службы электрических соединений бортовой кабельной сети космических аппаратов с помощью ускоренных испытаний, имитирующих условия эксплуатации на орбите. Проведение данных исследований позволит определить направление физико-химических процессов, происходящих в электрических соединениях бортовой кабельной сети при эксплуатации космического аппарата более 15 лет, что позволит определить возможность увеличения срока службы бортовой кабельной сети. Основная нацеленность предлагаемого
исследования поведения описываемых электрических соединений в течение срока эксплуатации более 15 лет позволит с успехом использовать разработанные методики и рекомендации при внедрении новых конструкторско-технологических решений, позволяющих уменьшить массу и увеличить срок активного существования космического аппарата.
The Abstract: The object of the investigation is to define maximum lifetime of electrical connections of Spacecraft DC harness by accelerated tests imitating operational environment on orbit. The investigation will allow one to define a tendency of physical-chemical processes which occur in electrical connections of Spacecraft DC harness during more than 15 years, which allow one to define capability of DC harness lifetime increasing. The main objective of the proposed electrical connections behavior investigation, with exploitation during more than 15 years, will allow successfully using of the developed methods and recommendations during implementation of new design solutions, which allow decreasing of DC harness mass and increasing of spacecraft lifetime.
Ключевые слова: Бортовая кабельная сеть, испытания, диффузия, релаксация, надежность, обжимные электрические соединения.
Key word. On-board DC harness, testing, diffusion, relaxation, reliability, crimped electrical connections.
***
Обеспечение надежности является важнейшей задачей любого промышленного производства. Особенно остро эта задача стоит в космической отрасли, прежде всего, из-за высокой стоимости выведения на орбиту космического аппарата (КА) и отсутствия возможности ремонта КА на орбите. Совсем недавно срок активного существования (САС) КА не превышал 10 лет. В настоящее время САС вновь разрабатываемых в ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» (ОАО «ИСС») космических аппаратов, достигает 15 лет. Но в ближайшей перспективе могут быть повышены требования к сроку эксплуатации КА. При этом обеспечение более длительного САС является многоплановой научно-технической задачей, включающей проектирование и исследование функционирования элементов оборудования КА, разработку и отладку производственных технологий, и тщательный контроль всех стадий сборки. При разработке КА должно уделяться большое внимание надежности бортовой кабельной сети (БКС), которая объединяет все системы и обеспечивает функционирование всех элементов оборудования КА без исключения.
Современная технология изготовления бортовой кабельной сети космического
аппарата
Современные КА являются сложными многокомпонентными техническими устройствами, которые предназначены для решения широкого спектра задач. Оборудование любого КА можно разделить на два основных модуля: модуль служебных систем (МСС) и модуль полезной нагрузки (МПН). Основным назначением МПН является выполнение целевых задач КА. МСС выполняет функции ориентации и стабилизации КА на орбите, обеспечивает питание электроэнергией и обмен информацией между системами. БКС КА объединяет все системы и оборудование и выполняет функции питания приборов электроэнергией и передачи информационных, телеметрических и командных сигналов. Поэтому бесперебойное функционирование БКС является необходимым условием обеспечения надежной работы КА.
С точки зрения надёжности, одним из уязвимых частей в БКС являются электрические контакты. До начала 2000-х годов проектирование и технология изготовления БКС КА мало
отличались от методов, разработанных на заре космической эры. В частности, применялись только соединители с контактами под пайку проводов. В настоящее время повышенные требования, предъявляемые к сроку эксплуатации и массогабаритным показателям КА, вызвали необходимость изменения подхода к проектированию и изготовлению кабельной сети. В ОАО «ИСС» внедрена технология проектирования и единой трехмерной сети электрических интерфейсов, использующая САПР «CATIA», с последующим изготовлением на полномасштабных макетах КА. Данная технология требует при сборке БКС преимущественно использовать соединители с извлекаемыми обжимными контактами и обжимные сростки. При этом используются соединительные элементы иностранного производства. Однако в настоящее время в российских предприятиях начаты работы по созданию конкурентно способных соединительных элементов. Достоинствами обжимной технологии являются [2]:
• уменьшение габаритно-массовых характеристик БКС;
• сокращение срока создания БКС ракетно-космической техники (РКТ);
• возможность выполнения доработки электрических цепей на любом этапе
изготовления изделий РКТ;
• сокращение материальных издержек на создание изделий РКТ.
