胡幗杰,周江,石明,李一帆,劉百麟,楊聞,尹家聰

(中國空間技術(shù)研究院 通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部,北京 100094)

星上功率電纜作為衛(wèi)星供電重要的傳輸通路,其力、熱、接地等規(guī)范化合理設(shè)計是保證衛(wèi)星供電安全的重要措施。當(dāng)前由于基礎(chǔ)研究與試驗數(shù)據(jù)支撐不足,星上功率電纜熱設(shè)計的研究還不夠深入,僅憑設(shè)計師個人經(jīng)驗,通過走向和固定方式設(shè)計實現(xiàn)散熱,設(shè)計水平較為粗放。隨著衛(wèi)星功率提高,功率電纜載流量大幅增加,熱效應(yīng)的影響也愈加凸顯,若電纜工作溫度超過其額定溫度,則其外部的絕緣保護(hù)層會因溫度過高而被熔化,可能導(dǎo)致母線正負(fù)端短路,威脅衛(wèi)星的供電安全。因此,迫切需要進(jìn)行準(zhǔn)確的熱預(yù)示及精細(xì)化的熱安全設(shè)計。不過,衛(wèi)星電纜是比較特殊的產(chǎn)品,其負(fù)載電流、安裝狀態(tài)、捆扎、敷設(shè)和端接方式都會影響到電纜的熱特性及散熱模型,無法用理論分析的方法準(zhǔn)確計算。因此有必要基于地面試驗數(shù)據(jù)建立功率電纜的熱仿真模型,分析不同設(shè)計狀態(tài)功率電纜束的熱效應(yīng),進(jìn)而指導(dǎo)星上功率電纜熱安全設(shè)計。

目前,在衛(wèi)星研制過程中一般將星上功率電纜熱耗等效在敷設(shè)艙板上進(jìn)行熱分析,并根據(jù)熱分析數(shù)據(jù)校核衛(wèi)星艙內(nèi)熱設(shè)計,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)電纜的熱特性,也就沒有進(jìn)行功率電纜的溫度預(yù)示和精細(xì)化的電纜熱設(shè)計,一般通過簡單的走向和固定方式設(shè)計實現(xiàn)散熱,憑經(jīng)驗完成,設(shè)計較為粗放,設(shè)計的校核也缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)的支持。明確電纜的熱特性是開展功率電纜熱預(yù)示和熱設(shè)計的基礎(chǔ)和前提。

針對電纜的熱特性,國內(nèi)外開展了大量研究,但已有的研究主要關(guān)注地面電力系統(tǒng)的電纜,且關(guān)注點在導(dǎo)線本身的熱物性,對航天器的電纜研究較少。相較于電力系統(tǒng)的電纜,航天器電纜一般分束捆扎且外徑較小,敷設(shè)走向也較為復(fù)雜。而電纜的捆扎、敷設(shè)及端接方式都會影響到電纜的散熱模型。此外,地面電纜的散熱方式是對流,而航天器的電纜處在真空環(huán)境中,主要依靠輻射散熱,散熱環(huán)境較地面電纜更為惡劣。在負(fù)載較大的情況下,航天器的電纜溫度明顯高于艙內(nèi)環(huán)境溫度。由于電纜分段捆扎固定,捆扎位置的電纜散熱環(huán)境會更加惡劣。若供電設(shè)備發(fā)生短路或微短路使電纜電流增大,會造成電纜短時間內(nèi)迅速溫升,嚴(yán)重時可能造成電纜的損毀。

基于航天器電纜的特殊性,電力系統(tǒng)電纜的研究可借鑒意義不大。航天器電纜熱相關(guān)的研究較少。張沛等[1]開展了真空環(huán)境下航天器電纜溫升模型試驗研究,得到了電纜溫升與導(dǎo)線電流、環(huán)境溫度之間的關(guān)系,并針對電纜溫升曲線的特點辨識出了電纜溫升模型。朱劍濤等[2]開展了功率電纜熱特性的簡化理論計算,在忽略電纜束與結(jié)構(gòu)板之間導(dǎo)熱及電纜束沿其軸向?qū)岬那疤嵯碌玫搅穗娎|束外皮溫度的簡化理論模型,并給出了電纜走向和固定方式的定性建議。耿利寅等[3]開展了星上大功率電纜發(fā)熱對熱設(shè)計的影響分析,通過對比電纜所在艙段內(nèi)設(shè)備溫度計算結(jié)果與在軌實測數(shù)據(jù),分析了電纜發(fā)熱對其所在艙段熱設(shè)計結(jié)果的影響。其研究的關(guān)注點在于電纜發(fā)熱對設(shè)備溫度的影響。簡亞彬等[4]開展了通信衛(wèi)星真空熱試驗測試電纜集中控溫方法研究,針對真空熱試驗中有效載荷的部分測試電纜工作溫度超出正常區(qū)間導(dǎo)致電纜相位特性發(fā)生極大躍變的問題,提出了測試電纜集中控溫方法。其研究中推導(dǎo)了簡化的單根電纜理論熱模型,分析了電纜芯與外表面的溫差。

