彭方漢 王甜甜 耿利寅 李國強(qiáng)

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)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(yàn)常采用電加熱回路［1］和紅外籠［2-3］來進(jìn)行熱耗、外熱流的模擬。電加熱回路設(shè)計(jì)以加熱器的發(fā)熱量為目標(biāo)值，連接加熱器的電纜發(fā)熱量是額外增加的熱源。對(duì)于試驗(yàn)電纜發(fā)熱的影響，目前普遍采用定性分析的方法來評(píng)估其對(duì)試驗(yàn)的影響［4-5］，此種方法適用于電纜發(fā)熱量相對(duì)較小、且電纜發(fā)熱分布不集中的通常情況。當(dāng)試驗(yàn)電纜集中或發(fā)熱量較大時(shí)，局部試驗(yàn)溫度受到的影響，無法通過定性的方式進(jìn)行有效的識(shí)別，而應(yīng)進(jìn)行定量分析。

以某遙感衛(wèi)星為例，初樣熱平衡試驗(yàn)中星內(nèi)電加熱回路共146路，平均每個(gè)回路的電流為0．5A，電加熱回路位于星內(nèi)的試驗(yàn)電纜平均長(zhǎng)度為1．5m，計(jì)算得到試驗(yàn)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(yàn)電纜發(fā)熱對(duì)試驗(yàn)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(yàn)電纜發(fā)熱大于9 W，引起整星局部的溫度波動(dòng)則不可忽視，上面這種通過定性分析的方式就無法發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)電纜發(fā)熱對(duì)試驗(yàn)局部溫度的影響。

由于試驗(yàn)電纜發(fā)熱是所有熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證過程中存在的一個(gè)共性問題，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)或部件級(jí)熱平衡試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師均應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)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(jì)探測(cè)頭部的初樣熱平衡試驗(yàn)為例，描述試驗(yàn)電纜發(fā)熱對(duì)試驗(yàn)溫度造成的顯著影響，通過定量分析進(jìn)行評(píng)估，然后對(duì)需要進(jìn)行試驗(yàn)電纜發(fā)熱影響定量分析的情形以及定量分析的方法進(jìn)行討論，最后總結(jié)減小試驗(yàn)電纜發(fā)熱影響的措施。

2 試驗(yàn)情況

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

圖1 散射計(jì)探測(cè)頭部構(gòu)型Fig．1 Configuration of the scatterometer head

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

圖3 高頻箱底板及外側(cè)板設(shè)備布局Fig．3 Layout of apparatuses on bottom and side board

試驗(yàn)通過電加熱回路模擬外熱流及設(shè)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(shí)狀態(tài)相同。

試驗(yàn)后的預(yù)示溫度計(jì)算時(shí)，計(jì)算模型根據(jù)試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行了修正［6］，主要修正內(nèi)容包括：溫度邊界處理，外熱流、熱耗的加載模式及數(shù)值，所有部件的熱物性參數(shù)［7］，散熱面的光學(xué)特性參數(shù)［8］，結(jié)構(gòu)件之間的導(dǎo)熱參數(shù)、背景熱流的影響等。試驗(yàn)電纜發(fā)熱的影響進(jìn)行定性評(píng)估，通過估算，試驗(yàn)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(jié)構(gòu)板上。因此計(jì)算模型考慮了各種因素對(duì)溫度的影響，模型修正完成后，根據(jù)每個(gè)試驗(yàn)工況的參數(shù)進(jìn)行了各個(gè)工況的溫度計(jì)算。

在所有工況的計(jì)算結(jié)果中，預(yù)示溫度與試驗(yàn)溫度差異非常大，其中一個(gè)高溫工況的試驗(yàn)溫度和預(yù)示溫度統(tǒng)計(jì)見表1，高頻箱內(nèi)部設(shè)備的試驗(yàn)溫度比預(yù)示溫度平均高10 ℃。

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

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3．1 原因分析

比較試驗(yàn)狀態(tài)與真實(shí)狀態(tài)，差異如下：①溫度邊界，試驗(yàn)件采用模擬艙板來模擬真實(shí)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(shí)狀態(tài)相同；②外熱流、熱耗模擬，試驗(yàn)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(shí)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(yàn)狀態(tài)無法消除；③設(shè)備狀態(tài)，試驗(yàn)中散射計(jì)探測(cè)頭部只有中軸內(nèi)部的電機(jī)、滑環(huán)為電性件，其它設(shè)備均為結(jié)構(gòu)件。

雖然試驗(yàn)后的計(jì)算模型根據(jù)試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行了修正，確保計(jì)算模型與試驗(yàn)狀態(tài)一致。但比較預(yù)示溫度與試驗(yàn)溫度，兩者的差異超出了正常的計(jì)算偏差范圍，說明在計(jì)算模型中設(shè)備溫度的影響因素未考慮全面。

