赵长喜--航天器工艺设计-生产性

中国空间技术研究院航天器工艺设计---生产性概论赵长喜Email:[e-mail]中国空间技术研究院1航天器设计生产性基本概念–从根本上来说，设计师的任务就是要设计出能满足功能要求的产品，也就是要保证设计的产品正常工作。因此，一般设计师对生产唯一关心的事就是该设计能不能制造出来。–在设计中潜在着制造该设计的材料和工艺因素（即产品的工艺设计）。这些因素往往会被忽视，潜在的问题到生产阶段才发现，反过来再更改优化设计。这种“救急”行为在航天器产品研制中时常发生，严重影响了研制进度，降低了产品的质量和可靠性（更改很难完美），提高了研制成本。中国空间技术研究院–如果在最初的设计中就考虑生产性，则可以减少那些为满足生产性而引起的产品功能特性改变的情况发生，也会排除或减少造成生产性难题。从而提高产品可靠性、生产的稳定性、降低成本、缩短研制周期……中国空间技术研究院–二次大战期间，产品设计生产性的重要性和影响得到暴露。有很多装备由于在设计时未考虑产品的生产性，使得组织社会大生产时产生困难。为了使一项设计被多个生产厂商容易的制造，往往要求重新设计该产品（新设计风险、需要验证）。造成制造周期延长、成本提高、材料供应困难。最终结果是新技术新武器装备不能及时装备部队，不能形成战斗力。中国空间技术研究院–新技术、新工艺和新材料的出现，更突出了在初始设计阶段就考虑生产性的必要性，以避免或排除往常会遇到的设计问题。–生产性（也称为工艺性）是第二次世界大战以后发展起来的一门科学。它与可靠性、维修性等有关技术一起成为研制新的军事装备系统必须考虑的内容。–1984年美国国防部组织编制了MIL-HDBK-727DesignGuidenceforProducibility中国空间技术研究院1.1生产性定义–生产性的定义有几种：–定义1：一个可以生产的设计项目，应是可以被任何具有一定技艺的工人，利用资源丰富的材料，在很短的时间内制造出产品。（更适合民用产品）–定义2：满足一定特性和技术状态的产品设计，采用可得到的生产技术，能够较容易、经济的生产、检测、试验和装备。----美国国防部中国空间技术研究院–定义3：生产性是一个综合特性，当对装备进行设计和生产规划时，生产性使系统或装备的制造、装配、检测、试验、安装、校核和验收，具有最高的效率和最经济的费用。----MIL-STD-1528(ManufacturingManagementProgram)–定义4：生产性是一项设计和生产规划的若干特征或要素的组合，它能使设计所规定的产品，按规定的产能，经过一系列权衡之后，以最少的费用，最短的时间制造出来，并能符合必须的质量和性能要求。----更符合航天器研制的定义。中国空间技术研究院2产品设计的要素–机械性能、物理性能、化学性能，通常是选用材料的决定性指标。因为这些性能与成形性、切削性、连接、热表处理等因素密切相关，直接影响产品设计的可生产性。2.1材料中国空间技术研究院–对于航天器产品，材料既要满足地面环境要求（制造、试验、贮存、保管、运输、总装等），又要满足发射和在轨飞行环境要求。主要考虑因素：耐腐蚀；耐力学环境（动态、静态）；耐真空性能；失重特性；抗辐射；耐热循环；耐飞行特殊的其它工况（原子氧、放气、易燃性、气味等）；耐环境和载荷的综合作用（应力腐蚀开裂、热弹性、冷焊等）。中国空间技术研究院–对于载人航天器还要考虑毒性、霉菌、挥发份等因素。–采用的材料应适合于航天器的全寿命周期（试验、贮存、任务等）真空：在空间应用中的材料，一般要求总质量损失小于1%；可凝结挥发物小于0.1%；接近光学材料表面的材料应附加试验。温度：选用材料的性能必须与使用温度环境相适应。当使用环境温度超过材料的相变温度或玻璃化温度时，可能导致材料性能急剧下降，甚至失效。中国空间技术研究院热循环：应对经受热循环的材料进行评定，以保证材料在服役期间能够经受热循环引起的热应力。