潘江江 姜 爽 李海偉

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,北京 100076)

1 引 言

電線電纜是航天器電氣系統(tǒng)中最常用到的產(chǎn)品之一，航天器內(nèi)部電子設(shè)備種類繁多，不同電子設(shè)備之間依靠電線電纜進(jìn)行功率輸送和信號(hào)傳導(dǎo)，所以電纜數(shù)量龐大。而電纜作為不同系統(tǒng)或設(shè)備之間交互的重要接口，電纜的正常使用，對(duì)航天器電氣系統(tǒng)的功能和性能具有重要作用。由于航天器內(nèi)部空間有限，導(dǎo)致電線電纜的布局存在著彎曲、交叉、疊放等現(xiàn)象；同時(shí)航天器運(yùn)行時(shí)受空間環(huán)境因素影響，導(dǎo)致電纜產(chǎn)品的逐漸老化，從而減少電纜使用壽命[1,2]。電纜狀態(tài)不佳將導(dǎo)致各類故障的產(chǎn)生，對(duì)航天器正常運(yùn)行造成不可估量的影響。隨著航天器的發(fā)展，對(duì)航天器在軌時(shí)間提出更長(zhǎng)的要求，且部分航天器提出可重復(fù)發(fā)射使用的需求，因此需要精確掌握電線電纜的使用壽命，對(duì)電線電纜壽命預(yù)測(cè)開(kāi)展研究勢(shì)在必行。

國(guó)內(nèi)航天器設(shè)計(jì)時(shí)，由于運(yùn)載火箭屬于不可重復(fù)使用體制，而在軌運(yùn)行航天器運(yùn)行時(shí)間有限，沒(méi)有過(guò)多的關(guān)注電線電纜的老化及壽命預(yù)測(cè)研究。部分學(xué)者根據(jù)航天器研制經(jīng)驗(yàn)，考慮到熱、電、機(jī)械等航天器上影響電纜壽命的特性因素，通過(guò)簡(jiǎn)單試驗(yàn)，對(duì)單項(xiàng)因素影響情況進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，摸索電纜壽命老化的規(guī)律性，實(shí)現(xiàn)了一定程度上電纜壽命預(yù)測(cè)的理論研究[3]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于航天器電線電纜壽命預(yù)測(cè)研究主要集中于基于經(jīng)驗(yàn)公式的單一應(yīng)力下的壽命模型，其中針對(duì)熱、電壽命模型的研究比較多，開(kāi)展多特征參數(shù)耦合壽命模型研究較少。并且模型設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置多停留在實(shí)驗(yàn)室理論研究階段，對(duì)航天器電氣系統(tǒng)實(shí)際使用環(huán)境因素的影響考慮較少，壽命預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確度較低，難以做到工程應(yīng)用。

2 電纜壽命預(yù)測(cè)模式設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

電纜壽命預(yù)測(cè)需要完成電纜老化機(jī)理、壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、虛擬仿真試驗(yàn)、壽命模型等幾方面研究。首先分析影響航天器電纜壽命的關(guān)鍵因素，結(jié)合已有的加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真試驗(yàn)，進(jìn)行關(guān)鍵因素下電纜的老化機(jī)理研究及電纜失效模式分析，并提取能夠表征壽命的可測(cè)特征參數(shù)，建立反映電纜老化特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；然后搭建有限元仿真模型，開(kāi)展基于力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)的電纜老化虛擬仿真試驗(yàn)方法研究，并搭建虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)，取代加速老化試驗(yàn)，用仿真的方法獲得電纜老化數(shù)據(jù)；最后基于參數(shù)估計(jì)的方法，建立基于力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)的單因素壽命模型以及多場(chǎng)耦合的多因素壽命模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器電纜壽命的預(yù)測(cè)。

航天器電纜壽命模型設(shè)計(jì)方案如路圖1所示。

圖1 航天器電纜壽命模型設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design of spacecraft cable life model