復(fù)核結(jié)果表明，計(jì)算模型除了試驗(yàn)電纜的發(fā)熱量為估算值、且加載區(qū)域與真實(shí)狀態(tài)不同之外，其它狀態(tài)均和試驗(yàn)狀態(tài)一致。因此，試驗(yàn)溫度偏高可能是由于試驗(yàn)電纜發(fā)熱引起，試驗(yàn)電纜發(fā)熱并非如試驗(yàn)前定性評(píng)估那樣小，需要進(jìn)行詳細(xì)的定量分析。

3．2 試驗(yàn)電纜影響分析

由于轉(zhuǎn)動(dòng)的限制，散射計(jì)探測(cè)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(gè)電加熱回路與兩個(gè)滑環(huán)通道連接，然后對(duì)應(yīng)的滑環(huán)通道在高頻箱內(nèi)引出電纜，所有電纜在高頻箱內(nèi)匯集且固定在滑環(huán)附近較小的區(qū)域內(nèi)。

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

散射計(jì)探測(cè)頭部上的試驗(yàn)電纜固定在高頻箱內(nèi)部的內(nèi)設(shè)備2 旁邊，電加熱回路共16 路，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)電纜固定位置Fig．5 Test cable fixed position

每個(gè)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(jù)實(shí)測(cè)，滑環(huán)導(dǎo)線阻值不小于0．1Ω，引線阻值不小于0．05Ω，因此每個(gè)電加熱回路的電纜阻值不小于0．3Ω。

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

散射計(jì)探測(cè)頭部正樣狀態(tài)為：所有設(shè)備通過滑環(huán)上的9個(gè)回路供電，所有供電回路并聯(lián)，即通過每個(gè)供電回路的電流相同；每個(gè)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(gè)供電回路的電纜阻值小于0．4Ω。

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

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)中電纜附加發(fā)熱量為14．9W。由于工作時(shí)高頻箱內(nèi)部設(shè)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(nèi)部試驗(yàn)電纜的發(fā)熱量占高頻箱內(nèi)部設(shè)備熱耗的比例為34%，是所在小隔艙熱耗的1．7倍。

根據(jù)以上分析結(jié)果，復(fù)核后的計(jì)算模型根據(jù)試驗(yàn)中電纜的位置、固定方式、發(fā)熱量等參數(shù)增加了電纜的計(jì)算模型。修正后的溫度計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較見表2，兩者吻合。

分析表明，高頻箱內(nèi)部設(shè)備受試驗(yàn)電纜發(fā)熱的影響，試驗(yàn)溫度均比實(shí)際溫度高，特別是電纜所在小隔艙的內(nèi)設(shè)備2的溫度受到的影響最大，內(nèi)設(shè)備2的試驗(yàn)溫度比計(jì)算溫度高18．5 ℃。高頻箱外部設(shè)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(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較統(tǒng)計(jì)Table 2 Comparison between calculated and tested temperatures

3．3 在軌驗(yàn)證

HY-2衛(wèi)星發(fā)射入軌后，散射計(jì)探測(cè)頭部獲得了部分設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)。根據(jù)初樣試驗(yàn)修正后的分析模型計(jì)算的溫度預(yù)示值與在軌溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表3。

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

在軌溫度數(shù)據(jù)分析表明，初樣熱平衡試驗(yàn)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(píng)估試驗(yàn)電纜發(fā)熱影響的效果非常好，同時(shí)也說明了試驗(yàn)前僅通過定性分析不能發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)電纜發(fā)熱對(duì)試驗(yàn)溫度造成的較大影響。

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

4 討論

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

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

在系統(tǒng)級(jí)或設(shè)備級(jí)的熱平衡試驗(yàn)中，試驗(yàn)電纜集中和試驗(yàn)電流較大的情形經(jīng)常遇到。試驗(yàn)電纜集中的情形經(jīng)常出現(xiàn)在以下試驗(yàn)中：整星級(jí)試驗(yàn)的局部區(qū)域，尺寸較小且回路較多的設(shè)備級(jí)試驗(yàn)，需要轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)備級(jí)試驗(yàn)。

試驗(yàn)電流較大可由試驗(yàn)外熱流或模擬熱耗引起。對(duì)于尺寸較大的天線，例如HY-2衛(wèi)星的散射計(jì)探測(cè)頭部的反射器、輻射計(jì)探測(cè)頭部的反射器、雷達(dá)高度計(jì)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(shè)備或組件工作時(shí)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(shí)總熱耗達(dá)到2954 W，環(huán)境減災(zāi)-1C（HJ-1C）衛(wèi)星的固態(tài)發(fā)射機(jī)工作時(shí)的熱耗達(dá)到790 W，以上設(shè)備在工作時(shí)將導(dǎo)致試驗(yàn)電纜通過的電流非常大。

因此，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)或設(shè)備級(jí)熱平衡試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)特點(diǎn)進(jìn)行分析，確定試驗(yàn)電纜發(fā)熱的影響是否需要進(jìn)行定量分析。進(jìn)行試驗(yàn)電纜發(fā)熱影響的定量分析時(shí)，主要步驟如下：

