О применении герметичных газонаполненных электрорадиоизделий в приборах, длительно работающих в условиях вакуума и повышенного напряжения

Введение. В составе двигательных подсистем современных космических аппаратов (КА) все большее применение находят электрореактивные двигатели (ЭРД) [1]. Это, прежде всего, обусловлено их лучшей экономичностью, по сравнению с двигателями, работающими на химическом топливе. Широким фронтом идет во всем мире разработка двигателей различных типов [2; 3]. Параллельно идет разработка приборов для управления и электропитания таких двигателей [4;  5]. Дальнейшее улучшение характеристик электрореактивных двигателей напрямую связано с увеличением ускоряющего напряжения, генерируемого системой преобразования и управления (СПУ). Если напряжение широко применяемого отечественного двигателя типа СПД-100 находится на уровне порядка 300 В [6], то в более экономичных моделях оно составляет уже порядка 800 В и выше [7; 8]. В связи с этим очевидна необходимость применения в приборах СПУ высоковольтной элементной базы. Надежность электрорадиоизделий и правильность их применения определяют итоговую надежность бортовой аппаратуры, подсистемы и космического аппарата в целом. Поэтому вопросы надежности и условий применения электрорадиоизделий весьма важны и актуальны.

Необходимо отметить, что в настоящее время отечественные космические аппараты являются негерметичными и рассчитаны на 15 и более лет активного существования [9]. Это означает, что применяемые в составе оборудования КА электрорадиоизделия, в том числе высоковольтные, также должны обеспечивать нормальное функционирование в условиях вакуума в течение данного срока. Обычно конструктивное исполнение высоковольтных ЭРИ предполагает наличие герметичного корпуса, внутри которого расположен активный элемент (рис. 1).

а

б

Рис. 1. Конструкция корпуса типового герметичного ЭРИ: а – внешний вид; б – вид со снятой крышкой корпуса

Fig. 1. The housing design standard hermetic ERIE: а – appearance; b – view with the case cover removed

Корпус предназначен для защиты активных элементов на этапах хранения и наземной эксплуатации от механических повреждений и попадания внутрь посторонних загрязняющих или химически агрессивных веществ, в первую очередь влаги, которая может вызвать коррозию. Как правило, внутри корпуса изготовленного герметичного ЭРИ находится воздух либо азот при атмосферном давлении. Однако очевидно, что герметичность корпуса ЭРИ не может быть абсолютной. В процессе эксплуатации ЭРИ в вакууме вследствие утечек по месту присоединения крышки к основанию корпуса и диффузии непосредственно через материал корпуса давление внутри ЭРИ неизбежно снижается. В соответствии с законом Пашена, в условиях наличия высокого напряжения между внутренними электродами ЭРИ и при значении подкорпусного давления, попадающего в определенный диапазон (далее по тексту – зона Пашена), может возникнуть пробой, приводящий к выходу электрорадиоизделия из строя. Очевидно, что последствием отказа ЭРИ, в зависимости от принятых схемных решений прибора, может быть снижение его работоспособности вплоть до полного отказа. Отметим, что уровень герметичности корпусов ЭРИ регламентируется в технических условиях (ТУ) на них и подтверждается в процессе проведения квалификационных и периодических испытаний электрорадизделий. Он может составлять 5·10-5 – 5·10-4 л·мкм рт. ст./с по порядку величины. Подтверждение параметра герметичности в процессе приемосдаточных испытаний ЭРИ, как правило, не проводится. Очевидно также, что реальная герметичность ЭРИ конкретного типа может иметь разброс, так как зависит от множества технологических факторов: фактического размера корпуса и основания ЭРИ, качества присоединения крышки, количества нанесенного клея, внешних условий в процессе герметизации и т. д.

С учетом важности обеспечения нормальной работы ЭРИ в составе высоковольтных приборов, предназначенных для работы в условиях вакуума, представляется целесообразным более детально рассмотреть обозначенную проблему и наметить возможные пути ее решения. Настоящая статья посвящена анализу причин и условий возникновения пробоев в корпусах герметичных ЭРИ, прогнозу времени попадания ЭРИ в зону Пашена и времени нахождения в ней, рассмотрению возможных способов борьбы с этим явлением для повышения надежности высоковольтных бортовых приборов негерметичных КА.