2.2 電纜老化機(jī)理及壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究

2.2.1 電纜老化關(guān)鍵因素影響分析

航天器電氣系統(tǒng)受空間的限制，使得電纜的敷設(shè)錯(cuò)綜復(fù)雜，增加了電纜尤其是絕緣層發(fā)生故障的概率。在航天器飛行過(guò)程中，由于受到空間中的化學(xué)污染、輻射、冷熱、電、振動(dòng)、摩擦、外力等因素的影響，電纜很容易受到損傷，最終導(dǎo)致電纜壽命終止。因此需要對(duì)電纜典型的工作環(huán)境及其造成的損傷類型進(jìn)行分析，基于已有加速老化試驗(yàn)和虛擬仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，明確關(guān)鍵因素對(duì)電纜壽命影響的機(jī)理和規(guī)律及失效模式，提取能夠表征壽命的可測(cè)特征參數(shù)，并確定具有航天電纜特點(diǎn)的壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[4]。

2.2.2 關(guān)鍵因素對(duì)電纜壽命影響機(jī)理和規(guī)律及失效模式分析

航天器在飛行過(guò)程中由于電機(jī)或其他設(shè)備的工作，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致電纜與電纜之間或者是電纜與周圍介質(zhì)材料之間互相摩擦，造成電纜絕緣層摩擦磨損損傷。電纜通過(guò)電流后，工作溫度偏高，以及在航天器飛行過(guò)程中產(chǎn)生的溫差導(dǎo)致電纜表面凝結(jié)成水霧，在電場(chǎng)作用下很容易沿絕緣層細(xì)小裂紋發(fā)展成水樹(shù)枝，在強(qiáng)氧化環(huán)境和輻射作用下，會(huì)使電纜絕緣材料分解老化速度加快直至絕緣性能喪失[5]。

首先結(jié)合電纜實(shí)際的敷設(shè)情況，選取熱應(yīng)力、電應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力等多種因素作為設(shè)計(jì)輸入，開(kāi)展載荷施加情況分析，建立基于熱應(yīng)力、電應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力等多因素初步仿真模型，從而得到不同環(huán)境應(yīng)力與絕緣電阻、特征阻抗等可測(cè)特征參數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。然后向有限元仿真軟件中輸入已知的老化反應(yīng)機(jī)理和分子結(jié)構(gòu)參數(shù)，或者依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估的老化反應(yīng)機(jī)理，結(jié)合加速老化試驗(yàn)(包括增加受熱溫度、施加高壓放電、使用高頻振動(dòng)臺(tái)增大施加振動(dòng)量級(jí)等方式加速電纜壽命老化)，對(duì)所建立的多場(chǎng)耦合仿真模型和加速虛擬仿真試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，電纜老化的機(jī)理和規(guī)律研制方法見(jiàn)圖2所示。

圖2 電纜壽命影響機(jī)理和規(guī)律研究方法Fig.2 Research method of mechanism and rule of cable life

航天器電纜老化機(jī)理研究就是借助已有的加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)(通過(guò)現(xiàn)有文獻(xiàn)或者電纜生產(chǎn)廠家老化數(shù)據(jù)庫(kù)獲得)和基于物理模型的仿真分析，并結(jié)合電纜絕緣材料性質(zhì)的理論研究，分析關(guān)鍵因素對(duì)電纜老化的影響機(jī)理和規(guī)律?；谖锢砟Ｐ偷姆抡娣治鲞^(guò)程：通過(guò)對(duì)航天電纜敷設(shè)結(jié)構(gòu)和方式的分析，在ANSYS中建立有限元仿真模型，分別施加熱應(yīng)力、電應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力載荷，通過(guò)仿真得到在三種應(yīng)力的不同應(yīng)力水平作用下，電纜的絕緣電阻、特征阻抗等可測(cè)特征參數(shù)的變化規(guī)律。

