Перспективы применения алюминиевых проводов в бортовой кабельной сети космических аппаратов

DOI 10.52350/2072215Х_2021_4_14      //     Материал поступил в редакцию 21.04.2021

Введение

Космические аппараты – это сложные технические устройства, состоящие из множества систем, в состав которых входит широкий перечень бортовой аппаратуры.

Для обеспечения работоспособности космических аппаратов в течение всего срока активного существования (15 лет) к бортовой аппаратуре предъявляются высокие требования надёжности. Составные части космических аппаратов должны иметь вероятность безотказной работы до 0,993. Обеспечение данной характеристики вызвано тем, что при эксплуатации космических аппаратов отсутствует возможность проведения ремонтных работ в случае возникновения неисправностей. При этом для функционирования аппаратуры используется бортовая кабельная сеть (БКС), которая объединяет между собой все бортовые системы космических аппаратов. Масса БКС составляет до 10 % от общей массы всего космического аппарата. Обеспечение максимальной надёжности и уменьшение массы БКС являются главными задачами в космической отрасли. Для решения данных задач необходимо постоянно проводить поиск новых материалов и технологий и применять их при проектировании и производстве БКС. Снижение массы БКС при сохранении уровня надёжности обеспечивает ускорение времени окупаемости космических аппаратов, так как появляется возможность увеличить объём полезной нагрузки. Одним из способов снижения массы БКС является использование алюминиевых проводов космического назначения с посеребрённой токопроводящей жилой (ТПЖ) взамен медных проводов с посеребрённой ТПЖ. До настоящего времени имелись трудности с точки зрения обеспечения высоконадёжных электрических соединений данного типа проводов. Анализ системы электропитания унифицированной платформы тяжелого класса «Экспресс-2000» показал возможность снижения массы БКС на 6 кг путём замены медных проводов с ТПЖ сечением от 0,2 мм² и более на алюминиевые провода.

Так как удельное электрическое сопротивление алюминия превышает удельное электрическое сопротивление меди примерно на 63 %, то для корректной замены необходим выбор большего сечения алюминиевых проводов для обеспечения проводимости, соответствующей проводам с медной ТПЖ. Используя сечение медных проводов в БКС космических аппаратов определим необходимое сечение ТПЖ алюминиевых проводов с помощью выражения (1):

    (1)

где S_пр.cu – стандартный ряд сечений ТПЖ медных проводов для силовой части БКС космического аппарата (0,2; 0,35; 0,5 мм²);

S_пр.al – минимальная величина сечения ТПЖ алюминиевых проводов, соответствующая стандартному ряду сечений ТПЖ медных проводов по электрическому сопротивлению.

В настоящий момент изготовлением алюминиевых проводов космического применения занимается французская фирма Axon' Cable S.A.S [1]. Данная компания изготавливает алюминиевые провода с сечением ТПЖ 0,336, 0,597 и 0,933 мм², что полностью удовлетворяет требованиям по соответствию сечений. Внешний вид проводов марки AXL 1М показан на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид проводов марки AXL 1M:  1 – многожильный посеребрённый алюминиевый проводник; 2 – изоляция из экструдированного радиационно-модифицированного этилентетрафторэтилена (ETFE)

Указанный провод имеет диапазон рабочих температур от минус 100 до плюс 150 ^оС при переменном напряжении 600 В.

Сравнительные характеристики проводов с медной и алюминиевой ТПЖ в зависимости от сечения ТПЖ представлены в табл. 1.

Таблица 1: Сравнительные характеристики проводов с медной и алюминиевой токопроводящей жилой

Анализ данных табл. 1 показывает, что замена медных проводов сечением ТПЖ менее 0,2 мм² является нецелесообразным, так как общее снижение массы имеет малую величину. С учётом меньшей механической прочности алюминиевых проводов при сечении ТПЖ менее 0,336 мм² повышается риск повреждения их электрического соединения.

