朱劍濤，羅 成，王 東，陳少華

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

星上功率電纜作為衛(wèi)星供電傳輸通路，若電纜工作溫度超過(guò)其額定溫度，則其外部的絕緣保護(hù)層會(huì)因溫度過(guò)高而將被溶化，可能導(dǎo)致母線正負(fù)端短路，威脅衛(wèi)星的供電安全。

在某型號(hào)衛(wèi)星的研制過(guò)程中，僅對(duì)星上功率電纜進(jìn)行了熱分析，并根據(jù)熱分析數(shù)據(jù)對(duì)電纜熱設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，但未考慮在整星或電纜處于不同工況下（如電纜束捆綁狀態(tài)、散熱環(huán)境影響等因素）的熱特性，因此整星狀態(tài)下電纜的溫度分布是有效開(kāi)展熱特性分析的重要參數(shù)。在衛(wèi)星地面熱真空/熱平衡試驗(yàn)以及在軌飛行中，未對(duì)星上功率電纜溫度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，因此會(huì)影響該型號(hào)星上電纜熱特性的全面、有效的分析，其熱設(shè)計(jì)的校核也缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)的支持。

為此，本文結(jié)合衛(wèi)星在軌工作狀況，對(duì)星上功率電纜的熱特性進(jìn)行了理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，旨在獲得不同工況下的星上功率電纜熱特性及其影響因素。

1 電纜熱分析

1.1 電纜熱流密度

因捆扎的星上電纜束的散熱條件比其余電纜差，因此，選取捆扎電纜作為熱特性對(duì)象，作為熱分析的輸入?yún)?shù)，首先應(yīng)獲取電纜的功率損耗熱流密度。假設(shè)衛(wèi)星整星設(shè)計(jì)功率為3 000 W，母線電壓取42 V，則單側(cè)母線電纜最大電流約為36 A。以瑞侃公司的22#電纜為例，由18根正線和22根負(fù)線組成，其線徑約為1 mm，電阻為0.052 5 Ω/m，假設(shè)電纜捆扎寬度約為20 mm，則捆扎部位熱流密度約為219 W/m2。

1.2 基本假設(shè)

分析中對(duì)模型進(jìn)行如下假設(shè)：

1）忽略電纜束與結(jié)構(gòu)板之間的導(dǎo)熱，其熱耗通過(guò)輻射方式擴(kuò)散到周?chē)h(huán)境中；

2）忽略電纜束沿其軸向的導(dǎo)熱，捆扎部位的熱耗只通過(guò)捆扎處的表面輻射散熱；

3）忽略與母線電纜捆扎在一起的信號(hào)電纜的導(dǎo)熱作用；

4）整個(gè)電纜束截面上熱耗均勻分布；

5）艙內(nèi)平均溫度為20 ℃（293 K）。

1.3 熱分析模型

基于上述假設(shè)，電纜向空間的散熱分為電纜束中心向外表面的導(dǎo)熱、以及通過(guò)電纜束表面向空間的輻射散熱。假設(shè)捆扎部位外表面半球發(fā)射率為ε，其表面熱流密度為q，艙內(nèi)溫度為T(mén)0，則根據(jù)兩同心圓柱之間的輻射換熱理論可以得到電纜外皮的溫度為[1-2]

式中：Te為電纜外皮溫度；σ為玻爾茨曼常量，5.67×10-8W/(m2·K4)。

1.4 分析結(jié)果

1）一根電纜束單獨(dú)走線時(shí)，q=219 W/m2，ε=0.85，則電纜束外表面溫度約為57 ℃。

2）兩根電纜束合在一起走線時(shí)，q=310 W/m2，其他條件相同，則電纜束外表面溫度約為70 ℃。

根據(jù)電纜廠家提供的數(shù)據(jù)，其額定溫度為200 ℃，考慮安全余量，則需要降低額定溫度，降額后其設(shè)計(jì)溫度為120 ℃。

假設(shè)1）、2）、3）同實(shí)際條件相比可能要惡劣得多，因此電纜實(shí)際溫度應(yīng)該比理論計(jì)算值要小。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方案

星上電纜的熱特性理論分析與實(shí)際狀態(tài)仍存在一定的差異，因?yàn)樾巧想娎|所處熱環(huán)境較為復(fù)雜，不但受其自身熱耗的影響，而且還受周?chē)h(huán)境影響，另外目前尚缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)和飛行測(cè)量數(shù)據(jù)，無(wú)法對(duì)星上功率電纜的熱特性進(jìn)行驗(yàn)證。因此，需要開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)以進(jìn)一步驗(yàn)證電纜的熱特性設(shè)計(jì)。

由于電纜的熱特性主要取決于電纜中電流、狀態(tài)及其所處的熱環(huán)境。所以，選取衛(wèi)星母線電纜（南母線為01#和03#電纜，北母線為61#和63#電纜）在軌工作中可能出現(xiàn)的最大電流工況作為試驗(yàn)工況，如表1所示。試驗(yàn)中模擬衛(wèi)星處于夏至工況，并按此工況進(jìn)行外熱流設(shè)置，使設(shè)備溫度與在軌溫度一致或更高。表1中的工況1為夏至工況下母線01#電流為30A，工況2為夏至工況下母線01#電流為36A，其他表中工況的含義相同。

表1 電纜熱特性驗(yàn)證試驗(yàn)方案Table 1 The testing scheme for the power cable of satellite

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中電纜的電流和設(shè)備的溫度見(jiàn)表2。由表2中的數(shù)據(jù)可知，電流和溫度均滿(mǎn)足要求，說(shuō)明模擬的電纜環(huán)境接近真實(shí)的在軌狀態(tài)。