2.2.3 表征壽命的可測(cè)特征參數(shù)的確定及提取方法

通過(guò)對(duì)關(guān)鍵因素影響電纜老化機(jī)理分析，對(duì)比得到能夠明顯表征電纜老化狀態(tài)的可測(cè)特征參數(shù)，“可測(cè)”即要求能夠在實(shí)際工作環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜壽命狀態(tài)的檢測(cè)，并依靠可測(cè)特征參數(shù)的數(shù)值，進(jìn)一步判斷電纜的剩余壽命。

考慮到航天器電纜實(shí)際的工作環(huán)境特點(diǎn)，擬選擇電纜的絕緣電阻和特征阻抗作為表征壽命的可測(cè)特征參數(shù)，在電纜的實(shí)際使用過(guò)程中，不對(duì)電纜產(chǎn)生破壞就可以對(duì)絕緣電阻和特征阻抗進(jìn)行測(cè)量：利用兆歐表可以得到電纜的絕緣電阻，利用反射法可以得到電纜的特征阻抗。根據(jù)加速老化試驗(yàn)及基于物理模型的仿真分析結(jié)果，對(duì)可測(cè)特征參數(shù)進(jìn)行增加或者調(diào)整。

2.2.4 電纜壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究

壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)一般可分為以下幾種：(1)力學(xué)性能指標(biāo)：絕緣材料的力學(xué)性能是評(píng)價(jià)材料在變形和破壞情況下其特性變化的重要指標(biāo)，主要包括斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等；(2)物理性能指標(biāo)：物理性能指標(biāo)是最直觀評(píng)價(jià)試樣老化程度的指標(biāo)，主要包括表觀性能變化、光學(xué)性能等；(3)電學(xué)性能指標(biāo)：電學(xué)性能指標(biāo)是用來(lái)表征電纜絕緣材料電學(xué)性能的特征量，如：絕緣電阻、介質(zhì)損耗、泄漏電流、電纜的電容、電感、載流量等。

基于航天器電纜復(fù)雜的敷設(shè)和工作環(huán)境，將關(guān)鍵因素對(duì)電纜壽命的影響分解成多個(gè)子問(wèn)題，分析每種環(huán)境因素對(duì)應(yīng)的一個(gè)或者多個(gè)壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用基于多元壽命退化機(jī)理的自回歸融合研究方法，建立關(guān)鍵因素影響下的電纜壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，能夠綜合全面的反映出各關(guān)鍵因素對(duì)電纜老化的影響，提供老化終止判定條件。

研究不同評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)部或者外部變量之間的邏輯關(guān)系以及數(shù)據(jù)關(guān)系，采用回歸分析的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如公式(1)所示。

y=f(x1,x2,x3…xn)+ε

(1)

式中：y——電纜壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為因變量；f(x1,x2,x3…xn)——測(cè)量函數(shù)；x1,x2,x3…xn——分別為每種環(huán)境因素所對(duì)應(yīng)的壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)，為自變量(如溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度、振動(dòng)強(qiáng)度等指標(biāo))；ε——試驗(yàn)誤差。

航天器電纜老化機(jī)理及壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 航天器電纜老化機(jī)理及壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究技術(shù)路線Fig.3 Technical route of research on aging mechanism and life evaluation index system of spacecraft cables

2.3 基于多場(chǎng)耦合的電纜老化虛擬仿真試驗(yàn)方法研究

通過(guò)對(duì)航天器電纜敷設(shè)結(jié)構(gòu)和方式的分析，在ANSYS中建立有限元仿真模型，分別施加熱應(yīng)力、電應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力載荷，通過(guò)仿真得到在三種應(yīng)力的不同應(yīng)力水平作用下，電纜的絕緣電阻、特征阻抗等可測(cè)特征參數(shù)的變化情況。

