航天器用光缆可靠性及寿命验证技术综述

庞 博，刘守文，周月阁，叶田园

（1.北京卫星环境工程研究所； 2.航天机电产品环境与可靠性北京重点实验室：北京 100094）

0 引言

随着航天器星内数据快速传输、处理并进行星间及星-地交换的要求不断提高，对总线传输提出了更高要求。与传统电缆总线相比，光缆通信具有传输量大、稳定性高等优点，是航天器数据总线传输的重要发展方向。以我国空间站为例，预计光缆的总需求量将达到6000 m以上，并要求具有不低于15年的使用寿命。虽然我国在“海洋”、“实践”卫星中已成功开展了光缆通信应用，但这些卫星在轨寿命都相对较短，并无光缆长寿命应用的验证数据。国外针对航天器用光缆可靠性及寿命开展了大量研究，并且在型号中已经广泛应用，积累了较多在轨长寿命应用的经验和数据。但是，我国航天器用光缆无论从材料还是工艺上均与国外产品有较大差距，因此，不能简单采用国外光缆寿命数据指导国内型号工作，亟需针对国内航天器用光缆开展长寿命验证技术研究。

本文对国内外航天器用光缆的失效机理、寿命试验研究进行广泛调研和总结、归纳，旨在为我国航天器用光缆寿命试验技术研究提供参考。

1 航天器用光缆结构及特点

光缆主要由光纤及其保护结构组成，通常是在光纤外面增加缓冲层、外护套等包覆，形成具有一定机械强度和耐环境能力的成缆产品。航天器用光缆与普通光缆结构类似，只是由于需要面临极端高低温和空间辐射等特殊环境，所以在材料和工艺上存在一定差别。某典型航天器舱外光缆的结构和材料组成分别如图1和表1所示。

图1 某典型航天器舱外光缆的结构Fig.1 Structure of fiber optic cable outside the cabin of a typical spacecraft

表1 某典型航天器舱外光缆的材料Table 1 Materials of a typical spacecraft cabin cable

在光缆的制备过程中，为提高其综合性能，都需要在光纤外面增加一定的涂覆包层。涂覆层一般为高分子材料，用于增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性[1]。目前光缆涂覆均由2层组成：第1层模量较低（＜5 MPa），与光纤包层紧密黏结，防止光纤表面微裂纹扩大，并减轻光纤的微弯损耗；第2层模量较高（＞800 MPa），可提高光缆的耐磨性能和机械强度。航天器用光缆的涂覆层材料应能承受严酷的高低温环境，在低温下不易变脆，在高温下不易软化。增强层和外护套采用镀银纤维结构编织，既可以起到电磁屏蔽作用[2]，也可提高光缆的机械强度和抗弯折强度等[3]。此外，航天器用光缆在保证传输性能的情况下，还要求具有良好的抗辐射特性。

2 光缆主要失效模式及退化规律

光缆在航天器舱外应用时，其经受的空间环境最为严酷，主要受极端高低温循环和空间辐射影响[4]。以低地球轨道航天器为例，太阳直射时表面温度最高可达150 ℃，处在地影面时的温度最低会降至-150 ℃，且90 min左右经历一次温差达300 ℃的热循环过程。如此严酷的热循环会使光缆材料经受反复的热应力，长期作用下会导致材料热疲劳[5]。此外，空间辐射也是引起航天器光缆老化甚至失效的重要因素。在空间高能电子、质子、伽马射线的照射下，纤芯会产生色心[6-7]，导致其光传输性能下降，进而影响光缆的可靠性和使用寿命[8]。

