光电导引头内部结雾现象机理分析

冯 涛，史明东，张 鹏，豆永鹏，吴 卉，梁晓博，屈军利

(1 西安现代控制技术研究所，陕西 西安 710065；
2 西安导引科技有限责任公司，陕西 西安 710065；
3 陆军装备部驻西安地区军代室，陕西 西安 710065)

与置于井、箱/筒中的导弹不同,外挂式机载空地导弹服役全寿命周期内长期暴露于户外大气环境,受到温度、湿度、盐雾、射线、复杂电磁环境等因素影响,尤其是挂飞起落过程中的交变温度、湿热和盐雾环境,易导致机载导弹在大气环境长期贮藏后舱内出现凝露、积盐渍、电路板锈蚀等问题[1-2]。为满足制导弹药在各种严苛环境下的使用需求,机载导弹制导舱外壳体组件要求具有严格密封性能,而良好的密封设计可以使舱体内部与外界环境隔离,保护内部材料表面和电子器件不受腐蚀,同时维持产品内部干燥环境,避免在外部低温环境条件下光学舱口出现结雾(霜)现象,影响光电导引头及激光引信的正常使用[2-6]。

目前,对于机载导弹制导舱等典型部位密封设计研究主要集中在密封方案设计、故障排查等方面,蔡培培等[7]讨论了空空导弹结构设计中的三防结构设计技术,认为优良的密封设计有利于控制密封腔体内器件的工作环境,阻止或延缓潮气、盐雾、霉菌侵入弹体内部、导引头等对密封有特殊要求的部件,必须对部件自身结构进行严格的气密设计。刘志等[8]通过理论计算与试验测试方法对温度循环条件下光电舱结雾现象进行了分析,研究表明光电舱内部光学镜头与光电探测器件内部水汽含量过大是导致光电舱内部出现结雾现象的主要原因。陈松林等[9]针对空空导弹发生进水现象的问题,复查了设计、生产、修理和使用等各个环节,并进行了试验验证,结果表明导弹前后舱对接时若密封圈安装不到位或出现变形、损伤等问题,易造成密封环节失效,是导弹制导舱进水的直接原因。上述已有的研究工作较少涉及到密封结构的泄漏率及可靠性方面的研究,国内仅见的公开报道是梁子豪等[10]对空空导弹制导舱典型部位密封结构进行了优化设计及试验验证,经过对密封结构的优化设计使制导舱池漏率达到18.8×10-6Pa·m3/s,有效遏制舱内与舱外气体交换速度,将导弹全寿命周期电子舱内外的气体交换总量控制在可接受的范围内。文中对温度循环测试条件下光电导引头的密封腔体内部结雾现象进行了研究,分析了温度循环条件下光电导引头低温结雾现象的形成机理,阐明了导致导引头内部结雾现象的主要原因,并进一步推导了交变温度条件下密封结构通过呼吸作用引入水汽含量与结构泄漏率的关系。

机载导弹光电导引头(以下简称导引头)结构如图1所示。导引头在温度、湿度受控环境条件下进行装配、密封、检漏,最后向导引头舱体内部充入高纯氮气,气压一般为100 kPa。

图1 光电导引头舱体结构示意图Fig.1 Structure diagram of photoelectric seeker cabin

在温度循环测试的降温过程中,导引头整流罩内壁有雾气(霜)析出,说明此时导引头舱体内的水汽密度已经大于-40 ℃下饱和水汽密度(表1为典型温度下饱和水汽密度,-40 ℃时其数值为0.102 g/m3),同时根据导引头结构特征,整流罩材料表面具有更高的亲水性,使得析出的水汽优先在整流罩内壁凝结[11]。根据产品试制工艺要求,实验测试前导引头舱体内已被充入高纯氮气,实际测试高纯氮气露点低于-60 ℃,同时在温度循环实验初始温度循环中并未观察到整流罩内壁的结雾现象,表明实验初始阶段导引头舱体内的水汽密度低于-40 ℃下饱和水汽密度,也就是说在温度循环测试过程中,必然存在外部环境空气中的水汽进入到了导引头舱体内,随着循环次数的增加,舱内的水汽含量逐渐升高,当舱内水汽含量逐步累积超过某一温度条件下饱和水汽密度时,导致整流罩内壁出现结雾现象。

表1 温度与饱和水汽密度Table 1 Temperature and saturated vapor density

为进一步定量评估导引头舱体密封性能,抽取同批次、同状态5具测试状态导引头,根据对航天产品常用泄漏检测方法[12],并结合产品使用工况,压差为50 kPa、温度为25 ℃使用氦质谱检测方法对导引头进行定量检测产品泄漏率,检测结果见表2。

表2 导引头泄漏率检测结果Table 2 Leakage rate detection results of seeker

由于实际的导引头壳体组件无法做到绝对密封(总会存在一定量的泄漏率),根据理想气体状态方程

PV=nRT

(1)

式中:P为导引头舱体内部气体绝对压强;V为舱体内部容积,文中取为0.58×10-3m3;n为气体的物质的量;R为气体摩尔常数8.314 3 J/(K·mol);T为气体热力学温度。由式(1)可计算得到温度循环条件下导引头舱内的气体压强变化:60 ℃温度时,内部压强为111.74 kPa;-40 ℃温度时,内部压强为78.2 kPa。可知,温度循环测试过程中密封舱体内气体压强将产生超过30%的变化,在温度循环时密封结构的呼吸作用下,温箱内的水汽可能会进入导引头舱体内部,导致整流罩内壁起雾。