在大多數(shù)情況下，當(dāng)多個(gè)應(yīng)力存在時(shí)，需要考慮多個(gè)應(yīng)力同時(shí)對(duì)電纜的作用影響情況，因此建立多場(chǎng)耦合的多因素仿真模型。考慮到熱應(yīng)力是廣泛存在于不同應(yīng)力耦合模型中，所以針對(duì)多場(chǎng)耦合的多因素影響的模型研究中，主要考慮以下三種類型：熱—振動(dòng)應(yīng)力耦合模型、熱—電應(yīng)力耦合模型和熱—電—振動(dòng)應(yīng)力耦合模型，基于單因素、多因素仿真模型如圖4所示[6]。

圖4 基于單因素、多因素仿真模型Fig.4 Single-factor, multi-factor simulation model

至此，可以通過(guò)仿真得到熱應(yīng)力、電應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力在不同應(yīng)力水平單獨(dú)作用時(shí)，電纜的絕緣電阻、特征阻抗等可測(cè)特征參數(shù)變化情況；也可以得到熱—振動(dòng)應(yīng)力、熱—電應(yīng)力和熱—電—振動(dòng)應(yīng)力的多應(yīng)力同時(shí)作用時(shí)，電纜的絕緣電阻、特征阻抗等可測(cè)特征參數(shù)變化情況。這里的可測(cè)特征參數(shù)根據(jù)加速老化試驗(yàn)結(jié)果可以進(jìn)行調(diào)整和增加。

2.4 航天器電纜壽命模型研究

結(jié)合航天器電纜的典型工作環(huán)境，以及不同環(huán)境因素對(duì)航天電纜壽命影響的機(jī)理分析，建立基于熱學(xué)、電學(xué)和力學(xué)的單因素和多場(chǎng)耦合的多因素壽命模型。在大多數(shù)情況下，當(dāng)多個(gè)應(yīng)力存在時(shí)，電纜的壽命模型并不是多個(gè)應(yīng)力模型的疊加，由于不同的應(yīng)力之間存在相互的影響，在多場(chǎng)耦合情況下需要建立新的壽命模型。

電纜在溫度和振動(dòng)綜合應(yīng)力作用下的實(shí)際退化過(guò)程并不是在溫度和振動(dòng)單獨(dú)作用下的簡(jiǎn)單相加，而是相互促進(jìn)的過(guò)程。在振動(dòng)應(yīng)力引起的微動(dòng)磨損過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱，使絕緣層表面溫度不斷升高，從而加快了氧化物的生成；同時(shí)，絕緣層生成的氧化物，經(jīng)振動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不斷加大微動(dòng)磨損的摩擦系數(shù)，促進(jìn)磨屑的加速生成。

在溫度與電場(chǎng)的聯(lián)合作用下，電纜絕緣材料遭受更為嚴(yán)重的破壞，絕緣老化失效進(jìn)程較快，絕緣材料中的局部放電、介質(zhì)損耗和絕緣材料本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)都會(huì)受到高溫的影響，同時(shí)，溫度的變化也與絕緣中的化學(xué)反應(yīng)速率密切相關(guān)，影響絕緣材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化，進(jìn)而影響絕緣的電氣性能。

在溫度、電場(chǎng)和振動(dòng)三場(chǎng)耦合的影響下，多因素下的協(xié)同效應(yīng)更加明顯，對(duì)電纜絕緣材料的老化影響也更加惡劣，所以同時(shí)考慮熱應(yīng)力、電應(yīng)力及振動(dòng)應(yīng)力的多場(chǎng)耦合作用對(duì)電纜老化剩余壽命模型的影響有重要的意義。

采用與單因素壽命模型對(duì)應(yīng)的方法，分別建立熱—振動(dòng)應(yīng)力、熱—電應(yīng)力和熱—電—振動(dòng)應(yīng)力影響因素與表征壽命的可測(cè)特征參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型以及可測(cè)特征參數(shù)與電纜壽命之間的數(shù)學(xué)模型，從而建立三種耦合應(yīng)力影響下電纜多場(chǎng)耦合的多因素壽命模型，多因素耦合壽命模型技術(shù)路線如圖5所示[7]。