2.1 高低温环境对光缆失效的影响

2.1.1 高温对光缆的影响

由于石英光纤的软化温度在1400 ℃以上，所以常规高温对光缆可靠性和寿命的影响主要是对涂覆层、缓冲层等高分子材料的影响。高温会加速涂覆层材料高分子链的断裂过程，从而使涂覆层失去保护光纤的作用，加速光纤的疲劳过程，致使光纤表面微裂纹扩张，导致光纤失效[9]。目前，国内外研究高温对光缆寿命影响主要是针对涂覆层的老化寿命。美国康宁公司和OFS公司均对光缆涂覆层热老化与光缆使用寿命之间的关系进行了较为深入的研究，并得出了一致性的结论，即认为涂覆层的热失重与光缆强度存在着必然联系，涂覆层在达到某一失重百分率时即可认为失效[10]。因此，目前行业内主要以涂覆层的热失重率达10%作为光缆失效判据[11]。利用热失重分析（thermal gravimetric analysis, TGA）方法可推断出涂覆层在某一温度下达到10%失重率所需要的时间，即为光缆的使用寿命。高温对光缆涂覆层的影响非常显著，国外某研究团队分别给出了以5%、10%、25%、50%失重率为失效条件下某种光缆涂覆层在不同温度下的寿命曲线[10]，如图2所示，可以看出，随着温度的不断升高，该光缆涂覆层寿命急剧下降。

图2 光缆涂覆层在不同温度下的寿命曲线Fig.2 Life of optical cable coating at different temperatures

由于高分子涂覆层比石英光纤的热延展率系数大3个数量级，高温环境会造成石英光纤的径向应变，引起传输损耗的增大。此外，涂覆层热失重的增加，也会导致传输损耗增大。图3所示为某种光缆不同涂覆层热老化试验温度与传输损耗的关系[10]，发现低温时损耗明显增大。

图3 不同光缆涂覆层热老化试验温度与传输损耗的关系Fig.3 The relationship between temperature in thermal aging test and loss of optical cable

高温与辐射还存在耦合效应，与未经热处理的光缆相比，经过热处理的光缆在经受辐射后所导致的损耗更低，且光缆的辐射诱导损耗会随着温度的升高而降低[12]。

2.1.2 低温对光缆的影响

低温主要影响材料的物理和化学性质：一方面能够导致光缆光纤折射率发生变化，从而导致光纤的偏振性能改变[13]；另一方面会导致光纤各向异性应力的改变[14]。低温还会增强光缆对辐射的敏感性，温度越低，光纤“色心”的自愈能力越差，即在低温下光缆的辐射感生损耗最大。解放军某部在高寒地区发现了光缆线路阻断等故障现象，研究人员通过开展低温对光缆损耗特性的影响分析，发现随着温度的降低，光缆损耗不断增大，且在低温-55 ℃左右，附加损耗特性的变化出现拐点，如图4所示。低温还会导致光缆产生微弯，长时间受压会使光缆受到损伤，应变超过-0.1%时，将引起很大的微弯损耗[15]。

图4 光缆低温特性曲线Fig.4 Low-temperature characteristics of the optical cable

2.1.3 高低温循环对光缆的影响

温度循环会导致光缆高分子有机材料性能退化[16]，改变光缆应力分布。光缆不同结构材料的热膨胀系数与弹性模量各不相同，当温度变化剧烈时，材料之间的热失配会导致光缆不同界面间产生一定的热应力和形变。例如，光纤与涂覆层的热膨胀系数通常相差3个数量级，在温度降低时，涂覆层的收缩相对较快，光纤的收缩相对较慢，故光纤受到涂覆层的轴向压力，在光纤界面容易产生较大应力和应变，轴向产生的应力为[17]

式中：E、A、α分别为材料的杨氏模量、横截面积和热膨胀系数；下标c为涂敷层，g为光纤；ΔT为温度的变化量。

轴向应力在温度交变环境下得不到释放，积累到一定程度就会使涂覆层收缩，导致光缆微弯，传输信号的功率损失，输出光功率降低，损耗增加[18]。图5所示为NASA对星载Northern Light品牌光缆输出功率随温度循环次数变化的研究[19]，可以看出，该品牌光缆输出光功率随温度循环次数的增加呈现先减小后增大的趋势。

图5 光缆输出功率随温度循环次数的变化Fig.5 Output power of the optical cable against the number of thermal cycles

