摘要：當(dāng)前，航天器正朝著輕型化和小型化方向發(fā)展，電連接器在航天器上的應(yīng)用為超微矩形電連接器的發(fā)展提供了良好的發(fā)展前景。為適應(yīng)宇宙空間環(huán)境條件下的苛刻要求，國(guó)內(nèi)一直重視研制開(kāi)發(fā)滿足宇航應(yīng)用要求的高可靠超微矩形電連接器，超微矩形電連接器小型化、輕型化程度極高，生產(chǎn)制造難度非常大，本文對(duì)宇航級(jí)超微矩形電連接器技術(shù)，特別是對(duì)空間適應(yīng)性指標(biāo)和技術(shù)要求進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：宇航級(jí)；連接器；小型化

1 緒論

輕型化和小型化是航天器的方向發(fā)展，電連接器作為航天器上必不可少的電子元器件，為超微矩形電連接器的發(fā)展提供了良好的應(yīng)用前景。航天器是由數(shù)量眾多的零部件組成的系統(tǒng)，發(fā)射以后，如果出現(xiàn)故障，在軌道上通常不能直接維修，原因很難查清，因此會(huì)對(duì)航天器造成很大影響。

宇宙空間環(huán)境與普通大氣環(huán)境不同，宇宙空間環(huán)境中的空間碎片、流星體、高真空、超高低溫、磁場(chǎng)、電磁輻射等，都會(huì)對(duì)處于其中工作的航天器及航天員造成影響。惡劣的宇宙空間環(huán)境會(huì)對(duì)電連接器的性能產(chǎn)生重大影響，誘發(fā)通訊、導(dǎo)航故障，嚴(yán)重的話還會(huì)危及宇航員的健康和生命，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

研制開(kāi)發(fā)滿足宇航應(yīng)用要求的高可靠超微矩形電連接器是更好走向宇宙空間的重要途徑。我國(guó)自20世紀(jì)90年代以來(lái)，航天事業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，“載人航天工程”“探月工程”“北斗導(dǎo)航工程”等項(xiàng)目均取得重大成就，電連接器在航天、軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。同時(shí)，現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)之中，對(duì)電連接器提出更高、更可靠的性能要求，比如，輕型化、小型化、抗輻射、熱真空釋氣等性能。在空間惡劣環(huán)境下，太陽(yáng)粒子、等離子體、原子氧等會(huì)對(duì)連接器產(chǎn)生輻射，這些輻射可能會(huì)導(dǎo)致電連接器的性能、可靠性發(fā)生變化。因此，重量越輕、體積越小，同時(shí)功率越大，抗輻射性能越好的電連接器就越受各大航空航天裝備的歡迎。

2超微矩形電連接器概述

在電連接器的眾多家族中，采用絞線式彈性插針作為接觸件的微矩形電連接器具有體積小、重量輕、可靠性高、抗振動(dòng)、耐沖擊、接觸電阻小、插拔力小等優(yōu)點(diǎn)，因此，采用絞線插針的微矩形電連接器和超微矩形電連接器備受關(guān)注。

通常，超微矩形電連接器主要由基座、絞線插針、插孔、外殼、鎖緊組件等五種零部件組成，其中，絞線插針和插孔是關(guān)鍵件。插頭與插座插合后，絞線插針與插孔接觸導(dǎo)通形成電氣回路，絞線插針與插孔能否可靠地接觸對(duì)產(chǎn)品能否順利完成工作任務(wù)起著關(guān)鍵性的作用。

