彭方漢 王甜甜 耿利寅 李國強

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

熱控方案研制過程中，整星及部件的熱平衡試驗常采用電加熱回路［1］和紅外籠［2-3］來進行熱耗、外熱流的模擬。電加熱回路設計以加熱器的發(fā)熱量為目標值，連接加熱器的電纜發(fā)熱量是額外增加的熱源。對于試驗電纜發(fā)熱的影響，目前普遍采用定性分析的方法來評估其對試驗的影響［4-5］，此種方法適用于電纜發(fā)熱量相對較小、且電纜發(fā)熱分布不集中的通常情況。當試驗電纜集中或發(fā)熱量較大時，局部試驗溫度受到的影響，無法通過定性的方式進行有效的識別，而應進行定量分析。

以某遙感衛(wèi)星為例，初樣熱平衡試驗中星內電加熱回路共146路，平均每個回路的電流為0．5A，電加熱回路位于星內的試驗電纜平均長度為1．5m，計算得到試驗電纜的發(fā)熱量為5．5 W，估算整星溫度升高0．1 ℃～0．2 ℃，試驗電纜發(fā)熱對試驗的影響可忽略。但是如果146路電加熱回路中有15路集中在衛(wèi)星的局部，且通過的電流均大于2A，則試驗電纜發(fā)熱大于9 W，引起整星局部的溫度波動則不可忽視，上面這種通過定性分析的方式就無法發(fā)現試驗電纜發(fā)熱對試驗局部溫度的影響。

由于試驗電纜發(fā)熱是所有熱平衡試驗驗證過程中存在的一個共性問題，進行系統(tǒng)級或部件級熱平衡試驗設計時，設計師均應根據試驗特點進行試驗電纜發(fā)熱影響的定性或定量分析。本文以我國海洋-2（HY-2）衛(wèi)星散射計探測頭部的初樣熱平衡試驗為例，描述試驗電纜發(fā)熱對試驗溫度造成的顯著影響，通過定量分析進行評估，然后對需要進行試驗電纜發(fā)熱影響定量分析的情形以及定量分析的方法進行討論，最后總結減小試驗電纜發(fā)熱影響的措施。

2 試驗情況

散射計探測頭部主要由反射器、高頻箱組成，電子設備均安裝在高頻箱上。高頻箱劃分為4個小隔艙，中軸內部安裝電機、滑環(huán)等，電子設備安裝在高頻箱外部以及4個小隔艙中，如圖1～3所示。

圖1 散射計探測頭部構型Fig．1 Configuration of the scatterometer head

圖2 高頻箱頂板設備布局Fig．2 Layout of apparatuses on top board

圖3 高頻箱底板及外側板設備布局Fig．3 Layout of apparatuses on bottom and side board

試驗通過電加熱回路模擬外熱流及設備熱耗，通過控溫方式模擬溫度邊界，其它熱控狀態(tài)均與真實狀態(tài)相同。

試驗后的預示溫度計算時，計算模型根據試驗狀態(tài)進行了修正［6］，主要修正內容包括：溫度邊界處理，外熱流、熱耗的加載模式及數值，所有部件的熱物性參數［7］，散熱面的光學特性參數［8］，結構件之間的導熱參數、背景熱流的影響等。試驗電纜發(fā)熱的影響進行定性評估，通過估算，試驗件的整體溫度受電纜發(fā)熱的影響為1 ℃左右，其影響加載到結構板上。因此計算模型考慮了各種因素對溫度的影響，模型修正完成后，根據每個試驗工況的參數進行了各個工況的溫度計算。

在所有工況的計算結果中，預示溫度與試驗溫度差異非常大，其中一個高溫工況的試驗溫度和預示溫度統(tǒng)計見表1，高頻箱內部設備的試驗溫度比預示溫度平均高10 ℃。

表1 某高溫工況的預示溫度和試驗溫度Table 1 Result of calculation and test in a high temperature condition

3 試驗結果分析

3．1 原因分析

比較試驗狀態(tài)與真實狀態(tài)，差異如下：①溫度邊界，試驗件采用模擬艙板來模擬真實狀態(tài)的整星艙板，模擬艙板通過控溫的方式保證邊界溫度與真實狀態(tài)相同；②外熱流、熱耗模擬，試驗件采用電加熱器發(fā)熱來模擬外熱流以及熱耗，模擬值與真實狀態(tài)相同，但由于電加熱器需要通過電纜連接，電纜將有一定的發(fā)熱量，試驗狀態(tài)無法消除；③設備狀態(tài)，試驗中散射計探測頭部只有中軸內部的電機、滑環(huán)為電性件，其它設備均為結構件。