Физические принципы возникновения электрических разрядов в пределах конструкции электрорадиоизделий. Эффекты возникновения электрических пробоев в высоковольтной бортовой аппаратуре достаточно хорошо известны и изучены. В частности, известно, что плазма, формируемая двигателями космического аппарата, проникающая во внутренние полости высоковольтного оборудования, может создавать условия возникновения дуговых разрядов [10]. Существуют рекомендации по уменьшению вероятности появления электрических разрядов, например, минимизация заостренных и искривленных поверхностей проводников и электродов, приводящих к сильным неоднородностям электрического поля [11]. Однако эти рекомендации относятся к конструкции прибора, монтажу ЭРИ и проводников. Вопросы возникновения электрических пробоев на уровне конструкции ЭРИ в настоящее время изучены недостаточно.

Согласно общепризнанным представлениям, самостоятельный электрический разряд в газе возникает вследствие электрического пробоя при приложении между электродами напряжения зажигания. В случае однородного поля потенциал зажигания зависит от вида газа и произведения давления газа P на расстояние между электродами d . Установленный опытным путем закон Пашена говорит о том, что наименьшее напряжение зажигания газового разряда (напряжение пробоя) между двумя плоскими электродами есть величина постоянная при одинаковых значениях произведения Р·d (рис. 2) [12].

Pressure x Electrode Spacing / (mm Hg) x cm

Рис. 2. Кривые Пашена для различных газов

Fig. 2. Paschen curves for different gases

Теория возникновения пробоя (электронной лавины) в газе была предложена Таунсендом [13]. Согласно этой теории, пробойное напряжение следующим образом зависит от произведения давления на расстояние между электродами

U = В . P . d пр n AP • d, ]

,

ln(1 + Y ^{- 1} )

где y — коэффициент, характеризующий поверхностную ионизацию (число электронов, выбитых из катода одним падающим ионом); B = A ф i ; A = (РХ)"¹ ; Р - давление; X - длина свободного пробега электронов в данных условиях; ф 1 - потенциал ионизации молекулы газа (вольт).

Из приведенных графиков и формулы следует, что при фиксированном расстоянии между электродами существует интервал давлений (зона Пашена), в котором при наличии определенного электрического поля могут создаваться условия для пробоя межэлектродного промежутка. Из графиков также следует, что чем больше приложенное напряжение, тем шире зона Пашена.

На правой части кривой Пашена, т. е. при повышении давления, пробойное напряжение повышается из-за уменьшения длины свободного пробега электронов и соответствующего уменьшения кинетической энергии, набираемой ими при движении во внешнем электрическом поле. На левой части кривой, т. е. при понижении давления, пробойное напряжение также увеличивается, но из-за уменьшения количества вновь появившихся электронов по причине уменьшения частоты столкновений из-за снижения концентрации молекул газа.

Из графиков, представленных на рис. 2, следует, что минимальное пробойное напряжение для воздуха составляет 325–330 В при значении параметра P^d ~ 0.5-0.6 ммрт.стлсм . Очевидно, что для конкретного ЭРИ постоянными величинами являются расстояние между электродами и максимальное приложенное напряжение, а переменной величиной - давление воздуха внутри корпуса. Очевидно также, что время достижения зоны Пашена от момента помещения элемента в вакуум и длительность нахождения в ней зависят от объема подкорпусного пространства ЭРИ и значения показателя герметичности. Объем подкорпусного пространства некоторых типовых ЭРИ, как показано ниже в табл. 1, находится в ограниченном диапазоне, порядка 120-1500 мм³. Поэтому решающим фактором, определяющим время достижения зоны Пашена и длительность нахождения в ней, является фактическое значение показателя герметичности.