表2 試驗(yàn)中電纜電流及設(shè)備溫度情況Table 2 The current in power cable and temperature in equipment

2.3 電纜溫度

不同工況中，由于電纜的電流不同，最高溫度位置也不相同。試驗(yàn)中，電纜最高溫度均出現(xiàn)在單根電纜熱縮帶內(nèi)（線束內(nèi)）。工況1下出現(xiàn)最高溫度處是03#電纜，工況2對(duì)應(yīng)的是01#電纜，具體數(shù)據(jù)如表3所示。因此，根據(jù)1.4節(jié)電纜的額定溫度可知，電纜在軌溫度滿(mǎn)足降額設(shè)計(jì)要求。

表3 試驗(yàn)中電纜最高溫度Table 3 The top temperature in power cable

2.4 電纜熱特性及影響因素

2.4.1 電纜的熱特性

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，功率電纜溫度主要有以下幾個(gè)方面特點(diǎn)：

1）電纜最高溫度隨著電流的增加而提高，其比例一般在2～3 /A℃，如表4所示。

表4 試驗(yàn)中電纜溫度和電流Table 4 The relation between temperature and current in power cable

2）電源設(shè)備上電纜束中溫度基本代表整根電纜的溫度水平，其溫度相差4～7 ℃，如表5所示。

表5 整個(gè)電纜束溫度情況（℃）Table 5 The temperature of power cable（℃）

3）在捆扎處電纜束內(nèi)與線束外最高溫差一般在5～10 ℃范圍內(nèi)，如表6所示。

表6 電纜線束內(nèi)和線束外溫度（℃）Table 6 The temperature in and out of the power cable（℃）

2.4.2 電纜溫度的影響因素

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可知影響星上電纜溫度的主要因素有：

1）電纜電流的大小。

在相同環(huán)境條件下，電纜最高溫度將隨所在電纜電流的增加而升高，且具備一定的比例關(guān)系，即2～3 /A℃；在無(wú)電流的情況下，電纜溫度僅與所在環(huán)境的溫度有關(guān)；一旦電纜電流發(fā)生變化，其溫度必然發(fā)生變化，如圖1所示（工況2中03#電纜的測(cè)點(diǎn)溫度與電纜電流的關(guān)系，數(shù)據(jù)與表3最大值一致）。

圖1 電纜（03#）溫度與電流隨時(shí)間變化的曲線Fig.1 The curvesof temperature and current versus time for the 03# power cable

2）捆扎狀態(tài)。

電纜最高溫度點(diǎn)均出現(xiàn)在電纜熱縮帶內(nèi)，線束外的溫度比線束內(nèi)低5～10 ℃左右，其主要原因?yàn)殡娎|的捆扎差別所致，在熱縮帶中電纜的散熱環(huán)境較差，不利于散熱，導(dǎo)致其溫度較高。

3）散熱環(huán)境。

同一根電纜上不同位置因周?chē)h(huán)境的差別，如散熱空間狹小或隔熱罩影響散熱與其未受影響時(shí)的溫差有可能較大。

4）散熱方式。

衛(wèi)星在軌工作中，散熱方式主要為輻射散熱；對(duì)于采用鋁蒙皮的艙板，與其接觸的設(shè)備還可進(jìn)行傳導(dǎo)換熱。試驗(yàn)中，在相同電流情況下，電纜位于鋁蒙皮艙板的溫度較其他部位低。

5）電纜束的熱容。

當(dāng)電纜與其他信號(hào)線捆扎在一起時(shí)，增加了電纜的熱容，使捆扎處溫度相對(duì)于未與信號(hào)電纜捆扎的部分低。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果比較

表7為電纜試驗(yàn)溫度與理論分析溫度數(shù)據(jù)。由于整星熱環(huán)境較為復(fù)雜，分析中要對(duì)模型進(jìn)行必要的假設(shè)，所以與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有所差別。

表7 電纜試驗(yàn)溫度與分析值Table 7 The measured and calculated temperatures in the power cable

4 對(duì)電纜走向和固定方式的建議

根據(jù)上述分析，對(duì)衛(wèi)星電纜走向和固定方式建議如下：

1）盡量減少電纜在空間狹小、散熱環(huán)境較差的地方進(jìn)行捆綁；

2）電纜采用熱縮帶捆綁時(shí)，應(yīng)盡量減少熱縮帶的寬度，減少電纜與熱縮帶的綁扎面積，便于捆綁處電纜的散熱；

3）電纜應(yīng)盡量沿空間較為寬敞的鋁蒙皮艙板位置或者溫度較低的艙板區(qū)域鋪設(shè)；

4）兩根主功率線應(yīng)盡量分開(kāi)鋪設(shè)，避免電流提高時(shí)，電纜溫度進(jìn)一步升高。

5 結(jié)論

通過(guò)星上電纜的熱特性分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1）星上電纜溫度滿(mǎn)足降額設(shè)計(jì)要求，在軌工作是安全可靠的。

2）電纜溫度主要取決于電纜中電流的大小，且無(wú)累積效應(yīng)。即隨著電流的升高，電纜中的溫度也升高，反之，溫度下降，當(dāng)電流為零時(shí)，其溫度僅與其所在環(huán)境的溫度基本一致。

3）電纜的捆扎狀態(tài)是影響電纜溫度的重要因素，電纜的最高溫度均出現(xiàn)在電纜熱縮帶捆扎處，與線束外的溫度差為5～10 ℃。

4）電纜所處的熱環(huán)境及熱特性也是影響其溫度的因素之一。

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