Кроме технологических и экономических достоинств изготовление обжимного соединения является более «чистым способом монтажа» по сравнению с паяным соединением, так как при обжимке отсутствует необходимость использования дополнительных материалов: припоя и флюса, которые вносят дополнительное электрическое сопротивление в зоне перехода. При этом, материалы обжимаемых элементов (обжимной втулки и провода) практически полностью соответствуют друг другу, следовательно, имеют максимально близкий коэффициент теплового расширения и величину электрического сопротивления. Также прилагаемое усилие при обжатии способствует разрушению тончайших поверхностных окисных пленок и выравнивание микрошероховатостей в области контакта, тем самым увеличивая общую площадь электропроводящих контактных участков в переходной зоне. Наличие остаточного механического усилия также должно способствовать процессу взаимной диффузии в процессе эксплуатации [6].
Необходимо отметить, что обжимные электрические соединения в БКС в течение срока эксплуатации КА должны соответствовать следующим требованиям:
1) иметь минимальную величину переходного электрического сопротивления в области контакта;
2) обладать механической прочностью, соответствующей прочности соединяемых материалов;
3) сохранять электрические характеристики в заданных пределах.
Для обеспечения указанных требований в ОАО «ИСС» используются отработанные технологии и способы монтажа, а также квалифицированные комплектующие. Однако, для подтверждения возможности применения электрических соединений в течение САС более 15 лет, а также для отработки новых и более легких материалов для изготовления БКС необходимо провести ряд исследований с целью разработки рекомендаций по методу определения максимального ресурса электрических соединений.
Типы обжимных соединительных элементов и проведение испытаний
При изготовлении БКС КА наиболее широко применяются субминиатюрные соединители типа D-Sub с извлекаемыми обжимными контактами, которые в основном производятся в странах Европейского Союза и США. Контакты соединителей имеют токоведущую часть из медного сплава с золотым покрытием толщиной 1,27 мкм, нанесенного поверх немагнитного подслоя меди толщиной не менее 1 мкм.
Для сращивания проводов согласно требованиям электрической схемы и при доработке кабелей применяются обжимные сростки производства Tyco Electronics (Англия/США). Основным материалом обжимных сростков является электротехническая отожжённая медь. В качестве покрытия используется золото толщиной 1,27 мкм, нанесенного поверх подслоя гальванического никеля толщиной 1,27 мкм. Подслой никеля используется для исключения диффузии меди в покрытие [5].
При изготовлении данных обжимных соединений элементов обязательным является выполнение ряда контрольных операций [7]:
• измерение падения напряжения;
• испытание на прочность при растяжении;
• металлография.
Требования к выполнению высоконадежных обжимных соединений регламентируются стандартом Европейского космического агентства (ESA) [7].
Для определения максимально возможного ресурса обжимных соединений в ОАО «ИСС» были изготовлены кабели-типопредставители с применением обжимных соединительных элементов. Пример схемы изготовленного кабеля приведен на рисунке 1.
Рис. 1. Схема испытуемого кабеля-типопредставителя
Для контроля качества обжимных соединений были также изготовлены контрольные образцы электрических соединений. Изготовленные контрольные образцы обжимных соединений подвергались испытаниям с выполнением всех установленных требований [7].
Типичные результаты испытаний для 6 образцов приведены ниже в таблице.
Таблица
Результаты контрольных операций обжимных соединений
№ Сеч ение пров ода, 2 мм Сечени е обжим ной втулки, 2 мм Количе ство обжим аемых провод ов Максимальное падение напряжения, мВ Продольное усилие, Н Металлография
По станда рту, не более [7] Фактич еское значен ие По стандарт у ^ не менее Фактич еское значен ие По стандарту ^ не более, % Фактичес кое значение, %
1 0,2 0,41 2 4,0 1,4 45 54,63 - -
2 0,2 0,41 2 4,0 1,7 45 53,29 - -
3 0,2 0,41 2 4,0 2,1 45 52,00 - -
4 0,2 0,41 1 4,0 1,8 - - 10 3,55
5 0,2 0,41 1 4,0 1,4 - - 10 6,4
6 0,2 0,41 1 4,0 2,0 - - 10 4,4
Из таблицы видно, что изготовленные образцы полностью удовлетворяют международным требованиям [7]. По механической прочности образцы превышают минимально допустимое стандартом значение на 13,5... 17,6 %, а по падению напряжения - в среднем в 2 раза.
Металлографическое исследование образцов позволяет провести визуальный контроль качества обжимного соединения. Результаты металлографического контроля образцов № 4, 5 и 6 представлены на рисунках 2 и 3. Деформированные втулки этих образцов при увеличении х50 приведены на рисунке 2. Видно, что все проволоки токопроводящей жилы деформированы. Площадь пустот для образцов 4, 5 и 6 составляет соответственно 3,55 %; 6,4 %; 4,4 % от общей площади поперечного сечения провода, тогда как согласно [7], максимально допустимая площадь пустот не должна превышать 10 %.