Подготовка и испытания образцов

В открытых источниках отсутствуют критерии годности по характеристикам обжимных и паяных соединений алюминиевых проводов, но основным требованием для новых типов таких соединений является соответствие требований к соединениям медных проводов. В результате за основу были взяты критерии для медных проводов, которые являются «эталоном» по отношению к алюминиевым (табл. 2).

Таблица 2:  Критерии годности электрических обжимных и паяных соединений алюминиевых проводов

В АО «Информационные спутниковые системы» впервые проведены работы по отработке технологии изготовления высоконадёжных электрических соединений механическим обжимом и методом низкотемпературной пайки в хвостовики контактов соединителей.

В основу отработки процедуры обжимки алюминиевых ТПЖ были положены рекомендации, приведённые в [2, 3] в части технологии и критериев годности, которые соответствуют медным проводникам. В результате были изготовлены опытные образцы соединений, показанных на рис. 2.

Рис 2. Обжимное соединение алюминиевого провода

Для контроля качества соединений проводился контроль падения напряжения и оценки механической прочности образцов, а также металлография области обжатия.

Падение напряжения на обжимных соединениях алюминиевых проводников определялось при использовании схемы, показанной на рис. 3.

Рис 3. Схема измерения падения напряжения в обжимных соединениях:

1 – проволоки токопроводящей жилы обжатого алюминиевого провода; 2 – изоляция алюминиевого провода; 3 – контрольное отверстие электрического соединительного элемента; 4 – обжимной электрический контакт соединителя; 5 – электрические перемычки

Результаты механической прочности на разрыв показаны на рис. 4.

Рис. 4. Результаты испытаний обжимных соединений алюминиевых проводников на механическую прочность:

а) сечение токопроводящей жилы 0,336 мм²; б) сечение токопроводящей жилы 0,597 мм²

Результаты испытаний на механическую прочность показали, что допустимо применять обжимные соединения с сечением алюминиевых ТПЖ от 0,597 мм² и более. По электрическим параметрам все испытанные образцы соответствовали установленным требованиям не зависимо от механической прочности.

Одновременно проводилась отработка технологического процесса пайки алюминиевых проводников. Алюминий является сложным материалом для пайки и применение обычных флюсов и припоев, используемых для медных проводников, является невозможным [4–6]. Наличие серебряного покрытия на поверхности ТПЖ вызывает необходимость применения серебросодержащего припоя для предотвращения проникновения серебра в припой [4]. Для решения задачи по изготовлению высоконадёжных паяных соединений алюминиевых проводников были выбраны наилучшие сочетания материалов:

• припой Sn₆₂Pb₃₆Ag₂ производства фирмы ELSOLD (Германия) с флюсовым сердечником ELR 1 % и с 2 % серебра, что достаточно для предотвращения ухода серебряного покрытия в припой [5–7] для температуры пайки 235 ±5 °С и длительностью пайки не более 5 секунд;
• припои марок ПсрОС 2-58 и ПсрОС 3-58 отечественного производства, соответствующие требованиям [8, 9] с температурой пайки 235 ±5 °С и 240 ±5 °С соответственно (припой марки ПсрОС 2-58 содержит в себе 2 %, а ПсрОС 3-58 содержит 3 % серебра; длительность пайки не более 5 секунд);
• флюсы марок ФВЦА, ФДГл и ЛТИ-120 для припоев отечественного производства, методы изготовления и химический состав которых подробно описан в [8].

                   Общий вид паяных соединений при отработке технологии пайки алюминиевых проводников показан на рис. 5.

Рис. 5. Общий вид паяных соединений при отработке технологии пайки алюминиевых проводников:

а) припой Sn₆₂Pb₃₆Ag₂; б) припой ПсрОС 2-58 и флюс ФВЦА; в) припой ПсрОС 3-58 и флюс ФДГл; г) припой ПсрОС 2-58 и флюс ЛТИ-120

Падение напряжения на паяных соединениях алюминиевых проводников определялась при использовании схемы, показанной на рис. 6.