Динамика изменения давления внутри корпуса ЭРИ. При рассмотрении изменения давления внутри корпуса ЭРИ можно воспользоваться аналогией с задачей об изменении давления в сосуде при истечении из него воздуха в вакуум через малое отверстие. В вакуумной технике данная задача трактуется как откачка воздуха из сосуда при помощи так называемого идеального вакуумного насоса, в качестве которого принимается окружающая среда с нулевым давлением. В теории вакуумной техники [14-16] применяются следующие основные понятия.

По определению, Q = d(PV)/dt - поток (негерметичность, расход или показатель герметичности) газа - количество газа, откачиваемое из сосуда в единицу времени. Данный параметр имеет размерность Па^м³/с (Вт) или л^мкм рт.ст./с - для микротечей. Он может быть измерен и зависит от давления в сосуде.

S - быстрота (скорость) откачки вакуумного насоса или проводимость условного отверстия - объем газа, откачиваемого насосом в единицу времени. Размерность - м³/с, л/с.

Скорость откачки характеризует производительность насоса и определяется при конкретном давлении, поэтому является фиксированной величиной.

Параметры Q и S связаны следующим соотношением:

Q = 5 • P,                                     (2)

где Р – текущее давление в сосуде.

Отсюда, при известных начальных значениях P 0 и Q 0 :

5 = Q

P 0

Исходя из определения потока с учетом неизменной величины объема подкорпусного пространства V и отрицательного значения скорости изменения давления (давление внутри корпуса ЭРИ падает вследствие микротечи), можно записать

Q = 5 • P = Qo ■ P = -V • — P         dt

или

Q- • dt = V • P o

^™

dP P

.

После интегрирования (5) от 0 до t и от Р 0 до Р получаем время снижения давления в подкорпусном пространстве от P 0 до P

VPP

t =----- 0 • ln( - ⁰-).

Q0

Соответственно, значение давления в подкорпусном пространстве через время t после помещения ЭРИ в вакуум составит

- Q°L _ • t

P = Po • e Po V.

Необходимо отметить, что стандартными условиями для определения течи являются перепад давлений между внутренней и наружной сторонами изделия ΔP = 10⁵ Па (1 атм) ; пробный газ – воздух; температура – 298 К. Поток течи в стандартных условиях обозначается символом B . Однако на практике величину течи определяют не по воздуху, а по пробному газу, в качестве которого часто употребляется гелий. Для молекулярного режима течения справедливо соотношение между течью в стандартных B и испытательных Q условиях [16]

B = Qo •

M Г

M В ^,

где M Г ≈ 4 – молекулярная масса пробного газа (гелий); M В ≈ 29 – молекулярная масса воздуха.

Так как в данном случае рассматривается истечение воздуха из корпуса ЭРИ, а течь Q определяется экспериментально по гелию, в формулах (6), (7) параметр Q0 следует домножить на величину (МГ/МВ)-1/2 = 0.375. Тогда формула (6) уточняется t = 2,670 • ln( P0).

Q 0     P

Если обозначить t 1 – время снижения давления от начального Р 0 до верхней границы зоны Пашена Р 1 , а t 2 – время снижения до нижней границы Р 2 , то интервал времени нахождения в зоне Пашена

У-P Р

∆ t = t - t = 2,67 ⋅       ⁰ ⋅ ln( ¹ ).

2   1           _{Q 0       P 2}

Для оценки времени снижения давления от атмосферного до верхней и нижней границы опасного диапазона необходимо знать уровень фактической негерметичности корпуса ЭРИ, т. е. величину течи Q 0 . Основным фактором, влияющим на этот показатель, является конструктивное исполнение элемента и метод герметизации корпуса. В зависимости от конструкции и способа изготовления можно выделить элементы: а) с керамическими корпусами, герметичность которых обеспечивается клеевым соединением; б) металлостеклянными корпусами, герметичность которых обеспечивается сваркой; в) металлокерамическими корпусами, герметичность которых обеспечивается шовнороликовой сваркой. В АО «НПЦ «Полюс» были проведены испытания выборок некоторых высоковольтных ЭРИ, изготовленных по различным технологиям. Они показали, что фактическое значение показателя герметичности на 1–2 порядка меньше, чем в ТУ на элемент, т. е. реальная течь существенно меньше, чем указано в ТУ. Результаты испытаний для различных типов ЭРИ приведены в табл. 1.

