航天器光纖陀螺用繞環膠特性分析

王曉玲, 黨 靜, 劉保林, 張宇飛, 趙亞飛, 王曉陽

（1. 北京控制工程研究所, 北京 100094;2. 空軍裝備部駐北京地區第四軍事代表室, 北京 100041）

0 引言

光纖陀螺常用于敏感航天器姿態角速度, 是航天器姿態控制的關鍵敏感器之一, 具有高可靠性、長壽命、抗沖擊、低功耗、全固態等優點,已廣泛應用于航天器產品中。 光纖環作為光纖陀螺光路部分的核心組件, 其性能直接影響光纖陀螺精度［1-2］。 光纖繞制成環過程中需對繞制的光纖施膠, 繞纖后再進行固化以固定光纖成環, 確保各匝光纖之間相對位置及整個光纖環的軸向穩定性, 繞環膠可以有效提高光纖環的抗振性能［3］, 但也會對光纖環溫度性能及可靠性等產生較大的影響［4-5］。 孟照魁等［4］分析了繞環膠對光纖環、光纖陀螺溫度性能及振動性能的影響。 趙曉東等［6］通過分析不同繞環膠對光纖環應力及溫度的影響, 得到了適用于光纖環的繞環膠特性參數。 但對于航天器光纖陀螺用繞環膠, 除了要考慮繞環膠對光纖陀螺溫度及振動性能的影響外, 還需要考慮真空環境下繞環膠的真空揮發性能。 本文選取了兩種紫外光固化膠作為光纖環繞環膠, 并對繞環膠的各項性能指標進行了測試, 綜合考慮了繞環膠對光纖環溫度、振動的影響以及繞環膠的真空揮發性能, 最終確定了適用于航天器光纖陀螺的繞環膠, 為航天器光纖陀螺用繞環膠的選取提供了參考和依據。 本文在進行繞環膠性能測試時采用的測試方法及標準如表1 所示［7-11］。

表1 繞環膠性能測試方法及標準Table 1 Test methods and standards for the performance of ring winding adhesive

1 光纖環繞環膠基本特性分析

繞環膠的主要功用為填充光纖間的縫隙, 使光纖成環后滿足溫度性能及振動要求。 實際使用中發現, 光纖間的繞環膠固化后會對光纖產生應力, 而光纖是一種應力敏感材料, 應力會引起光纖折射率的變化, 導致傳播光的相位和幅度發生改變, 從而使光纖環輸出產生非互易相移［6］。

紫外光固化膠是一種透明的液態光聚物, 暴露在紫外光下即可固化。 與其它聚合物材料相比,紫外光固化膠固化工藝簡單、固化速度快、固化后收縮小, 并且由于其在低溫下固化避免了高溫產生的內部熱應力, 因此可在較寬的溫度范圍內保持長期穩定性。 紫外光固化膠的以上特點使其滿足光纖環繞環膠的特性要求。

繞環用的紫外光固化膠不僅需要具備固化快、固化收縮小、固化應力小等特點, 還需要與光纖涂覆膠性能接近, 以便固化后對光纖產生的應力最小。 紫外光固化膠與熱學相關的參數有熱膨脹系數、玻璃化轉變溫度等, 與振動相關的力學參數有彈性模量、拉伸強度、斷裂伸長率等, 光纖用紫外光固化涂料特性參數指標如表2 所示［12］。

表2 光纖用紫外光固化涂料特性參數指標（25℃）Table 2 Characteristic parameter indicators of UV-curable coatings for optical fibers（25℃）

繞環膠黏度應根據過膠工藝進行選擇, 過膠工 藝示意圖如圖1 所示。 如果繞環膠黏度過高, 不利于消除膠流動過程中產生的氣泡; 而黏度過低會導致繞環膠不易掛纖, 引起膠量少, 進而導致光纖間形成空洞。 繞環膠填充后的光纖端面形貌如圖2 所示, 其它參數依據產品使用工況綜合考慮。

圖1 過膠工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of gluing process

圖2 繞環膠填充光纖端面顯微鏡照片Fig.2 Microscope photo of fiber end face filled with ring winding adhesive

2 繞環膠基本特性參數測試

首先根據過膠工藝對不同黏度紫外光固化膠進行試繞制, 確定了紫外光固化膠黏度應在500cps ～1200cps 之間。 由于不同的固化設備、試驗設備、測試條件等會對紫外光固化膠特性參數產生影響,為了對不同廠家提供的紫外光固化膠進行確切對比, 粗選出高模量（1000MPa ～1500MPa） 和低模量（＜500MPa） 的A、B 兩種紫外光固化膠作為繞環膠, 然后按相同的設備、測試條件等進行熱學、力學特性參數對比測試, 以獲得具有可對比性的特性參數。 熱學測試試樣如圖3 所示, 力學性能測試試樣如圖4 所示。

圖3 熱學測試試樣（試樣厚4mm）Fig.3 Sample used for thermal test（thickness is 4mm）

圖4 力學性能測試試樣（試樣厚2.5mm）Fig.4 Sample used for mechanical properties test（thickness is 2.5mm）

根據表1 的測試方法及標準對A 膠、B 膠進行了黏度、熱膨脹系數、玻璃化轉變溫度、彈性模量、拉伸強度及斷裂伸長率測試, 測試得到A 膠和B 膠的基本特性參數如表3 所示。

表3 繞環膠基本特性參數（25℃）Table 3 Basic characteristic parameters of ring winding adhesive（25℃）

