郑雪松，丁丽娜，王文炎，张洪伟,3，罗 磊，刘婧宇，吉 俐，王荣飞，刘 贲

（1. 中国航天宇航元器件工程中心，北京 100094；2. 贵州航天电器股份有限公司，贵阳 550009；3. 国防科技大学 计算机学院，长沙 410073）

0 引言

空间用长寿命自浮动电连接器是空间机械臂必不可少的重要元器件，是实现空间机械臂末端连接的重要通道，其可靠性直接关系机械臂能否稳定运行[1-2]。

空间用长寿命自浮动电连接器长期暴露于低地球轨道空间环境中[3-4]，原子氧侵蚀效应是导致其性能退化的主要因素[5-7]。表征原子氧侵蚀行为的理论模型[8]有物理溅射模型、冲击诱发和增强表面化学刻蚀机制、掏蚀模型、反射性散射模型、结合键方向性模型、分子随机动力学模型、化学反应动力学模型以及量子力学模型等。现阶段对于原子氧侵蚀效应的研究主要包括地面模拟试验及计算机仿真分析：地面模拟试验主要针对材料级样品或小型器件在原子氧侵蚀下的质损行为；计算机仿真分析可针对航天器大型及异形部件的原子氧辐照通量进行计算[8-12]，并结合材料原子氧侵蚀试验的数据，对大型部件各处的侵蚀特征进行计算分析，且较之模拟试验具有费用低、周期短的优势。

本文以空间机械臂用长寿命自浮动电连接器为研究对象，通过地面模拟及计算机仿真对空间原子氧侵蚀效应进行研究，为空间站用电连接器的设计及寿命预测提供参考。

1 研究对象

试验样品采用贵州航天电器股份有限公司生产的某型空间用长寿命自浮动电连接器。该连接器的插头与插座采用直插连接、直拔分离，壳体插合端设置有大倒角对接导向机构，可实现六自由度大容差对接导向功能；插头或插座上设置有自浮动归中机构，可实现六自由度大容差浮动功能，确保插头与插座的精准对接，并可在两者分离后实现自动复位；插头或插座上设置有超行程弹性退让机构，可保护连接器免受超额插合力破坏，并在外力卸除后实现自动复位，连接器的外形如图1 所示。原子氧侵蚀行为研究的主要对象为连接器上与空间环境直接接触的表面材料——聚苯硫醚（pps）和硅橡胶。

2 原子氧通量计算

计算采用蒙特卡罗法及光学追踪技术，实现低地球轨道空间原子氧与电连接器交互作用的模拟，获取电连接器三维空间原子氧通量分布；同时借助材料原子氧侵蚀地面试验数据，将剥蚀率数据代入模拟计算过程中，针对电连接器插针、针孔等异型结构的侵蚀行为进行计算。

2.1 原子氧通量表达式

空间环境中原子氧的浓度c可以通过航天器所在位置确定。如图2 所示，设某时刻航天器表面某微元的面积为dS，法向矢量为n，氧原子相对于航天器的运动速度为vtot，则航天器该处表面的原子氧通量密度（定义为单位面积单位时间内到达表面的原子氧总数目）可以表示为

图2 微元表面原子氧通量Fig. 2 Atomic oxygen flux on the surface of the micro element

从式(1)可以看出，航天器当前所处环境的原子氧浓度和原子氧相对于航天器的运动速度是计算原子氧通量的重要参数，前者可以由低地球轨道大气模型确定，后者需要结合航天器轨道参数、航天器运行位置和原子氧热运动来确定。航天器表面微元的法向矢量也是关键参数，由航天器运行姿态和航天器形状确定。

2.2 原子氧计算环境模型验证

本文采用自主编写的空间原子氧侵蚀计算软件针对电连接器原子氧侵蚀行为进行计算，而计算过程中的一项关键就是正确构建航天器所处空间位置的原子氧浓度。本文研究中，采用国家军用标准GJB 544A—2000《地球大气模式（90～2500 km）》[13]规定的模型对地球高空大气模式进行了建模，得到了低地球轨道不同位置的大气原子氧浓度，用于式(1)的计算。