Таблица 1

Исполнение, параметры, нормируемый и фактический уровни показателя герметичности ЭРИ различных типов

Ти п	Исполнение	Раб. напр. по ТУ	Объем внутр. полости	Мин. расст. между электро -дами	Показатель герметичности Q 0 по ТУ	Q 0 (измеренное значение)	Выборка
		В	мм 3	мм	л·мкм рт. ст.·с-1	л·мкм рт. ст.·с-1	шт.
1	Керамический корпус, с внутренней полостью. Герметичность корпуса обеспечивается клеевым соединением	600	120	0,5	5·10-4	7,6·10-6 – 9,8·10-5	97
2	Металлостеклянный корпус. Герметичность обеспечивается сваркой.	800	1500	1,5	5·10-5	1,9·10-6 – 7,5·10-5	15
3	Металлокерамический корпус. Герметичность обеспечивается шовнороликовой сваркой	600	120	0,5	5·10-4	2,6·10-6 – 9,5·10-6	15
4	Металлокерамический корпус. Герметичность обеспечивается шовнороликовой сваркой	450	230	0,5	5·10-5	2·10-6 – 5,5·10-6	15

Исходя из нормы показателя герметичности по ТУ и измеренных значений (см. табл. 1), используя формулу (10), оценим время, которое необходимо для того, чтобы давление в подкорпусном пространстве снизилось от исходного значения 1 атм до зоны Пашена, а также время нахождения в этой зоне (рис. 3). Поскольку фактическое значение течи имеет разброс, максимально возможная длительность нахождения в опасной зоне для данного типа ЭРИ равна разнице между временем выхода из зоны при минимальной течи и временем входа при максимальной течи.

Расчетные данные по временам спада давления для различных уровней показателя герметичности, рабочих напряжений и типов ЭРИ, приведенных в табл. 1, представлены в табл. 2. Рассмотренные типы ЭРИ, не имеют защиты электродов покрытием изолирующим

Рис. 3. График спада давления при норме показателя герметичности по ТУ с указанием зоны Пашена для каждого типа ЭРИ

Fig. 3. Graph of pressure drop at the norm of the tightness index for TU with indication of the arable zone for each type of ERI

Таблица 2

Время спада давления до зоны Пашена, длительность нахождения в ней для ЭРИ разной конструкции и разных показателей герметичности

Тип ЭРИ	Зона Пашена, мм. рт. ст.	Показатель герметичности, л·мкм рт. ст.·с-1	Время спада до верхней границы зоны Пашена, сут	Время спада до нижней границы зоны Пашена, сут	Длительность нахождения в зоне Пашена, сут
1	4–52	ТУ	15	29	14
		факт., max	77	—	1869
		факт., min	—	1946
2	1–30	ТУ	2277	4674	2397
		факт., max	1518	—	121475
		факт., min	—	122993
3	4–52	ТУ	15	29	14
		факт., max	796	—	4892
		факт., min	—	5688
4	5–32	ТУ	342	543	201
		факт., max	3111	–	10458
		факт., min	–	13569

Анализ полученных результатов. Из табл. 1, 2 и рис. 3 можно заключить следующее:

• 1.    Фактический уровень показателя герметичности, как правило, на 1–2 порядка ниже уровня, записанного в ТУ на элемент.

• 2.    Фактический уровень показателя герметичности зависит от конструктивного исполнения ЭРИ и имеет наибольшие величины (максимальная течь) у ЭРИ с керамическими корпусами, герметичность которых обеспечивается клеевым соединением.

• 3.    Имеется существенный разброс фактических значений показателя герметичности конкретного типа ЭРИ (до 40 раз), обусловленный различными технологическими факторами.