Рис. 6. Схема измерения падения напряжения на паяных соединениях алюминиевых проводников

В результате было установлено, что паяные соединения алюминиевых проводников с использованием припоя ПсрОС 2-58 или ПсрОС 3-58 с флюсом ЛТИ-120 имеют лучшие характеристики. Падение напряжения на соединениях составляло менее 4 мВ, механическая прочность пайки превышала прочность проводника и была выше установленной для каждого из используемых сечений.

Для оценки уровня надёжности в процессе эксплуатации были изготовлены опытные образца элементов БКС, в состав которых входили обжимные и паяные соединения алюминиевых проводов, а также включены соединения «эталонных» медных проводов. Был проведён цикл климатических, механических и термовакуумных испытаний, соответствующих реальным условиям эксплуатации БКС космических аппаратов. Отличительной особенностью данных испытаний является полная имитация объёма термоциклирования, соответствующая реальному количеству перехода космических аппаратов в область «Тень-Солнце» в течение всего срока активного существования (15 лет). Методика испытаний основана на рекомендациях, регламентируемых в ряде стандартов [3, 10–13]:

• пониженное давление, не более 1∙10^-5 Па;
• диапазон изменения температуры от минус 120 до плюс 110 ^оС;
• скорость изменения температуры 5…6 ^оС/мин.
• время выдержки на предельных температурных значениях 15 минут;
• общее количество термоциклов – 5000;
• образцы находятся под токовой нагрузкой, соответствующей максимально допустимой для используемых сечений;
• контроль изменения параметров проводится через каждые 100 циклов до достижения общего объёма в 500 циклов и далее на 5000 цикле.

Для реализации проведения испытаний была разработана схема рабочего места, показанная на рис. 7.

Рис. 7. Схема рабочего места термовакуумных испытаний кабелей с алюминиевой токопроводящей жилой:

КР – коробка разъёмная; А – амперметр; ИТ – источник тока; Х1, Х2 – соединители гермоперехода

По данной схеме было собрано рабочее место для термовакуумных испытаний кабелей с алюминиевыми и медными проводами, показанное на рис. 8.

Рис. 8. Рабочее место для термовакуумных испытаний кабелей с алюминиевой токопроводящей жилой

В ходе проведения термовакуумных испытаний и промежуточного контроля электрических соединений были получены следующие результаты электрических, механических испытаний и металлографических исследований, показанные на рис. 9–11.

Рис. 9. Результаты испытаний обжимных соединений алюминиевых и медных проводов

Рис. 10. Результаты испытаний паяных соединений алюминиевых и медных проводов

Анализ приведённых результатов показывает, что все характеристики образцов вплоть до проведения 500 термоциклов находятся в установленных пределах. При этом основным параметром электрических соединений БКС после выведения космических аппаратов на орбиту является сохранение их электрических параметров в течение всего срока активного существования. Проведённые испытания не привели к ухудшению электрических характеристик ниже установленных ограничений. Наличие незначительной деградации механической прочности после проведения 500 циклов не вносит снижения надёжности, так как механическая прочность необходима на начальном этапе жизненного цикла изделия в процессе его изготовления, транспортирования и выведения на целевую орбиту. Остаточный запас механической прочности обжимных соединений алюминиевых проводов превышает возможные механические нагрузки на орбите более чем в 180 раз. При этом наличие опыта эксплуатации обжимных и паяных соединений медных проводов в космической отрасли позволяет не проводить термовакуумные испытания в количестве свыше 500 циклов для данного типа материалов. Образцы медных проводов необходимы только для сравнительного анализа с алюминиевыми проводами. Также следует отметить, что механическая прочность паяных соединений всех типов превышала на протяжении всего цикла испытаний механическую прочность проводника.

Рис. 11. Результаты металлографического исследования обжимных соединений алюминиевых и медных проводов до и после проведения термоциклирования

Металлографическое исследование также показало отсутствие изменений контактных поверхностей обжимных соединений вплоть до 5000 циклов испытаний.