雖然試驗后的計算模型根據試驗狀態(tài)進行了修正，確保計算模型與試驗狀態(tài)一致。但比較預示溫度與試驗溫度，兩者的差異超出了正常的計算偏差范圍，說明在計算模型中設備溫度的影響因素未考慮全面。

復核結果表明，計算模型除了試驗電纜的發(fā)熱量為估算值、且加載區(qū)域與真實狀態(tài)不同之外，其它狀態(tài)均和試驗狀態(tài)一致。因此，試驗溫度偏高可能是由于試驗電纜發(fā)熱引起，試驗電纜發(fā)熱并非如試驗前定性評估那樣小，需要進行詳細的定量分析。

3．2 試驗電纜影響分析

由于轉動的限制，散射計探測頭部上的所有電加熱回路均需要通過中軸上的滑環(huán)與外部連接，電纜與滑環(huán)的連接狀態(tài)見圖4。外部電纜的每個電加熱回路與兩個滑環(huán)通道連接，然后對應的滑環(huán)通道在高頻箱內引出電纜，所有電纜在高頻箱內匯集且固定在滑環(huán)附近較小的區(qū)域內。

圖4 滑環(huán)與電纜連接示意Fig．4 Slip ring and cable connection

散射計探測頭部上的試驗電纜固定在高頻箱內部的內設備2 旁邊，電加熱回路共16 路，如圖5所示。

圖5 試驗電纜固定位置Fig．5 Test cable fixed position

每個電加熱回路包含兩根電纜，每根電纜由滑環(huán)和引線兩部分組成。根據實測，滑環(huán)導線阻值不小于0．1Ω，引線阻值不小于0．05Ω，因此每個電加熱回路的電纜阻值不小于0．3Ω。

高溫工況的試驗外熱流為544 W，設備模擬熱耗為150 W，每個電加熱回路電纜阻值取保守值0．3Ω，根據試驗電流得到試驗電纜總發(fā)熱量為16．1 W。

散射計探測頭部正樣狀態(tài)為：所有設備通過滑環(huán)上的9個回路供電，所有供電回路并聯，即通過每個供電回路的電流相同；每個供電回路包含兩根電纜，每根電纜由滑環(huán)和引線兩部分組成，每個供電回路的電纜阻值小于0．4Ω。

散射計探測頭部正常工作時，通過滑環(huán)的總電流為5．1A，每個供電回路電纜阻值取保守值0．4Ω，計算得到電纜的總熱耗為1．2 W。

根據計算結果，試驗中電纜附加發(fā)熱量為14．9W。由于工作時高頻箱內部設備熱耗總和為43．5W，電纜所在小隔艙的總熱耗為9 W，因此高頻箱內部試驗電纜的發(fā)熱量占高頻箱內部設備熱耗的比例為34%，是所在小隔艙熱耗的1．7倍。

根據以上分析結果，復核后的計算模型根據試驗中電纜的位置、固定方式、發(fā)熱量等參數增加了電纜的計算模型。修正后的溫度計算結果與試驗結果的比較見表2，兩者吻合。

分析表明，高頻箱內部設備受試驗電纜發(fā)熱的影響，試驗溫度均比實際溫度高，特別是電纜所在小隔艙的內設備2的溫度受到的影響最大，內設備2的試驗溫度比計算溫度高18．5 ℃。高頻箱外部設備直接向空間輻射散熱，受電纜發(fā)熱的影響較小。

表2 修正后計算結果與試驗結果比較統(tǒng)計Table 2 Comparison between calculated and tested temperatures

3．3 在軌驗證

HY-2衛(wèi)星發(fā)射入軌后，散射計探測頭部獲得了部分設備的溫度數據。根據初樣試驗修正后的分析模型計算的溫度預示值與在軌溫度數據統(tǒng)計見表3。

在軌溫度及預示溫度的分析表明，設備在軌溫度良好，說明散射計探測頭部采用的熱控方案正確、合理；預示溫度與在軌溫度吻合較好，說明修正后的計算模型狀態(tài)與實際狀態(tài)一致。

在軌溫度數據分析表明，初樣熱平衡試驗溫度異常是由于電纜發(fā)熱引起的原因分析是正確的，通過定量分析評估試驗電纜發(fā)熱影響的效果非常好，同時也說明了試驗前僅通過定性分析不能發(fā)現試驗電纜發(fā)熱對試驗溫度造成的較大影響。