温度循环还会导致涂覆层材料质量损失，进而导致衰减值增大。图6给出了-55～125 ℃温度循环条件下，不同涂覆层材料随温度循环850 nm波长衰减值的变化情况[10]，可以看出，随温度循环的进行，损耗逐渐增大。

图6 -55～125 ℃ 温度循环下 850 nm 诱导损耗变化Fig.6 Variation of induced loss at 850 nm under thermal cycling at -55～125 ℃

2.2 辐射环境对光缆失效的影响

空间辐射对光缆失效的影响非常复杂，受多种因素综合影响。目前国内外对于辐射导致光缆性能退化规律和损伤机理的研究较多，但主要集中在不同辐射总剂量和剂量率对光缆辐射诱导损耗的影响，以及不同掺杂元素对光缆抗辐射特性的影响[20]。空间辐射环境主要由带电粒子、中子与高能电磁辐射组成，其中高能电磁辐射环境中的伽马射线是影响光缆性能的主要原因[21-22]，目前对于光缆进行辐射模拟主要是通过伽马辐照实现[23-24]，国内外近几十年的研究也多是在这种辐照环境下进行的[25]。

辐射作用会使光缆中光纤内部形成“色心”，导致可见光波段吸收增加，破坏SiO2共价键的结构，产生Si—OH，影响单模光缆1310 nm波长光信号的传输损耗。光缆的辐射诱导损耗随总剂量增加，呈现出幂指数的变化规律[26]；在相同总剂量下，还随剂量率的增大而增大[27]。但这并不是说光缆辐射损耗可以无限增大，辐射诱导损耗还存在着饱和现象，不同类型的光缆具有不同的饱和值。掺锗光缆或纯硅光缆最容易饱和，纯硅光缆饱和速度更快。另外，这个饱和值同样与总剂量和剂量率有关，随总剂量的变化满足饱和e指数规律，辐射剂量率越高，则饱和损耗越大[28]。T.S.Rose 等研究发现：辐射总剂量相同的质子与伽马射线对光缆造成的辐射损伤相同，产生的辐射损耗相同，且波长越短，辐射损耗越大；此外，试验也证明了伽马射线辐射可以用来模拟空间环境中高能质子辐射对光缆损伤的影响[29]。

不同掺杂元素对光缆抗辐射特性同样有较大影响。West通过实验证明，不同掺杂成分（Er、Al、Ge、P）的纤芯受到辐射都会产生暗化效果，引入附加损耗，而且这种附加损耗与纤芯材料成分密切相关[30]。GeO2、P2O5等掺杂氧化物会使光缆芯内产生点缺陷和位错，在辐射环境下产生缺陷能级，降低光缆的抗辐射性能[8]。纯硅芯光缆与传统芯层掺杂光缆相比，具有较低的损耗和较高的辐射稳定性，更适于在空间环境注中应用。

光缆的辐射诱导损耗是因为辐射引起的缺陷浓度增加所致，而在缺陷形成的同时，存在着光、热等恢复效应；在无辐射时，光缆本身也存在自愈效应，且在通光情况下自愈能力更强，通入5～10 μW连续光源信号，可激发“光漂白”效应，通过自愈特性减小辐射损伤。同时，恢复效应与光缆中传输的光功率有关，在相同剂量率伽马射线的辐射下，光功率越大，波长越短，光缆的恢复效应越强[31]。工作波长为850 nm的相同长度的同种石英光纤，在受到相同剂量率的伽马射线辐照时，通光和不通光光缆的辐射诱导损耗会相差2～3倍[32]。

光缆在较高温度下会发生热退火。热退火可以抵消光纤色心的产生，当退火性能与色心生成之间的竞争趋于稳定，达到平衡时，光缆的辐射诱导损耗就会达到饱和。可见，光缆的实际工作模式和环境，也会对辐射损耗有很大影响。是 22.7 rad(Si)/min（-18.3 ℃）和 11.2 rad(Si)/min（-24.1 ℃），总剂量 30 krad(Si)。从辐照试验结果得出：相同辐射剂量率下，直径越大的光缆抗辐射能力越强[34]。