Необходимо учесть, что в открытых источниках отсутствуют сведения по наработке на отказ алюминиевых проводов. Факт наличия явного соответствия изменения электрических характеристик разных материалов, а также имеющееся допущение, указанное в [14], подтверждает, что с уверенностью можно использовать данные по наработке медных проводов на отказ для оценки надёжности алюминиевых проводов. Выполнение расчёта с помощью программы «Автоматизированная система расчёта надёжности» (АСРН) и последующая корректировка полученных данных расчёта на основании рекомендаций [15], показали, что кабели с использованием алюминиевых токопроводящих жил имеют величину вероятности безотказной работы 0,9999899…0,999999649 в зависимости от метода изготовления соединений и используемого типа соединителей, что полностью удовлетворяет установленным требованиям.

Заключение

Полученные результаты по отработке технологии изготовления электрических соединений алюминиевых проводов, а также сохранение необходимого комплекса электрических и механических свойств позволяют считать алюминиевые провода перспективными для замены части БКС с использованием медных проводов.

Список литературы

1. Esa wires & cables and Axalu^® aluminum wires Cables & harnesses for space applications // Axon’ Cable S.A.S., 2010. – 90 р. URL: https://www.axon-cable.com/publications/ESA_WIRES_CABLES_ AXALU_ALUMINIUM_WIRES.pdf (дата обращения: 12.05.2021).
2. РД 134-0209–2013. Методические указания по выполнению высоконадёжных электрических соединений в изделиях ракетно-космической техники методом обжимки. – Железногорск: АО «ИСС», 2013. – 18 с.
3. ECSS-Q-ST-70-26C. Space product assurance. Crimping of high-reliability electrical connections. – Noordwijk: European Cooperation for Space Standardization (ECSS), 2008. – 41 p. URL: http://www.ecss.nl (дата обращения: 03.03.2013).
4. Манко Г. Пайка и припои. Материалы, конструкции, технология и методы расчёта. – М.: Машиностроение, 1968. – 322 с.
5. Лашко C.В., Лашко Н.Ф. Пайка металлов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1988. – 376 с.: ил.
6. Лашко Н.Ф., Лашко С.В. Контактные металлургические процессы при пайке. – М.: Металлургия, 1977. – 192 с.
7. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем: учеб. пособие. Под ред. А.А. Васенкова. – М.: Энергия, 1977. – 376 с. ил.
8. ОСТ 4Г 0.033.200–2011. Припои и флюсы для пайки, припойные пасты. Марки, состав, свойства и область применения. – М.: ООО «Радиостандарт-ЦНИИРЭС», 2011. – 135 с.
9. ГОСТ 19738–74. Припои серебряные. Марки. – М.: Издательство стандартов, 1986. – 7 с.
10. ECSS-Q-70-04. Space product assurance. Thermal testing for the evaluation of space materials, processes, parts and assemblies. – Noordwijk: European Cooperation for Space Standardization (ECSS), 2008. – 21 p. URL: http://www.ecss.nl (дата обращения: 16.04.2014).
11. ECSS-Q-ST-70-08C. Space product assurance. Manual soldering of high-reliability electrical connections. – Noordwijk: European Cooperation for Space Standardization (ECSS), 2009. – 199 p. URL: http://www.ecss.nl (дата обращения: 20.05.2014).
12. ECSS-Q-ST-70-38C. Space product assurance. High-reliability soldering for surface-mount and mixed technology. – Noordwijk: European Cooperation for Space Standardization (ECSS), 2008. – 116 p. URL: http://www.ecss.nl (дата обращения: 20.05.2014).
13. IPC-SM-785. Guidelines for Accelerated Reliability Testing of Surface Mount Solder Attachments. – Sanders Road, Northbrook, IL, 1992. – 58 р.
14. Прытков С.Ф., Горбачёва В.М., Мартынова М.Н., Петров Г.А. Надёжность электрорадиоизделий: справочник. – М.: ФГУП 22 ЦНИИИ МО РФ, 2006. – 641 с.
15. Патраев В.Е. Методы обеспечения и оценки надёжности космических аппаратов с длительным сроком активного существования. – Красноярск: Сибирский государственный аэрокосмический университет, 2010. – 136 с.