該類(lèi)電連接器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)為：

a．電連接器的接觸對(duì)為彈性插針和剛性插孔對(duì)插，接觸對(duì)密度高，接觸可靠，可以實(shí)現(xiàn)小型化，同時(shí)可以有效保證產(chǎn)品的電氣性能；

b．插頭、插座外殼對(duì)接端設(shè)計(jì)成兩圓弧凸起和凹陷狀，有助于電連接器產(chǎn)品對(duì)接時(shí)的導(dǎo)向和實(shí)現(xiàn)防反插功能；

c．基座（絕緣體）上下排孔位中心采用對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，保證基座裝入外殼時(shí)方向的唯一性，可有效防止基座裝反；

d．鎖緊螺釘和連接螺母設(shè)計(jì)成翻鉚結(jié)構(gòu)固定在外殼，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，減小占用的空間；

e．插頭、插座靠外殼定位導(dǎo)向，鎖緊螺釘和連接螺母旋合對(duì)接及鎖緊，使插頭與插座的插合和分離柔和，不對(duì)接觸件造成沖擊，有利于連接器壽命的保證；

f．電連接器產(chǎn)品基座及接觸件靠尾部灌封高性能膠粘劑進(jìn)行固定，同時(shí)外殼尾部灌膠腔設(shè)計(jì)成有利于膠粘劑固化粘接的凹槽結(jié)構(gòu)，可有效固定基座和接觸件。

圖1  絞線插針超微矩形電連接器圖示

絞線插針和插孔是關(guān)鍵件。其中，絞線插針為核心關(guān)鍵件，它由兩層高彈性鈹青銅絲經(jīng)過(guò)正反兩個(gè)方向絞合而成。通常內(nèi)層左旋，外層右旋，按固定節(jié)距螺旋繞制成型，內(nèi)層主要起支撐作用，外層具有支撐和對(duì)插后與插孔內(nèi)壁的電氣接觸作用。內(nèi)外層旋向不同主要保證沖胖后內(nèi)外層向不同方向撐開(kāi)，既可以保證可靠成型又能夠增加插針結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

絞線插針兩端激光焊接將頭部熔接在一起，防止鈹青銅絲散開(kāi)，利于鼓腰成型，為使與插孔對(duì)接形成彈性接觸體，絞線插針經(jīng)沖胖后呈鼓腰形并形成胖點(diǎn)。

圖2  絞線插針及鼓腰斷面三維圖示

當(dāng)插針與插孔插合時(shí)，插孔內(nèi)壁擠壓絞線式彈性插針腰鼓處，腰鼓處產(chǎn)生彈性變形，絞線式彈性插針外層的多根鈹青銅絲與插孔內(nèi)壁形成多條螺旋線接觸并保持一定壓力形成電氣導(dǎo)通，保證在各種力學(xué)環(huán)境條件下電接觸的可靠性。當(dāng)針頭從插孔內(nèi)拔出后鼓腰又恢復(fù)到原來(lái)的形狀。由于接觸時(shí)是插針腰鼓處的多根鈹青銅絲與插孔內(nèi)壁保持一定壓力并接觸，因此共有多個(gè)點(diǎn)同時(shí)接觸構(gòu)成并聯(lián)系統(tǒng)，接觸可靠性非常高，能夠獲得優(yōu)良的電氣性能。另外，絞線插針由內(nèi)外兩層高性能鈹青銅絲繞制而成，受力時(shí)均是內(nèi)外兩層鈹青銅絲共同受力，能夠獲得較高的機(jī)械性能，滿足連接器多次插拔的壽命要求。

當(dāng)前，美國(guó)絞線式彈性插針電連接器產(chǎn)品的主要軍用標(biāo)準(zhǔn)有MIL-DTL-83513F和 MIL-DTL-32139A。其中，納小型矩形電連接器（對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)超微矩形電連接器）執(zhí)行 MIL-DTL-32139A 標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)絞線式彈性插針電連接器產(chǎn)品的主要軍用標(biāo)準(zhǔn)有GJB 2446A和GJB 7245，其中超微矩形電連接器執(zhí)行GJB 7245。

Airborn 公司N系列和ITT公司 NDM系列納小型矩形電連接器接觸件間距均為0.025英寸，對(duì)應(yīng)我國(guó)制造的J63A系列超微矩形電連接器（接觸件間距為 0.635mm）。