为了验证呼吸作用导致导引头内部进入水汽,并定量分析水汽含量,文中设定简化的温度循环模型进行计算分析。

假设:1)温度循环过程中各循环进入的水汽量相等;2)低温存储过程中,外部温箱内空气湿度为80%(相对湿度);3)忽略温度变化过程中的呼吸作用情况。

由表2可知导引头在常温和50 kPa压差条件下,导引头的泄漏率Q在7.8×10-4～4.5×10-3Pa·m3/s之间,气体分子沿漏孔的流动状态为粘滞流,泄漏率Q可表示为[13-14]:

Q=CPg

(2)

式中:C为与漏孔自身结构有关的待定常数;Pg导引头舱内气体相对压强。

本文针对列车运营日计划编配问题，提出一种基于改进的最优-最差蚁群算法的车次与车组号匹配算法，实现车组均衡运用，为后续的列车运营日计划安排提供依据。

由式(2)可得,在恒温存储过程中导引头舱体内气体压强变化ΔP可表示为:

ΔP=-QΔt/V=-CPΔt

(3)

式中Δt为时间变化量。

由式(3)可得,在恒温存储过程中舱体内气体相对压强Pg可由如下公式计算:

(4)

式中P1为恒温存储过程舱体内气体初始相对压强。

一个温度循环过程中,由呼吸作用引入导引头舱内水汽含量m可由下式近似计算:

m=φF(P1-P2)V/Pc

(5)

式中:φ为相对湿度,取值为80%;F为低温-40 ℃条件下饱和水汽密度;P1为低温(-40 ℃)存储开始前导引头舱体内气体相对压强;P2为低温存储结束后舱体内气体相对压强;Pc为外部环境大气压强,取值为105Pa。

将式(2)、式(4)、式(5)联立,可得:

(6)

舱体内水汽密度达到-40 ℃条件下饱和水汽密度所需的循环次数g为:

(7)

图2为在温度循环测试条件下不同泄漏率导引头舱体内部达到-40 ℃饱和水汽密度所需循环次数与单次循环引入水含量曲线。由图2可知,在-40 ℃～60 ℃的温度循环中,泄漏率为4.5×10-3Pa·m3/s时,仅需4.4次即可使导引头内部水汽含量达到饱和状态;随泄漏率降低,呼吸作用强度迅速减少,结合式(6)可知,密封结构呼吸作用的强度(单次引入水量)与泄漏率成指数级正相关;当泄漏率指标低于10-5Pa·m3/s后,所需循环次数急速增加,当泄漏率为10-6Pa·m3/s时,所需循环次数将超过5 000。

图2 不同泄漏率条件下产品内部结雾所需循环次数与单次循环引入水含量曲线Fig.2 Curve of the number of cycles required for internal fogging of the product and the water content introduced in a single cycle under different leakage rates

根据计算分析,导引头舱体密封性差,泄漏率过大,在温度循环过程中的呼吸作用下,温箱内水气进入舱体内部,是导致导引头内部结雾现象的主要原因。因此对导引头壳体组件各密封结构进行了改进设计,经测试改进后在常温50 kPa压差条件下,导引头的泄漏率Q低于1×10-6Pa·m3/s。

选取15具导引头进行实验验证,其中No.1～No.10为密封结构改进后样机,No.11～No.15为原状态样机。在温度为25 ℃,压弹差为50 kPa条件下,15具导引头产品泄漏率检测结果见表3。

表3 15具导引头样机泄漏率检测结果Table 3 Leakage rate test results of 15 seeker prototypes

按温度循环筛选试验条件对15具样机进行测试,实验结果如表4所示,其中,No代表不出现结雾现象;Yes代表出现结雾现象。由测试结果可知,前三次循环两种状态15具样机均未出现整流罩内壁结雾现象;在第四次循环中原状态5具样机中No.11,No.12,No.14样机整流罩内壁开始出现水雾(霜)凝结;在第五次循环中原状态5具样机中No.13、No.15样机也开始出现整流罩内壁起雾现象;在第六至八次循环过程中原状态5具样机整流罩内壁起雾现象重复出现;密封结构改进后的No.1～No.10样机在8次温度循环测试过程中均未出现整流罩内壁结雾现象,进一步将温度循环次数增加至24次后No.1～No.10样机整流罩内壁仍未出现结雾现象。

表4 温度循环对比实验结果Table 4 Temperature cycle comparison test results

实验结果表明在温度循环过程中的呼吸作用下,温箱内水气进入舱体内部,是导致导引头内部结雾现象的主要原因;呼吸作用的强弱与导引头舱体密封结构泄漏率指标密切相关,泄漏率越高,呼吸作用越强,在温度循环中越容易出现结雾现象;当导引头壳体结构泄漏率低于1×10-6Pa·m3/s时,能够有效降低温度循环过程中呼吸作用导致的气体交换速度,将温度循环筛选过程中气体交换总量控制在可接受的范围内。

文中对光电导引头在温度循环条件下舱体内部出现低温结雾现象的形成机理进行了理论分析和实验研究,对光电导引头密封结构的呼吸作用及内外部水汽交换进行了定量计算分析,针对不同泄漏率状态的15具导引头样机进行了实验验证。研究结果表明:

1)导引头舱体密封性差,泄漏率过大,在温度循环过程中的呼吸作用下,外部水气进入舱体内部,是导致导引头内部结雾现象的主要原因;

2)呼吸作用的强弱与导引头舱体密封结构泄漏率指标密切相关,泄漏率越高,呼吸作用越强,在温度循环筛选中越容易出现结雾现象;

3)当导引头舱体结构泄漏率低于1×10-6Pa·m3/s时,能够有效降低温度循环过程中的呼吸作用导致的气体交换速度,将温度循环筛选中气体交换总量控制在可接受的范围内。

同时,还需要指出的是,在实际使用环境中,结雾现象还与环境温度变化的幅度、快速性等边界条件剧烈变化程度等有关,更精确的研究需考虑这些因素。

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