2.3 温度+辐射综合环境对光缆失效的影响

Kalomiris等在-150～20 ℃、伽马辐照剂量率140 rad(Si)的条件下研究了温度+辐射综合效应对光缆性能的影响，发现载氢光缆在-150 ℃下表现出更高的辐射敏感性[33]。AT&T Bell Labs的研究结果显示，在空间用单模光缆的各项性能要求中，-150～150 ℃的工作温度范围极具挑战性，因为光纤在较低温度时的辐射敏感性会增高[33]。

NASA按照水星激光高度计（MLA）的应用环境进行了热试验和辐照试验，MLA上的光缆布置如图7所示。试验温度范围-30～50 ℃，高/低温各保持 25 min，温变速率 2 ℃/min；辐照条件分别

图7 水星激光高度计光缆布置Fig.7 Cable layout of MLA

2.4 小结

光缆的主要失效模式见表2。

表2 光缆的主要失效模式Table 2 The main failure modes of the optical cable

3 光缆可靠性试验及寿命评价技术

由于航天产品高可靠、长寿命的要求，必须进行充足的地面试验验证。而对于使用寿命的验证，目前主要采用加速试验方法，通过试验获取高应力条件下的寿命特征量，再利用加速模型，外推至正常应力条件下的使用寿命。因此，加速模型建立和应力条件设置是开展光缆加速寿命试验的关键。

3.1 温度加速模型

根据前文可知，高温对光缆寿命的影响，主要是加速涂覆层、橡胶和有机塑料等高分子材料热老化，导致涂覆层材料的热失重。目前国内外相关研究机构颁布的高分子材料寿命预测标准，都用温度加速的Arrhenius模型进行外推。如GB/T 20028—2005/ISO 11346:1997《硫化橡胶或热塑性橡胶应用阿累尼乌斯图推算寿命和最高使用温度模型》明确指出利用阿累尼乌斯公式推算涂覆层的使用寿命[35]。

Andrei等依据Arrhenius基本模型，推导出了涂覆层质量损失与光缆使用寿命之间的关系[11]，

式中：α为质量转换系数；t为时间；A为Arrhenius频率常数；Ea为激活能；R为摩尔气体常数；T为温度；f(α)为动力学模型函数。

通过分别建立质量损失与温度、时间的关系，得到不同温度水平与寿命之间的关系为

式中：lnτF0为预设常数；τF为失效预测时间；Tav为平均温度。

该方法的优点是能够直接进行寿命预测，不依赖任何结构模型，可以通过试验数据，应用回归分析来确定激活能Ea等模型参数。

除高温影响外，高低温循环也会对光缆产生影响。现有生产工艺下，光纤表面不可避免地存在缺陷，在高低温循环条件下，承受反复的热应力作用，会导致光纤本身微裂纹的生成和扩展，乃至断裂失效。其机理可以用格里菲斯（Griffith）裂纹理论进行解释：脆性材料在其表面存在微裂纹或者缺陷，特别是这些裂纹或者是缺陷极易受到水分、尘埃或者化学物质的侵蚀时，会出现断裂的现象。这是因为在外力的作用下，裂纹尖端处产生应力集中，裂纹开始扩展，即出现应力腐蚀，对于石英光缆来讲称之为光缆的静态疲劳。当裂纹扩展达到某个临界值时，将导致光缆强度降低以至于断裂[36]。

高低温循环的加速试验，可以借鉴JESD94A标准中的Norris-Landzbery加速模型，即

式中：t为寿命时间；f为温变速率；ΔT为温变幅度；Tmax为高温水平；A、B、C均为常数。

式(4)为修正的Coffin-Manson模型，广泛用于描述固体器件或塑性材料温度交变应力引起的热疲劳失效。而研究表明，Coffin-Manson模型本身虽然最初用于描述塑性材料的热疲劳失效，但如果选取合适的参数，同样适用于脆性材料的裂纹扩展引起的疲劳失效[37]，因此，可以应用于光缆高低温循环的加速试验。

