航天器用射频同轴连接器材料的可靠性控制

(整期优先)网络出版时间:2023-08-30
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航天器用射频同轴连接器材料的可靠性控制

赵伟,郭鹏,唐彦康,杨大蒙

陕西华达科技股份有限公司,陕西省 西安市 710000

摘要:射频同轴连接器通常作为一种一体化的元件,其电气性能、机械性能是衡量一个射频同轴连接器好坏的重要标准。其中,原材料的可靠性对产品的电性能和机械性能起到了决定性作用。本文针对航天器用射频同轴连接器原材料的选择以及可靠性控制要求提出了一些建议。

关键词:航天器、射频同轴连接器、原材料、选择、可靠性控制

0.引言

射频同轴连接器自上世纪30年代开始出现,到第二次世界大战在雷达、电台和微波通信的应用普及,再到现在毫米波通信、相控阵雷达、卫星、载人航天等重要航天器设备上的深入应用,仅仅发展了不到一百年。相较于其它低频电连接器,射频同轴连接器的发展时间还相对较短,但是由于射频同轴连接器是一种由机械结构保证电气性能的元件,注定在产品可靠性、失效模式及原因分析方面较其它低频电连接器更加复杂。在众多应用市场中,卫星、载人航天等宇航射频同轴连接器代表了射频同轴连接器发展的最高水平,在可靠性要求方面也比一般军用设备要求也更加严苛,其使用的原材料作为生产过程全要素控制(人、机、料、法、环、测,简称“5M1E”),也是宇航射频同轴连接器生产制造环节的重要控制要素。

1.航天器用射频同轴连接器原材料的选择

航天器所用的元器件其应用特性主要有三个方面:第一、由于需要借助火箭发射的原因,火箭对载荷要求的控制十分严苛,所以其选用的原材料要尽可能选用质量轻的材料;第二、由于是在太空环境中使用,面对太空中极端高温、低温环境下,为了解决高低温应力方面影响,应选用耐环境性能好的材料;第三、卫星等航天器造价昂贵、制造过程复杂且发射费用较高,为了在使用有限期内创造更多的价值,寿命长的材料是不二之选。

但是,由于近三年以埃隆·马斯克为代表的美国SPACE X公司低轨道民用卫星群“星链”的研发及大批量投入使用,发挥出了小型化、轻量化、低成本卫星的突出特点,其在材料使用寿命和成本控制方面也进行了权衡,原材料的使用寿命已显得不那么重要了。

1.1 材料质量轻

重量在提高航天飞行器性能以及整体效益等方面上能够起到非常重要的影响。例如,在设计某型号三级洲际导弹的时候,将其三级设备的重量减少1kg,就可以让其射程达到15公里的增加量。结合技术性能以及资金成本两方面的因素进行综合考虑,现在壳体的制作材料大部分都选择硬铝、锻铝或者是铸铝材料,并选择与之相适应的工艺技术进行制作。为了可以实现减轻重量并可以提高材料的耐腐蚀性的目标,近些年以来,很多的新型宇航电连接器都选择用复合型材料,而不再选用铝合金材料来进行壳体的制作。

1.2 能够满足零件功能的要求

接触件的材料应该选择用导电性能、导热性能良好的,尤其是弹性接触件,其自身所具有的弹性要足够稳定,并且还要有优良的耐疲劳性。此外,对于绝缘体材料来说,其必须要具有良好的绝缘性、耐压性以及物理机械性也要较高,并且,材料的吸水性要小、收缩率也应该偏低。而工艺性的优良程度对制作出的绝缘体是否具有密度高、小巧化特点的重要基础条件。壳体材料除了要满足设计结构的强度以及刚度的要求,同时,还要能够保证是与成型工艺的要求相符合的。

1.3 耐环境

为了能够更好的与极为特殊的航天环境相适应,在材料选择上要更加的谨慎。处在飞船和空间站舱外的电连接器,会由于飞船、空间站的不断飞行,要承受-200-+200C之间的温度交换的冲击,而这种冷热冲击变换的周期是每90分钟一次。有的周期相对较长,最长的可达15至30年之久。这样剧烈的冷热变化会造成绝缘体以及壳体发生热胀冷缩的状况,所以,一定要考虑到环境因素给绝缘体、接触件等等零件的主要位置以及稳定性造成的影响。因为聚氯乙烯塑料,也就是人们常说的PVC材料,在真空状态下会将增塑剂以游离状的形式挥发出来,并且很容易附着在冷的表面上,进而会对电气设备造成一定的污染,光学镜头也会受到腐蚀以及灵敏度受损等等危害,所以PVC塑料很少用于绝缘体的制作上。

1.4 长期存放后的使用可靠性

按照航天电子元器件贮存的有关要求以及超过使用期限后复检的有关规定可以了解到,在环境温度、湿度处于中等水平下的库房内,电连接器可以有效驻存8年。在经过长时间的存放后,将电连接器运用在战术导弹等武器系统上,其仍然能够满足各项使用要求。用于制作绝缘体的高分子材料,通常都具有分解、老化的特性,尤其是高分子弹性体材料,其对于长期存放后的电连接器的使用安全可靠性影响很大,属于较为困难的一个环节。这是由于,在同样的环境条件下,高分子弹性体材料更容易出现老化。