[特别是低地球轨道（LEO），航天器差不多每90min进出地球阴影一次，温度在-160~+120度范围交变，会使材料发生疲劳和应力释放变形]辐射：应对暴露在航天器外表面使用的材料的抗预定辐射总剂量的能力进行评价。原子氧：应对低轨道航天器外表面使用的材料进行抗原子氧能力进行评价。中国空间技术研究院随着低地球轨道卫星（对地观测）的迅速增多，加上载人航天和空间站技术的发展，低地球轨道环境效应影响日渐突出。而低地球轨道最重要、最危险的环境因素就是原于氧。美国宇航局(NASA)的飞行实验，进一步证实了原子氧是导致材料发生性能变化的主要原因。原子氧与材料的相互作用可造成表面材料剥蚀及材料性能退化进而影响飞行器的使用寿命。[原子氧]资料中国空间技术研究院原子氧是指低地球轨道（LowEarthOrbit，LEO，通常认为高度为200km~700km高度）上以原子态氧存在的残余气体环境。在这个轨道高度上，气体总压力为10-5～10-7Pa，原子氧在残余大气中占主要成分，其中原于氧含量约80％，分子氮约20%。原子氧是太阳光中紫外光线与氧分子相互作用并使其分解而形成的。原子氧与航天器发生相互作用可以引起航天器结构材料的剥蚀老化，损害航天器热控涂层严重危害航天器的可靠运行。[原子氧]资料中国空间技术研究院原子氧与航天飞行器材料作用机理：作为LEO环境中含量最多的粒子，由于总压强极低，处于高真空状态，原子氧发生粒子间碰撞的几率极小。原子氧导致材料发生性能变化，主要在于：一方面，原于氧具有很强的氧化性，可与材料直接发生氧化还原反应，另方面，飞行器以轨道速度飞行时，受到原子氧以7-8km/s的相对速度的撞击，由于此时原子氧的平均动能高达4-5eV，因此可引起材料表面性能的变化。[原子氧]资料中国空间技术研究院材料暴露在空间原子氧环境下，多数都会产生质损，引起热学、光学、机械、表面形貌等诸多参数的变化，结果导致材料性能的损伤。原子氧与材料反应形成氧化物，它可能从表面材料中挥发出来，造成放气或可凝物的释出。例如，碳受到原子氧作用时会“消失”，因为碳具有较大的原子氧剥蚀速度，碳的氧化物极易挥发。银涂层将与原子氧相互作用生成氧化物并随即脱落露出的新鲜表面则又将被原子氧剥蚀，结果造成较严重的质损。[原子氧]资料中国空间技术研究院原子氧敏感性材料：树脂基复合材料（碳纤维、环氧树脂、聚酰亚胺）摩擦材料（固体润滑剂有环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等，金属和无机润滑膜会剥落）热控材料（有机热控涂层、金属镀层、金属镀层的聚合物-OSR片）光学材料（发生质量损失、表面形态变化，从而引起光学性能的退化）电力系统材料（太阳电池片、银互连片）[原子氧]资料中国空间技术研究院原子氧的防护：复合材料的保护：采用金属镀膜，能获得较好的保护效果。尽管镀膜有很好的防护效果，但它们的热膨胀系数与基底材料不同，在热循环过程中有可能会出现微小裂纹，导致原子氧从裂缝中渗入基体内部。玻璃质封闭剂经常被用于阻止原子氧通过表面缺陷侵蚀基体。典型的封闭剂有硅酸盐、硼酸盐。有时它们以单层或多层玻璃体形式被用于保护层和基体之间，以缩小热膨胀系数的不匹配，并加强保护层和基底的附着力。[原子氧]资料中国空间技术研究院摩擦和润滑部件的保护：最近研究表明，WS2具有优良的润滑性能，而且其耐氧化性能比MoS2的好。还可通过改进沉积方法和薄膜组分，以及通过各种能量离子该善薄膜结构与界面结构来提高空间润滑薄膜的性能。以陶瓷为基材的抗原子氧材料将取代原子氧敏感性的润滑剂，也将是一种发展趋势。[原子氧]资料中国空间技术研究院热控材料的保护：用等离子溅射将In2O3沉积形成导电膜，此膜既可防护原子氧攻击，也可避免材料静电荷的积累（当荷电位达到一定值时，就会发生击穿而放电，放电脉冲进入电子系统时造成航天器故障）。有机热控涂层柔软性好，耐高低温冲击，工艺性能好，是不可替代的空间热控材料。在各类有机热控涂层中，有机硅涂层耐真空紫外辐照能力和抗原子氧侵蚀能力最强，是空间飞行器表面较理想的热控涂层。