圖5 多因素耦合壽命模型技術(shù)路線Fig.5 Technical route of multi-factor coupled life model

3 壽命預(yù)測(cè)模型功能實(shí)現(xiàn)

由于通過(guò)航天器空間在軌運(yùn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證代價(jià)過(guò)高，故采用實(shí)驗(yàn)室模擬多因素耦合方式進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)模型功能驗(yàn)證，選用常規(guī)模式下的電應(yīng)力、熱應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力等主流因素進(jìn)行測(cè)試。電纜線選用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的55A標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，鍍錫，規(guī)格為AWG 20#線，線徑為1.27mm，芯數(shù)為7芯，所選電纜截面圖和三維圖如圖6所示。

圖6 電纜截面圖和三維圖Fig.6 Sectional and three-dimensional drawings of cables

選定工作電流為1A，工作溫度為40℃，將計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入壽命預(yù)測(cè)模型，不同應(yīng)力下的輸出結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同應(yīng)力的下的輸出結(jié)果Fig.7 Output under different stresses

振動(dòng)應(yīng)力導(dǎo)致了電纜間發(fā)生摩擦，振動(dòng)應(yīng)力載荷施加的結(jié)果導(dǎo)致了電纜絕緣層的磨損。所以這里選用不同絕緣層磨損量級(jí)反映振動(dòng)應(yīng)力程度。同時(shí)選取分布電容作為評(píng)估不同老化情況下的特征參量，建立電應(yīng)力、熱應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力的多因素仿真模型，得到電纜絕緣層磨損量af與分布電容Cf(老化特征量)之間的關(guān)系，多因素耦合與電纜損傷(壽命)關(guān)系如圖8所示。

圖8 多因素耦合與電纜損傷(壽命)關(guān)系Fig.8 Multifactor coupling and cable damage (Life)

針對(duì)以加速老化試驗(yàn)為基礎(chǔ)的剩余壽命預(yù)測(cè)方法的時(shí)間成本損耗大、模型的準(zhǔn)確度受試驗(yàn)環(huán)境的影響等問(wèn)題，提出基于有限元仿真的電纜老化虛擬仿真試驗(yàn)方法，建立多場(chǎng)耦合仿真模型，對(duì)振動(dòng)、電和熱應(yīng)力下電纜的老化規(guī)律進(jìn)行仿真研究[8]。

借助有限元仿真軟件，得到多因素耦合情況下振動(dòng)磨損老化的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比分析找出與電纜壽命的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)值，通過(guò)同條件下的實(shí)物驗(yàn)證，電纜壽命預(yù)測(cè)值基本與實(shí)際應(yīng)用情況相符，模型誤差不超過(guò)5%，具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 電纜網(wǎng)壽命預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證情況

4 結(jié)束語(yǔ)

航天器電線電纜壽命預(yù)測(cè)模型有效解決了多因素耦合情況下的電纜壽命預(yù)測(cè)，減少了電纜故障帶來(lái)的安全隱患以及電纜絕緣故障引起的不良后果，能夠滿足航天器長(zhǎng)期在軌使用以及航天器重復(fù)發(fā)射使用的測(cè)試需求。同時(shí)，壽命預(yù)測(cè)模型中特征參數(shù)提取直觀，特征參數(shù)與電纜老化相關(guān)性分析準(zhǔn)確有效，壽命預(yù)測(cè)模型測(cè)試覆蓋性全面，具有測(cè)試數(shù)據(jù)精度高和多維度因素耦合的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用計(jì)算機(jī)仿真的方式降低了測(cè)試成本，同時(shí)便于測(cè)試結(jié)果的保存和傳輸處理?？傊捎煤教炱麟娋€電纜壽命預(yù)測(cè)模型，開(kāi)展航天器電纜壽命預(yù)測(cè)仿真分析，對(duì)全面監(jiān)測(cè)航天器電氣系統(tǒng)使用狀態(tài)，確保航天器順利飛行具有重要意義。