表3 在軌溫度及預示溫度統(tǒng)計Table 3 Temperatures in orbit and calculated

4 討論

散射計探測頭部熱平衡試驗的主要特點是：工作時快速轉動，試驗電纜需通過滑環(huán)集中引出；試驗外熱流和熱耗總和近700 W，所有試驗電纜通過的電流大于1A，部分試驗電纜通過的電流超過3A，使試驗電纜自身的發(fā)熱量較大。在以上雙重因素的影響下，試驗溫度受到了較大的干擾。

散射計探測頭部正樣狀態(tài)中，滑環(huán)的供電通道為9個，全部用于設備供電。初樣熱平衡試驗中，滑環(huán)可用于供電的通道為16 個，由于通道數量的限制，用于設備熱耗模擬回路供電的通道只有2個（設備主份和備份的熱耗模擬回路分別占用2個通道），外熱流模擬回路占用12個通道。由于初樣熱平衡試驗中滑環(huán)通道增加了外熱流模擬的供電，同時減少了設備熱耗模擬的供電通道數量，因此，試驗中滑環(huán)附近的試驗電纜發(fā)熱量遠大于正樣狀態(tài)的電纜發(fā)熱。

在系統(tǒng)級或設備級的熱平衡試驗中，試驗電纜集中和試驗電流較大的情形經常遇到。試驗電纜集中的情形經常出現在以下試驗中：整星級試驗的局部區(qū)域，尺寸較小且回路較多的設備級試驗，需要轉動的設備級試驗。

試驗電流較大可由試驗外熱流或模擬熱耗引起。對于尺寸較大的天線，例如HY-2衛(wèi)星的散射計探測頭部的反射器、輻射計探測頭部的反射器、雷達高度計天線，某衛(wèi)星星載SAR 天線，在高溫工況需要模擬的外熱流均超過了500 W；衛(wèi)星部分設備或組件工作時的熱耗非常大，例如某衛(wèi)星星載SAR天線單塊面板的水平極化發(fā)射接收組件在工作時總熱耗達到2954 W，環(huán)境減災-1C（HJ-1C）衛(wèi)星的固態(tài)發(fā)射機工作時的熱耗達到790 W，以上設備在工作時將導致試驗電纜通過的電流非常大。

因此，進行系統(tǒng)級或設備級熱平衡試驗設計時，應對試驗特點進行分析，確定試驗電纜發(fā)熱的影響是否需要進行定量分析。進行試驗電纜發(fā)熱影響的定量分析時，主要步驟如下：

（1）問題定位，分析試驗電纜的發(fā)熱特點，確定進行定量分析的必要性；

（2）參數收集，根據試驗電纜的設計組成、詳細布局、試驗電流等信息，計算試驗電纜在每個工況的發(fā)熱量及分布；

（3）模型轉化，根據試驗電纜的材料、安裝狀態(tài)、表面特性，將試驗模型轉換為計算模型，保證計算模型的光學特性、熱特性及接觸換熱特性與實際狀態(tài)相同；

（4）數值計算，根據試驗電纜在每個工況的發(fā)熱量，計算各個工況的溫度，通過與試驗溫度比較，確定計算模型的準確性；

（5）定量評估，依據設計的試驗狀態(tài)對計算模型進行調整，去除試驗電纜發(fā)熱的影響，計算各個工況的溫度，通過與試驗溫度比較，得出試驗電纜發(fā)熱對試驗結果影響的量值。

5 結論

在初樣熱平衡試驗中，電子設備常采用結構件替代，設備熱耗采用電加熱回路模擬。而在初樣及正樣熱平衡試驗中，外熱流常采用電加熱回路模擬。因此，相比正樣狀態(tài)，試驗驗證中試驗電纜是額外增加的部件，試驗電纜發(fā)熱是額外增加的熱源，無法回避。

對于航天器系統(tǒng)級及設備級熱平衡試驗，如果試驗具備以下的任何一個特點，應該采取定量分析的方式來詳細計算試驗電纜發(fā)熱的影響：①試驗電纜集中；②試驗電流大。

如果試驗設計無法避免試驗電纜集中或試驗電流較大的問題，則應采取以下措施來減小試驗電纜發(fā)熱對試驗正常驗證造成的影響：①試驗電纜固定在多層外部或對試驗溫度影響很小的區(qū)域；②試驗電纜與試驗件之間采用多層進行熱隔離；③計算模型修正時按照實際狀態(tài)加入試驗電纜的影響。

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