一般而言，航天器在轨道中所处位置的原子氧浓度与轨道高度、实时位置所在的经纬度、该时刻的太阳活动强度以及地磁场相关。本文研究中，航天器的实时位置（高度、经纬度）通过对航天器作开普勒轨道假设，使用数值计算的方法得到。太阳活动强度是影响原子氧浓度的关键参数，一般采用10.7 cm 太阳射电通量（F107）来描述，该参数随着太阳活动周期而变化，一段时间内的实测值和预测值如图3 所示。图中以月为单位，将实测值平滑拟合，并根据实测曲线的趋势预测未来某个月的F107值。从图中可以看出，F107取值大约在70～150范围之内，平均值约为100。对于未来的航天任务，其执行周期内的原子氧浓度平均值取决于任务的时间段；对于研究而言，往往取最大值和最小值给出原子氧浓度的范围用于器件的性能评估。本文为了验证大气模型给出的原子氧浓度的正确性，使用不同平均F107值计算了国际空间站轨道上的原子氧浓度，结果如图4 所示。

图3 10.7 cm 太阳射电通量变化趋势Fig. 3 Evolution of solar radio flux with the wavelength of 10.7 cm

图4 国际空间站轨道各位置原子氧浓度数值Fig. 4 Atomic oxygen concentration at different positions in the orbit of the International Space Station

图4 中轨道高度为航天器在运行轨道实时位置距离地球表面的高度，本文计算中考虑了地球的椭球形状，不同轨道位置的高度为实时位置距离地心的距离减去该位置地球表面到地心的距离，因而呈现出连续的起伏，其平均高度约为420 km。横坐标为航天器在轨道平面的位置，以真近点角为参量。计算过程中以轨道近地点与地心连线为起始位置，此时真近点角为0°，航天器在轨道上运行1 圈，真近点角逐渐增加到360°。采用图3 中F107的典型值，计算F107=75、100、125、150 下轨道各位置的原子氧浓度，该浓度值与轨道高度、经纬度同时相关，呈现出连续变化的趋势。图中同时给出在轨道上运行1 圈的原子氧浓度平均值，对于F107=75、100、125、150，原子氧浓度的平均值分别为2.88×1013m-3、4.73×1013m-3、7.05×1013m-3、9.78×1013m-3。作为对比，图中还给出NASA 文献中420 km 高度的原子氧浓度（nAO(NASA)= 6.78×1013m-3），该值与nAO(125)基本相当，印证了本文采用的大气模型及其编程实现的正确性。

本文在后续的研究中采用此大气模型，对于任务时间段范围内取F107预测值的平均值作为太阳活动强度的预测，计算给定轨道上不同位置的原子氧浓度，以及连接器在服役过程中受到的原子氧累积通量。

2.3 相对运动速度计算

如图5 所示，原子氧相对于航天器的运动速度可通过矢量运算表示为

图5 原子氧相对于航天器的速度矢量合成示意Fig. 5 Composite diagram of the velocity vector of atomic oxygen relative to the spacecraft

式中：vorbital为由于航天器轨道运动导致的原子氧相对于航天器的速度，等于航天器轨道运动速度的反向矢量；vco-rotation为原子氧随着地球自转而具有的相对于地球坐标系的速度，在假设原子氧和地球自转同步的情况下，可以用航天器的轨道高度在航天器所在纬度的投影乘以地球自转角速度得到；vMaxwellian为原子氧由于热运动导致的速度，其方向和大小均是随机的，总体服从麦克斯韦分布，其平均值与航天器所处环境温度有关。

由热运动麦克斯韦分布和相对运动速度推导出来的原子氧通量解析表达式为

3 电连接器原子氧侵蚀行为计算

3.1 剥蚀率参数的获得

在原子氧侵蚀行为特征计算的过程中，暴露于原子氧环境下材料的剥蚀率是一项关键参数——将原子氧通量与剥蚀率相结合可计算出材料的原子氧侵蚀厚度。原子氧剥蚀率一般通过材料数据库或地面模拟试验获得。利用微波电子回旋共振（ECR）原子氧环境模拟技术，对某系列矩形自浮动电连接器所用材料进行原子氧试验研究，结果如表1 所示。需要指出的是，电连接器的外壳材料为铝，其表面存在致密的氧化膜，在原子氧侵蚀下剥蚀率为0；整个矩形自浮动电连接器的原子氧侵蚀集中在器件中心区域，插头及插座的主要暴露材料分别为聚苯硫醚（pps）及硅橡胶，因此在模拟计算过程将这2 种材料的剥蚀率代入进行计算。