3 光纖環光學性能隨溫度變化測試

采用A、B 兩種紫外光固化膠繞制了兩只1km長的光纖環, 紫外光固化膠固化后進行光纖環全溫性能測試。 搭建了光纖環光學性能測試系統如圖5 所示, 將光纖環置于溫箱中, 兩端尾纖在溫箱外分別與Y 波導及光功率計、消光比測試儀連接,測試光纖環的損耗及偏振串音。 光纖環損耗表征光纖環對光信號的衰減, 損耗越小, 光纖環性能越好。 偏振串音表征光纖環保持光偏振態的能力,偏振串音越大, 保偏性能越差。

圖5 光纖環光學性能測試系統Fig.5 Optical performance test system of optical fiber ring

圖5 中, 溫箱設置為定點運行, 采取先升溫再降溫再升溫的方法, 測試過程中選取的溫度點依次為25℃、70℃、55℃、-20℃、-45℃、-20℃、25℃、55℃、70℃。 其中, 25℃～70℃為第一次升溫過程, 70℃～ -45℃為降溫過程, -45℃～70℃為第二次升溫過程。 每個溫度點保溫30min, 不同溫度點間的溫變速率按1℃/min、2℃/min、3℃/min、5℃/min 順序分別進行4 次測試, 以分析繞環膠在不同溫變速率下對光纖環損耗和偏振串音的影響, 最終得到采用A、B 兩種紫外光固化膠的光纖環性能測試曲線, 分別如圖6、圖7 所示。

圖6 不同變溫速率下A 膠光纖環的損耗、偏振串音變化曲線Fig.6 Loss and polarization crosstalk curve of A-adhesive optical fiber ring under different temperature changing rates

圖7 不同變溫速率下B 膠光纖環的損耗、偏振串音變化曲線Fig.7 Loss and polarization crosstalk curve of B-adhesive optical fiber ring under different temperature changing rates

對于光纖環損耗性能, 由圖6（a）、圖7（a） 可知, 在不同的變溫速率下, 兩種光纖環損耗變化曲線趨勢一致, 均在低溫-45℃時達到最?。ㄐ纬伞肮鹊住保? 在高溫70℃時達到最大, 但不同變溫速率之間損耗相差很?。ㄐ∮?.05dB）, 基本忽略不計, 說明兩種膠繞制的光纖環在不同變溫速率時光纖環性能穩定。

對于光纖環偏振性能, 由圖6（b）、圖7（b） 可知, 在不同的變溫速率下, 兩種光纖環偏振串音變化曲線趨勢一致。 偏振串音在70℃～ -20℃降溫過程中呈現減小的趨勢, 在-20℃～70℃第二次升溫過程中呈現增大的趨勢, 該現象說明溫度越高保偏性能越差。 在-20℃～ -45℃與-45℃～-20℃相鄰升降溫區間, 低于-20℃的偏振串音呈現增大趨勢, 在最低溫度點- 45℃時達到相對“峰值”, 與高溫點的偏振串音接近, 說明在-20℃時保偏性能最好。

從圖6（b）、圖7（b）中還可以看出, A 膠光纖環偏振串音在不同變溫速率下基本穩定; B 膠光纖環在1℃/min 的第一次全溫測試時膠性能不夠穩定,與后續的測試曲線稍離散, 通過分析發現產生這種現象的主要原因是B 膠熱膨脹系數大且玻璃化轉變溫度低于70℃, 后續B 膠在經過變溫速率為2℃/min、3℃/min、5℃/min 的3 次高低溫試驗后, 相當于對光纖環進行了老化處理, 膠性能逐漸穩定, 離散現象消失。

通過以上光纖環全溫性能測試可以看出, 采用A 膠和B 膠的光纖環均滿足-45℃～70℃全溫范圍的光學性能要求。 全溫測試后對兩光纖環又進行了隨機振動及半正弦沖擊測試, 發現測試后的光纖環損耗、偏振串音仍然滿足指標要求。

4 繞環膠真空揮發性能測試

航天器用非金屬材料的總質損（Total Mass Lost,TML）和收集到的可凝揮發物（Collected Volatile Condensable Material, CVCM） 是衡量航天器材料放氣污染的重要參數。 因質損所產生的可凝揮發物會對航天器敏感表面造成污染, 只有TML ＜1% 且CVCM ＜0.1%的材料才能用于航天器。 光纖環作為航天器用光纖陀螺的核心組件, 繞環膠的真空揮發性能需要進行重點關注。 根據表1 的測試方法及標準對A 膠、B 膠進行了真空揮發性能測試,得到的測試結果如表4 所示。

表4 繞環膠真空揮發特性參數Table 4 Vacuum volatilization characteristic parameters of ring winding adhesive

由表4 可知, A 膠的總質損、可凝揮發物參數均滿足指標要求（TML ＜1%且CVCM ＜0.1%）, 而B 膠的總質損超出指標。 因此, A 膠可作為航天器用光纖陀螺光纖環的繞環膠。

5 結論

本文選取了兩種紫外光固化膠作為光纖環繞環膠, 對比了兩種膠的黏度、熱膨脹系數、玻璃化轉變溫度以及力學性能, 分析了兩種膠繞制的光纖環光學性能隨溫度變化情況, 再通過振動測試確認了這兩種膠繞制的光纖環溫度及振動性能均滿足要求, 最后通過繞環膠真空揮發性能測試發現兩種膠測試結果差異較大, 最終采用低揮發性的A 膠作為航天器光纖陀螺的繞環膠。 最終得出, 不同繞環膠的真空揮發性能差異較大是制約航天器光纖陀螺用繞環膠的重要指標。