綜上所述,國內(nèi)外大量電纜熱特性的研究關(guān)注地面電力系統(tǒng)電纜,現(xiàn)有對航天器電纜的研究較少,主要關(guān)注在單根電纜的熱特性且以簡化分析為主,未對電纜捆扎、安裝狀態(tài)等熱影響進(jìn)行詳細(xì)研究,也沒有給出電纜束的溫度預(yù)示。

近年來,隨著DFH-5、DFH-4E等新型大功率衛(wèi)星平臺的開發(fā)和應(yīng)用,星上功率電纜的載流量大幅增加,熱安全性問題凸顯,因此需要對功率電纜特別是成束捆扎的電纜束進(jìn)行準(zhǔn)確熱預(yù)示和熱效應(yīng)分析,以指導(dǎo)功率電纜進(jìn)行規(guī)范合理的熱安全設(shè)計。本文基于地面熱試驗數(shù)據(jù)獲取功率電纜不同捆扎及安裝方式的傳熱參數(shù),以此建立熱仿真模型,得到功率電纜的熱預(yù)示和電纜束捆扎的熱效應(yīng),可作為星上功率電纜在軌溫度預(yù)示和精細(xì)化敷設(shè)設(shè)計的重要基礎(chǔ)。

1 星上大功率電纜束熱環(huán)境分析

星上大功率電纜主要包括太陽翼驅(qū)動機構(gòu)(SADA)到電源控制器(PCU)之間、PCU到蓄電池之間以及PCU到各主要負(fù)載之間的功率電纜,其中SADA到PCU之間功率電纜的載流量最大,熱耗最高。

為了便于電纜敷設(shè)和固定,星上功率電纜一般成束捆扎。影響功率電纜溫度的熱環(huán)境因素主要包括:功率電纜自身發(fā)熱量、同束其他電纜的發(fā)熱量及同束電纜間的熱影響、功率電纜支架及安裝艙板的熱影響、功率電纜敷設(shè)路徑上設(shè)備及艙板的熱影響。

1) 功率電纜自身發(fā)熱量

功率電纜發(fā)熱量由功率電纜的電流和電阻決定,計算公式為

Q=I2R

(1)

式中:I為通過功率電纜的電流值,一般會隨負(fù)載的變化而變化;R為功率電纜的電阻值,與線型及電纜長度有關(guān)。

考慮到新型大功率衛(wèi)星的功率電纜載流量大幅增加,本文取功率電纜電流值80 A。電纜優(yōu)先選用0812-8線型[5],單根導(dǎo)線直徑5 mm。

2) 同束電纜間的熱影響

功率電纜一般通過綁線綁扎,獨立成束,同時在電纜通過設(shè)備棱邊、金屬支架棱邊、緊固件的位置包覆熱縮布,以實現(xiàn)電纜的二次絕緣保護(hù)。

同束電纜綁扎點和包覆位置緊密接觸,因此,同束電纜間會通過接觸換熱實現(xiàn)熱量傳遞。同束電纜的換熱路徑和等效熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 同束電纜換熱模型示意圖

圖中Tin為發(fā)熱功率電纜的線芯溫度;T1為發(fā)熱功率電纜絕緣皮外表面溫度;T2-i為第i根相鄰電纜接觸位置的溫度;Tout-i為第i根相鄰電纜的外側(cè)溫度;Tenv為外部環(huán)境溫度。R1為發(fā)熱功率電纜絕緣皮的導(dǎo)熱熱阻,計算公式為

(2)

式中:r1為發(fā)熱功率電纜線芯半徑;r2為發(fā)熱功率電纜半徑;k為發(fā)熱功率電纜絕緣皮熱導(dǎo)率;l為發(fā)熱功率電纜長度。

Rci為發(fā)熱功率電纜與第i根相鄰電纜的接觸熱阻,計算公式為

(3)

式中:Aci為發(fā)熱功率電纜與第i根相鄰電纜的接觸面積;hci為發(fā)熱功率電纜與第i根相鄰電纜的接觸換熱系數(shù),與接觸壓力、電纜絕緣皮的表面狀態(tài)有關(guān),綁扎處的壓力一般約103kPa。