超微矩形電連接器產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)如下：

a) 環(huán)境溫度：-55℃～125℃；

b) 沖擊：980m/s2；

c) 隨機(jī)振動(dòng)：10Hz～2000Hz，196m/s2 ；

d) 介質(zhì)耐電壓：250Vr.m.s.(50Hz)，60s不擊穿；

e) 接觸電阻≤21mΩ；

f) 額定電流：1A；

g) 絕緣電阻≥5000MΩ（100Vd.c.）；

h) 低電平接觸電阻：≤80mΩ；

i) 接觸件插入力和分離力：插入力≤1.39N、分離力≥0.11N；

j) 機(jī)械壽命：200 次。

3 宇航級(jí)超微矩形電連接器技術(shù)

通過(guò)長(zhǎng)期的研究表明，空間環(huán)境與普通地面環(huán)境有很大的不同，這些不同對(duì)電連接器產(chǎn)品產(chǎn)生了新的影響，導(dǎo)致了一些能夠在普通地面環(huán)境下正常工作的電連接器卻不能在空間環(huán)境下正常工作。因此，除了常規(guī)超微矩形電連接器產(chǎn)品的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)以外，還必須根據(jù)空間環(huán)境的特點(diǎn)及其對(duì)電連接器產(chǎn)品的影響開(kāi)展針對(duì)性地設(shè)計(jì)工作，主要包括抗輻照設(shè)計(jì)和熱真空釋氣設(shè)計(jì)。

3.1抗輻照設(shè)計(jì)

當(dāng)電連接器在太空工作時(shí)，會(huì)受到強(qiáng)輻照環(huán)境的輻照作用，這種強(qiáng)輻照環(huán)境包括太陽(yáng)風(fēng)、銀河宇宙射線、太陽(yáng)耀斑、人工輻射、磁俘獲輻射帶等。這些輻照射線直接照射到電連接器上，會(huì)使各種材料的零部件內(nèi)部特性發(fā)生變化，進(jìn)而影響到電連接器產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。

（1）指標(biāo)要求

超微矩形電連接器抗輻照指標(biāo)一般要求為：輻射總劑量為 1×105Gy，劑量率為0.5Gy(Si)/s。

（2）提高抗輻照性能的常見(jiàn)措施

為提高電連接器產(chǎn)品的抗輻照能力，一般可以采取以下幾個(gè)方面的措施：

a.選擇分子量大的聚合物材料；

b.選擇基團(tuán)極性較大的鏈結(jié)構(gòu)材料；

c.選擇陶瓷基復(fù)合材料；

d.選擇 C/C 復(fù)合材料。

（3）試驗(yàn)驗(yàn)證

該項(xiàng)試驗(yàn)一般考核所選用的非金屬材料，試驗(yàn)通常需要委托權(quán)威的有試驗(yàn)?zāi)芰Φ牡谌綑C(jī)構(gòu)。該類(lèi)電連接器產(chǎn)品輻照試驗(yàn)的一般條件：輻照源為 60Coγ 射線源，輻照劑量為1×105Gy，輻照劑量率為 0.5Gy(Si)/s；試驗(yàn)設(shè)備包括 60Coγ 射線源、薄膜劑量計(jì)、耐壓測(cè)試儀、絕緣測(cè)試儀；試驗(yàn)后的檢驗(yàn)項(xiàng)目一般包括：目測(cè)材料外觀無(wú)明顯變化；介質(zhì)耐電壓 250Vr.m.s.(50Hz),60s 不擊穿；絕緣電阻≥5000MΩ（100Vd.c.）等該類(lèi)產(chǎn)品所要求的技術(shù)指標(biāo)要求。

3.2熱真空釋氣設(shè)計(jì)

（1）指標(biāo)要求

宇航級(jí)超微矩形電連接器的熱真空釋氣指標(biāo)通常為：材料的總重量損失（TML)≤初始樣品重量的1.0%，收集的揮發(fā)性可冷凝物質(zhì)重量（CVCM)≤初始樣品重量的 0.1%。