Рис. 2. Образцы № 4, 5 и 6 (увеличение х50)
При увеличении х400 видны микротрещины в покрытии, рис. 3. Микротрещины расположены на ребрах обжимной втулки, глубина микротрещин лежит в пределах 0,6...1,1 мкм, что является допустимой величиной, так как не достигают основного металла обжимной втулки. Образование микротрещин можно объяснить действием механических напряжений, которые обязательно возникают в процессе обжатия.
Рис. 3. Образцы № 4, 5 и 6 (увеличение х400)
Результаты данных испытаний отражают полное соответствие изготовленных обжимных соединений установленным требованиям [7], выполнение которых обеспечивает необходимую надежность в течение 15 летнего срока эксплуатации.
В связи с тем, что в настоящее время РФ ведутся работы по постановке на производство зарубежных аналогов соединителей с извлекаемыми обжимными контактами и обжимные сростки космического применения, проведение исследований по определению максимально возможного САС, превышающего 15 лет, является в высшей степени актуальным.
Так как имеющиеся и разрабатываемые отечественные комплектующие (соединители, сростки, провода и др.) могут отличаться от зарубежных аналогов, поэтому необходимо проведение полномасштабных исследований по изучению направления физико-химических процессов взаимной диффузии и релаксации, которые обязательно происходят в процессе эксплуатации и для определения максимального ресурса электрических соединений. При этом известно, что процессы релаксации и взаимной диффузии могут быть ускорены внешними воздействиями, такими как вибрация, изменение температуры среды при выходе и входе КА в тень, вакуум и другие [3, 4]. Поэтому при проведении ускоренных испытаний для определения надежности электрических соединений БКС необходимо проводить с максимально возможной имитацией реальных внешних воздействий.
Заключение
Возможное увеличение САС перспективных КА предъявит повышенные требования к надежности БКС. Применение стандартных методов [1] расчета ресурса обжимных соединений затруднено по причине необходимости большого объема статистических данных об отказах, которые мы не можем получить, так как в данном случае имеем дело со штучной продукцией, которая при этом имеет большую стоимость. Для определения максимального ресурса обжимных соединений БКС КА необходимо провести целый ряд исследований соединительных элементов в условиях приближенных к эксплуатационным режимам.
В настоящее время электрические соединения в БКС, выполненные с помощью соединительных элементов, обладают надежностью в 15 лет при обеспечении возможной минимизации массы. Но нельзя останавливаться на достигнутом уровне. Поэтому для отработки новых технических решений по дальнейшему снижению массы и определению максимального срока службы БКС в ОАО «ИСС» проводятся полномасштабные исследования электрических соединений, направленные на решение данных задач. Данные исследования должны позволить повысить максимальный возможный ресурс БКС и еще больше минимизировать ее массу. Возможно, что данные исследования ускорят процесс разработки конкурентоспособных обжимных сростков и соединителей с извлекаемыми обжимными контактами отечественного производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Барлоу Р., Прошан Ф. Статистическая теория надежности и испытания на безотказность. - М.: Наука, 1984. - 327 с.
2. Васильев И.С., Ефремов С.В., Ким В.С. «Надежность обжимных электрических соединений бортовой кабельной сети в течение срока активного существования космического аппарата» / «Военмех. Вестник БГТУ». 2013. № 17. Стр. 32-33.
3. Золоторевский С.М. Механические свойства металлов: Учебник для вузов. 2-е изд.: Металлургия. 1983. 352 с.
4. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. Изд. 2-е, перераб. И доп. М., «Машиностроение», 1976г, 312 с. + приложение 1-48 с.
5. Сафонов Л., Сафонов А. «Электрические прямоугольные соединители.
Электролитическое получение серебряных и золотых покрытий повышенной твердости и износоустойчивости» / Технологии в электронной
промышленности. 2007, № 7. Стр. 54-59.
6. Хольм Р. Электрические контакты. М.: Издательство иностранной литературы, 1961.
7. ECSS-Q-ST-70-26C «Space product assurance. Crimping of high-reliability electrical connections». European Cooperation for Space Standardization. 2008. 41 p.
Рецензент: Сунцов Сергей Борисович; начальник отдела разработки конструкций бортовой радиоэлектронной аппаратуры; к.т.н.; Открытое акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева».
