Почему в аэрокосмическом оборудовании нельзя использовать обычные перемычки? Что такое требования к «низкой летучести»?
Вакуумное газовыделение (Vacuum Outgassing) является одним из важнейших факторов при выборе материалов в аэрокосмической отрасли, глубоком космосе и экспериментах по физике сверхвысокого вакуума. Ниже мы подробно расскажем, почему обычные оптоволоконные патч-корды не могут использоваться в таких условиях, и что конкретно означает требование «низкой летучести».
I. Что такое «вакуумное газовыделение» (Vacuum Outgassing)?
В условиях вакуума или космического пространства (высокий или сверхвысокий вакуум) газы, адсорбированные материалами, контактирующими с окружающей средой, влага, а также собственные летучие компоненты внутри материала (например, остаточные мономеры, растворители, пластификаторы, отвердители и другие органические вещества в полимерных материалах) самопроизвольно испаряются и высвобождаются в пространство. Это физическое явление называется вакуумным газовыделением (Vacuum Outgassing).
II. Почему в аэрокосмическом оборудовании нельзя использовать обычные оптоволоконные патч-корды?
Обычные коммерческие оптоволоконные патч-корды имеют оболочки, армирующие сердечники и покрытия, изготовленные в основном из полимерных материалов, таких как поливинилхлорид (ПВХ), низкодымный безгалогенный огнестойкий полиолефин (LSZH), арамид (Kevlar) и акрилат. Оболочка разъема обычно использует обычный эпоксидный клей. В условиях высокого вакуума космоса эти материалы подвергаются серьезным проблемам газовыделения и испарения, что приводит к следующим катастрофическим последствиям:
- Загрязнение оптической системы конденсатом (Critical Contamination): Выделяющиеся органические газы распространяются и повторно конденсируются на низкотемпературных поверхностях прецизионных оптических линз космических аппаратов, лазерных датчиков, окон детекторов и солнечных батарей. Даже нанослой органического конденсата может привести к резкому снижению оптической пропускающей способности и отказу прецизионных приборов.
- Серьезная деградация свойств материала: По мере испарения пластификаторов и других компонентов из полимеров, материал быстро становится хрупким, трескается физически и теряет свою механическую защитную функцию для оптоволокна.
- Нарушение вакуума в камере: В вакуумных камерах наземных лабораторий газовыделение не позволяет откачать систему до требуемого уровня вакуума, что препятствует нормальной работе эксперимента.
III. Что такое требование «низкой летучести (Low Outgassing)»?
Для обеспечения долгосрочной безопасности оборудования в космической среде международное аэрокосмическое сообщество (например, стандарты NASA SP-R-0022A или ASTM E595) установило строгие стандарты тестирования и отбора материалов на «низкое газовыделение/низкую летучесть»:
- Общая потеря массы (TML, Total Mass Loss): Процент потерянной массы по отношению к начальной массе после 24-часового непрерывного нагрева материала при определенном вакууме (< 1.3 × 10⁻³ Pa) и определенной температуре (125 °C). Требования аэрокосмического класса: TML < 1.0%.
- Масса собранного летучего конденсируемого материала (CVCM, Collected Volatile Condensable Material): Масса летучих газов, которые были выделены в ходе вышеуказанного испытания и повторно собраны в виде конденсата на охлаждающей пластине при 25 °C. Требования аэрокосмического класса: CVCM < 0.1%.
IV. Технические решения для аэрокосмических и высоковакуумных оптоволоконных патч-кордов
Для сценариев применения в аэрокосмической отрасли, высоком вакууме и экстремальных температурных перепадах оптоволоконные патч-корды должны полностью заменять легкоиспаряемые пластиковые внешние оболочки и обычные органические покрытия, используя металлы или специальные полимеры с высокой химической стабильностью и без летучих пластификаторов.
OFSCN® для таких специальных промышленных и аэрокосмических применений разработал серию высокотемпературных высоковакуумных оптоволоконных патч-кордов и сопутствующих устройств на основе бесшовных металлических труб и неорганических/специальных полимерных покрытий:
1. OFSCN® 300℃ Fiber Optic Patch Cord
Этот патч-корд отказывается от всех синтетических пластиковых гильз, используя бесшовную стальную трубу диаметром всего 0,9 мм в качестве защитного слоя. Оптоволокно внутри имеет полиимидное покрытие. Полиимид обладает чрезвычайно низким давлением насыщенного пара и отличными характеристиками низкого газовыделения в вакууме. Он может стабильно работать в очень широком диапазоне температур (от -270 °C до 300 °C) и идеально подходит для передачи оптических сигналов аэрокосмического класса и внутри вакуумных камер.
2. OFSCN® 700℃ Fiber Optic Patch Cord
Для более высокого вакуума и крайне требовательных неорганических сред без газовыделения, этот патч-корд использует бесшовную стальную трубу и оптоволокно с золотым покрытием (Gold-coated Optical Fiber) с чисто металлическим покрытием. Само металлическое покрытие не содержит летучих органических веществ, а скорость газовыделения в вакууме практически равна нулю. Рабочий диапазон температур составляет от -270 °C до 700 °C, что делает его самым надежным каналом оптической связи для исследования дальнего космоса и предельных условий сверхвысокого вакуума.
3. OFSCN® High-Temperature Fiber Optic Connectors/Flanges/Splitters
Для удовлетворения потребностей введения/выведения оптического сигнала в вакуумные камеры (Vacuum Feedthrough) поставляются фланцы высокого вакуума серий CF и KF. Разъемы и фланцы используют неорганическое металлическое герметизирующее соединение, а их герметичность в вакууме превосходит 1 × 10⁻⁷ Pa и 1 × 10⁻⁹ Pa соответственно, полностью решая проблемы газовыделения и утечек в местах соединения.
Вывод
В аэрокосмическом оборудовании или устройствах высокого вакуума материалы должны преодолеть «красную линию» низкой летучести: «TML < 1.0% и CVCM < 0.1%». Использование бесшовной стальной трубы в качестве оболочки в сочетании с оптоволокном с полиимидным или металлическим покрытием является единственным техническим путем, гарантирующим, что оптическая система не будет загрязнена летучими веществами, поддерживается вакуум в системе и обеспечивается долгосрочная высокая надежность работы.