• 4.    Время достижения верхней границы зоны Пашена от начала эксплуатации в натурных условиях, а также длительность нахождения в этой зоне зависят от фактического уровня показателя герметичности ЭРИ, величины подкорпусного объема, максимального рабочего напряжения между внутренними электродами. Длительность нахождения в опасной зоне может составлять от двух недель до нескольких десятков и даже сотен лет.

Эти выводы, как минимум, ставят под сомнение возможность нормальной работы газонаполненных корпусных высоковольтных ЭРИ в вакууме, так как в процессе длительной эксплуатации изделия (15 лет и более) элементы данного типа обязательно должны попасть в зону Пашена с повышенным риском пробоя.

Дополнительно был проведен анализ существующих отечественных стандартов, регламентирующих методологию квалификационных и приемосдаточных испытаний ЭРИ. Он показал, что испытания высоковольтных ЭРИ на возникновение электрических пробоев в подкорпусном пространстве в настоящее время не предусмотрены.

Из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что применение высоковольтных газонаполненных ЭРИ в составе приборов, длительно работающих в условиях вакуума без дополнительных мероприятий, снижающих вероятность пробоя, сопряжено с повышенным риском.

Возможные направления решения проблемы обеспечения длительной работы высоковольтных приборов в условиях вакуума. С учетом изложенного возникает естественный вопрос о рекомендациях разработчикам высоковольтных приборов с длительным ресурсом, предназначенных для работы в вакууме. По мнению авторов можно предложить следующую логику проектирования приборов с применением высоковольтных ЭРИ:

• 1.    Если это возможно, строить схемотехнику прибора таким образом, чтобы максимальное напряжение между внутренними электродами ЭРИ не превышало пробойного по закону Пашена (с некоторым запасом), например, не более 250 В.

• 2.    Если невозможно избежать рабочих режимов высоковольтных ЭРИ с напряжением порядка 300 В и выше, то следует применять ЭРИ специального исполнения, которое исключило бы возможность пробоя по закону Пашена. В частности, в АО «НПЦ «Полюс» рассматривались следующие варианты модификации корпусных ЭРИ: а) покрытие внутренних     электродов     и     кристалла     изолирующими     составами;

• б)    частичная заливка внутренней полости изолирующим компаундом; в) сплошная заливка внутренней полости изолирующим составом.

• 3.    Замена «малой течи» на условно «большую течь» выполнением в корпусе ЭРИ специальных отверстий для быстрого удаления внутренней атмосферы ЭРИ в начальный период эксплуатации прибора в вакууме. Включение прибора при этом должно осуществляться после гарантированного удаления воздуха из подкорпусного пространства ЭРИ, т. е. при снижении давления ниже нижней границы зоны Пашена.

Экспериментальные исследования показали, что лучшим решением в части обеспечения стойкости ЭРИ к электрическим пробоям является последний вариант, т. е. сплошная заливка подкорпусного пространства изолирующим компаундом. Другие методы усиливали стойкость подкорпусного пространства к электрическим пробоям, но полностью их не исключали.

Заключение. Анализ условий эксплуатации герметичных ЭРИ с заполненным газом подкорпусным пространством в составе длительно работающих в вакууме приборов негерметичного исполнения показывает, что ЭРИ данного типа вследствие естественных утечек могут попасть в опасную с точки зрения электрического пробоя зону по внутреннему давлению. При этом время попадания в эту зону и, что более существенно, длительность нахождения в ней имеют значительный разброс – от двух недель до нескольких десятков лет, т. е. элемент может находиться в опасной зоне практически в течение всего срока жизни КА. Это обстоятельство ставит под сомнение возможность применения ЭРИ данного типа в соответствии с ТУ в составе долгоресурсных приборов негерметичного исполнения без специальных мер по исключению возможности возникновения пробоев по эффекту Пашена. К таковым мерам можно отнести снижение рабочего и максимального напряжения между электродами ЭРИ до уровня ниже пробойного, осуществляемое специальными схемными решениями, модификацию ЭРИ заливкой подкорпусного пространства изолирующим компаундом или применение специально разработанных ЭРИ для работы в вакууме (вентилируемых или в бескорпусном исполнении).