1.5 良好的工艺成型性能

在能够满足零件功能设计要求的前提下,还要对材料的工艺成型性能进行充分的考虑,尽量选择用那些既适合于成熟的生产工艺,并且生产效率高,资金成本投入相对较少的材料进行制作。

2.主要零件的材料选用

2.1 接触件

接触件在射频同轴连接器中发挥着导电的作用,它能够将在连接器末端所连接的电线、电缆的电压或者是信号传递给与其相配套的对应接触件上。在进行用于制作接触件材料选取的时候,要根据性能要求来进行。在插拔插针的时候,因为其比较细而且质地软,所以特别容易出现变弯、曲折等损伤,所以为了尽可能的减少此类不良现象的发生,最重要的就是要提高制作插针所用材料的机械强度。其次,为了能够保证插针进行插合接触的过程中比较牢固、稳定,塑形能够不产生变形和应力松弛的现象,就应该选择用一些具有比较大的弹性,且同时还具有不容易产生疲劳特点的材料,因为这样其接触产生的正压力会越大,这对于接触稳定可靠性是十分有利的。除了以上这些,对于接触件材料加工成型性的要求也是很高的,还要能够做到内部弹性均匀。

2.2 绝缘体

绝缘体可以为接触件维持正确的排列位置提供有利的保障和支持,同时它还具有另外一个比较重要的作用,就是可以阻断接触件与壳体之间产生不必要的关联,在进行其制作材料选取的时候,一定要对高性能、低成本进行充分的统筹兼顾。此外,材料自身所具有的抗热、抗湿、抗振动冲击以及尺寸稳定等等质量指标也是非常重要的因素。因为绝缘体具有细且长的特点,所以要选择与之适应的高抗冲击材料。

2.3 壳体

壳体可以用来对射频同轴连接器的外部结构起到重要的保护作用,绝缘体以及接触件也都是受它的保护的。除此之外,它也是能够对连接器的固定起到很好的支撑辅助的。让壳体有效稳定成型的方法有很多种,其中锻铝冷挤压、铸铝压铸这两种方式具有较高的生产效率,并且经济成本也比较低。例如,某种老式型号的矩形连接器壳体,通常采用的就是对钢板进行冷轧冲压来成型的方式。

3.航天器用射频同轴连接器材料质量控制的关键要点

3.1 选材

进行合理的选材,可以为连接器使用可靠性提供强有力的保障。相关设计工作人员应该严格遵循零件使用的要求和需求,并结合生产厂生产的质量情况以及材料的相关标准进行对比,再对材料的牌号、质量规格以及状态做出正确合理的选择。从目前的情况来看,虽然有很多的材料牌号、规格以及状态都一样,但是实际上其表面质量以及内在质量都存在很大的差异。有一些材料在现行的标准下,并不能与航天器用射频同轴连接器使用环境特殊性的要求相满足,这就需要与供方另行签订协议。

3.2 采购

在当前航天器用射频同轴连接器原材料的采购过程中存在很多的质量问题。通常会因为订货量过少而不能够通过正常的渠道购进货材。只能通过市场进行采购或者调拨来解决问题。而通过这种方式购入的材料,原始材料缺失以及合格证明材料不全的现象时有出现,有些虽然有合格证,但是如同虚设一样,其并没有批号、标准以及实际测量的一些数据等等信息内容,这些不良情况就会成为日后材料使用中的安全隐患。因此,各个生产厂应该尽快根据本厂产品设计的一系列文件生产合格的原材料,并根据相关考核调研后选出原材料的供应名单,根据此名单进行材料的采购。

3.3 复验

现在,有很多的生产厂都还是仅对原材料外观进行抽检后就入库,这个过程中缺少必需的检验原材料理化性能是否合格的措施。根据本文的分析可以发现,原材料在射频同轴连接器质量以及使用可靠性方面发挥着十分重要的作用。因此,应该采取相应的调研讨论后增设一些鉴别材料成分以及检测性能的仪器设备,对原材料入厂制定相应的复验项目,开展科学合理的理化性能复验,实现零件原材料牌号、规格、状态以及内外质量全都符合标准的目的。对于那些因为使用量少,生产厂不能提供相关合格证件但又必须使用的材料,相关设计人员可以主动提出复验,经过一系列检测合格以后再投入使用。

3.4 批次管理

对原材料的生产批次进行严格的监督管理,以此来保障复验入库以及材料发放过程中的数据信息和相关证明文件是正确的且是可以进行追溯的,有效的避免材料混乱、批次混合。而对于非金属材料的管理,要严格按照其使用期限的规定进行准确的标记,明确掌握其生产日期以及失效日期。若在超出使用期限后使用必须按照相关规定进行复验以及审批。

3.5 失效分析与质量控制

一旦在复验原材料、加工零件或者是使用过程中发现质量上存在问题,应立即组织开展相应的失效分析工作,并采取针对性的改进手段。如果确实是材料质量的问题,及时向生产厂进行问题反映,并对其处理情况进行跟踪,同时还要对库房里以及正在使用中的同批次材料进行隔离。

4.结束语

综上所述,射频同轴连接器在航天系统中占有非常重要的地位,所以对于材料的性能以及质量的可靠性给予充分的重视,对于材料的选取、采购、复验、批次管理以及失效分析与质量控制进行严格的把控,为材料使用可靠性提供保障,促进航天工作的安全有效性。

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