（2）特性分析

材料的出氣速率由式 3-1 表示：

q =q0 exp(-E/RT)                                         （3-1）

其中：

q 表示出氣速率，

q0 表示常數(shù)，

E 表示出氣活化能，

R 表示氣體普適常數(shù)；

T 表示絕對(duì)溫度。

單位時(shí)間內(nèi)材料表面出氣量由式3-2 表示：

Qm = Aq                                                 （3-2）

其中：

A 表示出氣表面的面積；

q 表示出氣速率。

從式 3-2 可以看出，材料出氣速率與溫度有關(guān)，出氣量則與出氣表面的面積有關(guān)。

（3）常見(jiàn)有效性措施

a.非金屬材料的選擇

選取合適的非金屬材料，送到相應(yīng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行真空揮發(fā)性能測(cè)試，按照QJ1558A-2012《真空中材料揮發(fā)性能測(cè)試方法》和 Q/W776-98《衛(wèi)星用非金屬材料出氣篩選方法》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試設(shè)備儀器包括污染低溫凝結(jié)效應(yīng)設(shè)備和電子微量天平等。

b.灌封工藝的優(yōu)化與控制

一般來(lái)講，超微矩形電連接器通過(guò)灌膠的方法固定接觸件尾部，主要起到固定、保護(hù)接觸件引腳以及與導(dǎo)線連接部位的作用。由于灌封膠的流動(dòng)性和絕緣性很強(qiáng)，部分膠液可通過(guò)接觸件與基座之間的縫隙流動(dòng)到接觸件對(duì)接端，形成多余物，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的接觸導(dǎo)電性能。

另外，該類(lèi)電連接器灌膠腔非常狹窄，灌膠時(shí)很容易發(fā)生膠液填充不充分的現(xiàn)象，在接觸件與接觸件之間，特別是在導(dǎo)線和導(dǎo)線之間形成“灌封空洞”，固化后無(wú)法通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題?！翱斩础碧幱捎谖词艿侥z液固定保護(hù)，會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的電氣絕緣性能和力學(xué)性能，產(chǎn)生質(zhì)量隱患。因此，與常規(guī)微矩形連接器的灌封相比，該類(lèi)產(chǎn)品的灌封工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化并嚴(yán)格進(jìn)行控制。

例如，在灌膠密封前增加膠粘劑打底工序，使用流動(dòng)性稍弱的膠粘劑預(yù)粘接、固化接觸件，不僅不會(huì)流入接觸件和基座之間的縫隙中，還能夠?qū)⒖p隙堵上，防止后續(xù)灌封的環(huán)氧灌封膠流入縫隙中。

圖3  打底膠固定接觸件示意圖

例如，為防止“灌封空洞”現(xiàn)象，可改變灌封工藝方法，將灌封工序的操作分成三次對(duì)三處空隙分別進(jìn)行灌膠，以防止灌膠不充分現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 分次灌封圖示

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)普通空間環(huán)境下（如抗輻照及熱真空釋氣）超微矩形電連接器的技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。目前，超微矩形電連接器主要應(yīng)用在航天飛機(jī)、無(wú)人駕駛航天器、通訊衛(wèi)星、火星探測(cè)器等裝備上，隨著我國(guó)航天器不斷向深空探測(cè)發(fā)展以及空間站時(shí)代的來(lái)臨，超微矩形電連接器將逐漸取代微矩形電連接器產(chǎn)品。

為滿足更加嚴(yán)酷的超深空間環(huán)境（如超低溫、宇宙射線、高能粒子等）的要求，建立宇航高等級(jí)系列超微矩形電連接器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)平臺(tái)將是今后該類(lèi)產(chǎn)品重要的研究、發(fā)展方向。同時(shí)，也相信隨著廣大科技工作者的不斷耕耘，宇航高等級(jí)系列超微矩形電連接器產(chǎn)品定將走向更寬廣的世界舞臺(tái)。

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