3.2 辐射加速模型

对光缆辐射效应的研究主要通过伽马射线辐照进行模拟，一般采用剂量率加速方法[38]。由于光缆辐射效应的复杂性，目前并无成熟准确的加速模型，很多学者仅从辐射作用机理角度，尝试提出了一些解释性模型，如Henschel描述缺陷类型的产生与湮灭竞争过程的方程[39]

式中：ni类型为i缺陷浓度；t为辐射时间；Fi为缺陷的单位时间改变系数；Pi0为先驱缺陷浓度；Ki为辐射产生缺陷的系数；Ri为辐射缺陷的消失系数；Ui为缺陷的热消退系数。

对于同一种辐射而言Fi与Ki意义相近，故可将二者归类统称为Fi。其与剂量率成线性关系，即

式中：fi为常数；为剂量率。

对式(5)进行简化和变换，可得到辐射诱导损耗α与剂量率和总剂量D之间的关系[40]为

可以看出，辐射诱导损耗是有饱和值的，由于不同类型光缆有不同的参量，所以该模型必须依靠试验数据进行参数选择。

国内研究人员比较了保偏光纤在不同剂量率伽马射线辐照下的实际损耗与模拟结果，如图8所示[40]，发现试验数值和模拟结果基本吻合。

图8 不同剂量率伽马射线辐照诱导损耗的试验和模拟结果比较Fig.8 Experimental and simulation results of induced loss of optical fiber under different dose rates of gamma irradiation

Friebele等建立了一种描述光缆辐射损耗的剂量率依赖关系模型，

式中：A(D)为预期的诱导衰减；C0为剂量率决定的常数；f为与剂量率无关的常数；n为动态恢复系数。

该模型以真实的动力学阶数和幂律增长的经验指数来描述光缆辐射损耗的剂量率依赖关系[41]。依据该模型推测辐射诱导损耗的方法又被称为外推法。外推法有时不能很好地预测非常低和非常高的总剂量下光缆性能退化的结果，若以低剂量率试验下获得的系数进行高剂量率下辐射损耗评估，会造成错误的结果。因为F与n是根据现有的数据拟合出来的，在两种剂量率相差远的情况下，其值可能相差很大。而且，由于试验装置的限制，所收集的数据并不精确，也使得外推法不能提供准确预测所有剂量率和总剂量衰减的正确数据。

图9为NASA使用外推法推算出的某型号光缆诱导衰减数据和实际衰减数据的比较[18]，研究发现较低剂量率时外推的数据偏大。

图9 不同剂量率诱导衰减数据和外推衰减数据的比较Fig.9 The actual and extrapolated induced attenuation data under different dose rates for a certain type of optical fiber

3.3 光缆可靠性和寿命保证试验技术

美国已在国际空间站高速数据链路HRDL、水星激光高度计MLA、月球轨道激光高度计LOLA等数10个航天器载荷中应用了光缆通信，其可靠性保证经验较为成熟。NASA的戈达德空间飞行中心（GSFC）成立了专业的研究团队，主要负责对美国宇航任务中采用的光纤/光缆、激光器等光电组件在空间环境应用中的可靠性和寿命进行保证。但目前尚未形成空间应用光纤/光缆的可靠性标准。

此外，为了节约成本，NASA大量采购商业光纤/光缆等组件，并通过严格的试验验证来保证其可靠性和寿命满足宇航任务的要求，为此制定了通用的试验程序，主要包括真空、热交变或热循环、振动、辐射等试验[39]，如图10所示。

图10 NASA 商用光缆组件质量保证方法Fig.10 NASA’s qualification assurance plan for commercial optical cable assembly

NASA对光纤/光缆使用寿命的验证，重点关注的是涂覆层材料的热失重寿命以及任务期内的抗辐射能力。因此，为验证光缆在空间环境下的使用寿命（5年以上），重点开展高低温交变试验和辐照总剂量试验。