（1）問題定位，分析試驗(yàn)電纜的發(fā)熱特點(diǎn)，確定進(jìn)行定量分析的必要性；

（2）參數(shù)收集，根據(jù)試驗(yàn)電纜的設(shè)計(jì)組成、詳細(xì)布局、試驗(yàn)電流等信息，計(jì)算試驗(yàn)電纜在每個(gè)工況的發(fā)熱量及分布；

（3）模型轉(zhuǎn)化，根據(jù)試驗(yàn)電纜的材料、安裝狀態(tài)、表面特性，將試驗(yàn)?zāi)Ｐ娃D(zhuǎn)換為計(jì)算模型，保證計(jì)算模型的光學(xué)特性、熱特性及接觸換熱特性與實(shí)際狀態(tài)相同；

（4）數(shù)值計(jì)算，根據(jù)試驗(yàn)電纜在每個(gè)工況的發(fā)熱量，計(jì)算各個(gè)工況的溫度，通過與試驗(yàn)溫度比較，確定計(jì)算模型的準(zhǔn)確性；

（5）定量評(píng)估，依據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)狀態(tài)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行調(diào)整，去除試驗(yàn)電纜發(fā)熱的影響，計(jì)算各個(gè)工況的溫度，通過與試驗(yàn)溫度比較，得出試驗(yàn)電纜發(fā)熱對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的量值。

5 結(jié)論

在初樣熱平衡試驗(yàn)中，電子設(shè)備常采用結(jié)構(gòu)件替代，設(shè)備熱耗采用電加熱回路模擬。而在初樣及正樣熱平衡試驗(yàn)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(yàn)驗(yàn)證中試驗(yàn)電纜是額外增加的部件，試驗(yàn)電纜發(fā)熱是額外增加的熱源，無法回避。

對(duì)于航天器系統(tǒng)級(jí)及設(shè)備級(jí)熱平衡試驗(yàn)，如果試驗(yàn)具備以下的任何一個(gè)特點(diǎn)，應(yīng)該采取定量分析的方式來詳細(xì)計(jì)算試驗(yàn)電纜發(fā)熱的影響：①試驗(yàn)電纜集中；②試驗(yàn)電流大。

如果試驗(yàn)設(shè)計(jì)無法避免試驗(yàn)電纜集中或試驗(yàn)電流較大的問題，則應(yīng)采取以下措施來減小試驗(yàn)電纜發(fā)熱對(duì)試驗(yàn)正常驗(yàn)證造成的影響：①試驗(yàn)電纜固定在多層外部或?qū)υ囼?yàn)溫度影響很小的區(qū)域；②試驗(yàn)電纜與試驗(yàn)件之間采用多層進(jìn)行熱隔離；③計(jì)算模型修正時(shí)按照實(shí)際狀態(tài)加入試驗(yàn)電纜的影響。

（References）

［1］國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)．GJB1033A-2005 航天器熱平衡試驗(yàn)方法［S］．北京：國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，2006：3-10

Commission of Science，Technology and Industry for National Defence．GJB1033A-2005thermal balance test method for spacecraft［S］．Beijing：Commission of Science，Technology and Industry for National Defence，2006：3-10（in Chinese）

［2］邵興國，劉自軍，譚滄海，等．航天器熱試驗(yàn)外熱流實(shí)施和測(cè)試探索［J］．航天器工程，2007，16（4）：94-98

Shao Xingguo，Liu Zijun，Tan Canghai，et al．Research on heat flux measurement and simulation in thermal balance test of spacecraft［J］．Spacecraft Engineering，2007，16（4）：94-98（in Chinese）

［3］耿利寅，李國強(qiáng)．相機(jī)真空熱試驗(yàn)的紅外籠模擬方法研究［J］．航天器工程，2008，17（3）：62-68

Geng Liyin，Li Guoqiang．A new type IR array used in space camera thermal test［J］．Spacecraft Engineering，2008，17（3）：62-68（in Chinese）

［4］閔桂榮，郭舜．航天器熱控制［M］．2版．北京：科學(xué)出版社，1998

Min Guirong，Guo Shun．Spacecraft thermal control［M］．2nd ed．Beijing：Science Press，1998（in Chinese）

［5］閔桂榮，張正綱．衛(wèi)星熱控制技術(shù)［M］．北京：中國宇航出版社，1991

Min Guirong，Zhang Zhenggang．Satellite thermal control technology［M］．Beijing：China Astronautics Press，1991（in Chinese）

［6］侯增祺，胡金剛．航天器熱控制技術(shù)——原理及其應(yīng)用［M］．北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2007

Hou Zengqi，Hu Jingang．Spacecraft thermal control technology-theory and application［M］．Beijing：China Science and Technology Press，2007（in Chinese）

［7］何知朱．新型熱控材料器件及應(yīng)用［M］．北京：中國宇航出版社，1988

He Zhizhu．New type thermal materials and apparatus and their application［M］．Beijing：China Astronautics Press，1988（in Chinese）

［8］Gilmore D．Spacecraft thermal control handbook［Z］．2nd ed．California：The Aerospace Press El Segundo，2002