表1 某系列矩形自浮动电连接器用材料的原子氧试验结果Table 1 Results of atomic oxygen tests of materials for rectangular self-floating electrical connectors

3.2 原子氧侵蚀行为计算

电连接器在空间服役过程中存在各种工况，故原子氧撞击器件时存在不同的攻角；受到器件外形遮挡效应的影响，不同攻角下的原子氧侵蚀行为并不相同，原子氧垂直撞击材料表面时的原子氧侵蚀效应最为明显。因此，本文针对最为严苛的工况，对轨道高度400 km、轨道倾角42°，在轨累计运行15 年的电连接器所受原子氧侵蚀进行模拟。图6、图7 所示分别为在原子氧垂直辐照下，某系列矩形自浮动电连接器内部的累积原子氧通量和侵蚀厚度。

图6 垂直撞击下电连接器内部累积原子氧通量Fig. 6 Cumulative atomic oxygen flux on electrical connector under vertical atomic oxygen attack

由图7 可见，由于受到电连接器异型结构的影响，该款电连接器各部分的侵蚀厚度并不相同。受插头孔内形状的影响，原子氧粒子在孔内多次反射，使得孔内的原子氧通量高于表面的，因此孔内部的侵蚀厚度也大于表面的，最大约为69 μm；而受到铝外壳反射效应的影响，外壳附近的原子氧侵蚀厚度也大于中心区域的。同样，插座也受铝外壳反射效应的影响，内部的侵蚀厚度较外部的明显增加，最大约为70 μm。但插座与插头的最大侵蚀厚度均远小于电连接器加工精度，不影响元器件性能指标。

图7 原子氧垂直撞击下电连接器内部侵蚀厚度Fig. 7 Distributions of erosion thickness of electrical connector under vertical atomic oxygen attack

4 原子氧侵蚀行为验证

利用兰州空间技术物理研究所原子氧/紫外综合环境模拟试验设备YZY100-ZW 开展电连接器原子氧试验：本底真空度不高于1.3×10-3Pa；原子氧能量5～8 eV，净作用时间约1400 h，通量密度为1.5×1016cm-2∙s-1（±10%），累积通量为7.83×1022cm-2（依据总体要求选取）。分别在试验前、试验中和试验后对试验件进行外观检查，依据GJB 1217A—2009 中方法3003 进行室温绝缘电阻测试，依据GJB 1217A—2009 中方法3001进行海平面介质耐电压测试[14]。

试验前/后的试验件外观见图8 中混装的矩形电连接器。试验后，试验件除对接端面颜色变浅外，无其他肉眼可见的明显变化，无裂纹、无变形；试验件的室温绝缘电阻大于1×105GΩ，海平面介质耐电压测试通过。

图8 试验前和试验后的试验件外观Fig. 8 Appearances of samples before and after the test

5 结束语

本文针对某空间用长寿命自浮动电连接器的原子氧侵蚀行为进行计算机仿真研究，借助光线追踪技术充分考虑电连接器结构对于原子氧粒子的遮挡与反射效应，结合电连接器用材料地面环境模拟试验数据，针对服役周期为15 年最恶劣原子氧环境条件下的电连接器原子氧侵蚀行为进行模拟计算，仿真结果可直观显示电连接器表面各部分所受原子氧侵蚀的差异及相应的数值，亦得到地面模拟试验的印证。

随着航天任务的发展，对于空间原子氧侵蚀的研究从材料级向器件级部组件级转变，而对于异形的器件级部组件来说，其表面形貌所引发的原子氧遮挡、反射等效应直接影响整体的侵蚀行为。传统的材料级样品的试验结果并不能满足实际航天器任务的需求。因此，针对异形部件乃至大型结构的原子氧侵蚀行为研究就需要将计算机模拟技术与地面模拟试验相结合。经验证，本文提出的针对空间用电连接器原子氧侵蚀行为的计算方法正确有效，能够避免过分冗余设计，可为后续LEO 航天器的原子氧防护优化设计及开展环境试验提供参考。