Sang Yoon Park 等对 3 种光缆涂覆层材料开展了2000个循环的真空热加速试验，温度范围-175～120 ℃，总试验时长 1432 h，通过考察材料热失重来评价其使用寿命[42]，试验的温度剖面如图11所示。对于光缆加速寿命试验时间，并没有明确的评估方法，Telecordia标准规定至少要进行2000 h的加速老化试验，而 GSFC 的 Melanie 给出的结论是：温度环境对寿命的影响，通过60～100个热循环试验即可得出评估[34]。

图11 LEO 环境热真空循环温度剖面Fig.11 Temperature profile of thermal cyclings in thermal vacuum test under LEO environment

对于辐照加速试验，剂量率加速是主要手段。NASA大部分宇航型号中光缆的耐辐射总剂量为几十到几百krad(Si)，剂量率的要求也并无一个明确值。在NASA的标准EEE-INST-002中，关于光缆伽马辐照加速试验的试验参照标准为FTOP-64，即EIA/TIA 455-64，它是美国电子工业协会和通信工业联合会的标准，其中规定光缆加速辐照剂量率应小于100 rad(Si)/min[41]。表3给出了国内外光纤/光缆辐照试验标准及条件[43]。

表3 国内外关于光纤/光缆的γ辐照试验标准及条件Table 3 Domestic and foreign testing standards and conditions for gamma irradiation of optical fibers

3.3.1 MLA 光缆组件可靠性和寿命保证试验

MLA是NASA于2004年发射的用来测量水星地形的激光高度计[38]，如图12所示。光学望远镜与MLA探测器通过4根阶跃折射率多模光缆（如图13所示）进行连接。GSFC对该型光缆进行了可靠性试验，以保证其8年的使用寿命。试验条件如表4[43]所示。

图12 水星激光高度计侧面图Fig.12 Side view of MLA

图13 一根阶跃折射率多模光缆Fig.13 An step index multimode optic fiber

3.3.2 LOLA 光缆组件可靠性和寿命保证试验

月球轨道激光高度计（LOLA）是月球勘测轨道飞行器（LRO）上用来测量月球形状的一种仪器。LOLA探测器通过3根7芯光纤组成的光缆与LR（激光测距）接收望远镜相连，参见图14。LOLA光缆组件能够适应恶劣的空间环境，并可集成到飞行仪器的单个连接器中[38]。GSFC对该组件进行了振动、热循环和辐照试验，试验条件如表4[43]所示，以保证组件稳定可靠工作[44]。

图14 LOLA 侧视图和 LOLA 光缆组件Fig.14 Side view of LOLA LRO fiber optics and LOLA flight assembly

表4 LOLA 与 MLA 测试项目Table 4 Test programs for LOLA and MLA

4 结束语

本文总结归纳了光缆在空间应用环境下的主要失效模式、退化规律，以及寿命试验有关的加速模型及试验方法等，主要结论及建议如下：

1）高低温和辐射环境是影响光缆性能退化的重要因素，尤其是在低于-55 ℃温度条件下，光缆性能和可靠性对辐射环境更加敏感，建议尽量在温度和辐射综合环境下开展光缆长寿命试验研究。

2）Arrhenius模型主要适用于-55 ℃以上的温度条件，因此仅能用于评估光缆在-55 ℃以上应用环境的使用寿命；目前对于航天器舱外-55 ℃以下的低温应用条件，缺少成熟的低温加速模型。建议基于较大样本的统计加速试验方法建立低温统计加速试验模型，开展光缆在-55 ℃以下低温环境的加速寿命评价。

3）准确的加速寿命模型是开展光缆寿命评价的关键，模型中激活能等关键参数与光缆材料、工艺等因素密切相关，且对寿命评价结果影响很大。我国开展光缆寿命试验不能简单采用国外数据，须结合国内光缆产品材料及工艺特点，提取模型参数，以保证寿命评价结果的准确性。