[原子氧]资料中国空间技术研究院光学材料的保护：所有的金属镜都需保护，最常采用的保护层是SiO2和Al203。复合防护膜不仅可防止原子氧侵蚀，还能改善镜的反射能力，用SiO2+TiO2联合保护铑镜，就可达到上述双重效果。[原子氧]资料中国空间技术研究院太阳电池阵的保护：金属和有机涂层用来作银互连片的保护层，实验证明Al、Au、Pa镀膜下适合对银互连片进行保护。一般地，金属镀层都有缺陷，一旦原子氧通过缺陷，与银接触，银的氧化物就开始形成，氧化的银层就会脱落，露出新表面银则又被氧剥蚀，这样周而复始，银互连片的完整性就会受到破坏，将失去导电作用。[原子氧]资料-END中国空间技术研究院空间碎片：根据航天器所在轨道和部位，进行空间碎片对材料的影响评估。抗老化：用于长期载人航天器的橡胶和合成橡胶应进行抗老化、低温、臭氧、加热老化等评估。电化学相容性：当双金属（包括碳）接触时，选择所用的配偶允许的最大电势值：有控制环境要求(温度或湿度控制)为0.5V；无控制环境为0.25V。中国空间技术研究院常用材料标准电极电位材料电极电位(V)材料电极电位(V)材料电极电位(V)Li-3.045Mg-2.363Be-1.847Al-1.662Ti-1.628Zn-0.763Fe-0.440C-0.277Ni-0.250Sn+0.150Cu+0.153Ag+0.854Pb+1.610Au+1.682中国空间技术研究院中国空间技术研究院腐蚀：应考虑材料整个寿命周期（贮存、运输、发射等）所经受的腐蚀及其耐腐蚀性。应力腐蚀：用于结构材料时，应选择具有耐应力腐蚀的材料。中国空间技术研究院由拉应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂称为应力腐蚀。不论是韧性材料还是脆性材料都可能产生应力腐蚀断裂。应力腐蚀并不是金属在应力作用下的机械性破坏与在化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加所造成的，而是在应力和化学介质的联合作用下，按特有机理产生的断裂。其断裂抗力比单个因素分别作用后再叠加起来的要低很多。[应力腐蚀]资料中国空间技术研究院应力腐蚀产生的条件只有在拉伸应力作用下才能引起应力腐蚀开裂。这种拉应力可以是外加载荷造成的应力，也可以是各种残余应力，如焊接残余应力，热处理残余应力和装配应力等。一般情况下，产生应力腐蚀时的拉应力都很低，如果没有腐蚀介质的联合作用，机件可以在该应力下长期工作而不产生断裂。[应力腐蚀]资料中国空间技术研究院应力腐蚀产生的条件产生应力腐蚀的环境总是存在特定腐蚀介质，这种腐蚀介质一般都很弱，如果没有拉应力的同时作用，材料在这种介质中腐蚀速度很慢。产生应力腐蚀的介质一般都是特定的，也就是说，每种材料只对某些介质敏感，而这种介质对其它材料可能没有明显作用，如黄铜在氨气氛中，不锈钢在具有氯离子的腐蚀介质中容易发生应力腐蚀，但反应过来不锈钢对氨气，黄铜对氯离子就不敏感。[应力腐蚀]资料中国空间技术研究院应力腐蚀产生的条件一般只有合金才产生应力腐蚀,纯金属不会产生这种现象。合金也只有在拉伸应力与特定腐蚀介质联合作用下才会产生应力腐蚀断裂。[应力腐蚀]资料中国空间技术研究院常见合金的应力腐蚀介质碳钢：荷性钠溶液，氯溶液，硝酸盐水溶液，H2S水溶液，海水，海洋大气与工业大气。奥氏体不锈钢：氯化物水溶液，海水，海洋大气，高温水，潮湿空气（湿度90%），热NaCl，H2S水溶液，严重污染的工业大气（所以不锈钢水压试验时氯离子的含量有很严格的要求）。[应力腐蚀]资料中国空间技术研究院常见合金的应力腐蚀介质马氏体不锈钢：氯化的，海水，工业大气，酸性硫化物航空用高强度钢：海洋大气，氯化物，硫酸，硝酸，磷酸铜合金：水蒸汽，湿H2S，氨溶液铝合金：湿空气，NaCl水溶液，海水，工业大气，海洋大气[应力腐蚀]资料-END中国空间技术研究院Aluminiumalloyswithhighresistancetostresscorrosioncracki