R2-i為第i根相鄰電纜的內(nèi)部熱阻,考慮到金屬線芯熱導(dǎo)率高,簡化分析忽略線芯內(nèi)部熱阻及線芯與絕緣皮接觸熱阻,得到其計算公式為

(4)

式中:Di為第i根相鄰電纜線徑;di為第i根相鄰電纜線芯直徑;ki為第i根相鄰電纜絕緣皮熱導(dǎo)率;li為第i根相鄰電纜長度。

Rr-i為第i根相鄰電纜與外部環(huán)境的輻射熱阻,計算公式為

(5)

式中:εi為第i根相鄰電纜的表面紅外發(fā)射率;Ai為第i根相鄰電纜的表面輻射面積;Xi,env為第i根相鄰電纜對外部環(huán)境的角系數(shù);εenv為外部環(huán)境的表面紅外發(fā)射率;Aenv為外部環(huán)境的表面輻射面積;σ為波爾茲曼常數(shù),其值為5.67×10-8W/(m2·K4)。

基于單位長度0812-8線型的電纜參數(shù)計算得到傳熱路徑上各熱阻值如表1所示?？梢钥吹皆诎l(fā)熱功率電纜綁扎在電纜束內(nèi)部的情況下,相鄰電纜間的接觸熱阻和外圍電纜與外部環(huán)境的輻射熱阻是傳熱路徑上的最大熱阻,也是影響同束電纜間換熱的最主要因素。

表1 同束電纜傳熱路徑上各熱阻估算值(單位長度)

3) 安裝艙板的熱影響

在布局空間允許的條件下,在艙板上固定功率電纜束優(yōu)先考慮使用尼龍底座,尼龍底座的材料一般為尼龍1010。在布局空間緊張的情況下,可選用T型支架固定,T型支架的材料一般為2A12 T4。功率電纜通過扎帶與尼龍底座和T型支架固定,尼龍底座和T型支架通過TB3鈦合金螺釘與艙板固定。在固定位置之間的功率電纜一般貼近艙板走線。

因此,在固定位置功率電纜與安裝艙板通過扎帶、支架等接觸環(huán)節(jié)實現(xiàn)熱量傳遞;貼近艙板走線的電纜段通過與艙板的直接接觸實現(xiàn)熱量傳遞。

4) 功率電纜敷設(shè)路徑上設(shè)備及艙板的熱影響

功率電纜敷設(shè)路徑上的設(shè)備和艙板通過熱輻射與功率電纜進(jìn)行熱交換。輻射換熱量與功率電纜、設(shè)備和艙板的表面紅外發(fā)射率和溫度有關(guān)。星內(nèi)設(shè)備和艙板的表面紅外發(fā)射率一般不低于0.8。

2 電纜束熱模型

本文以SADA到PCU之間功率電纜為對象采用NX/TMG軟件進(jìn)行大功率電纜溫度場建模分析。根據(jù)第1節(jié)對功率電纜束的熱環(huán)境分析,電纜束熱模型應(yīng)包括南/北SADA到PCU之間的功率電纜及與其有熱交換關(guān)系的星體、設(shè)備,具體包括服務(wù)艙南儀器板、推進(jìn)艙西隔板、推進(jìn)艙南隔板及其上安裝的設(shè)備,服務(wù)艙南/北電池板、南/北中板,推進(jìn)艙中板,載荷艙南板、北板、水平板及隔板,對地板,背地板以及中心承力筒等。

為了在熱分析模型中真實反映功率電纜特別是成束捆扎的電纜束的熱特性,同時便于分析計算,在熱仿真建模中參照以下主要原則和簡化假定:

1) 將南/北SADA到PCU之間的功率電纜分別簡化為3個分束,電纜束的走向和連接關(guān)系按實際實施情況建模;

2) 每個電纜分束的熱物性根據(jù)表1給出的熱阻值及實際的電纜實施情況進(jìn)行折算;

3) 電纜分束間的接觸換熱關(guān)系按實際實施情況設(shè)置,電纜固定位置的熱交換按實際實施情況折算為電纜與安裝艙板間的接觸換熱關(guān)系;

4) 電纜束捆扎位置模型應(yīng)適當(dāng)細(xì)分;

5) 與電纜有輻射換熱關(guān)系的設(shè)備、艙板等模型應(yīng)保持幾何形狀的真實性;

6) 忽略艙內(nèi)電連接器、設(shè)備的安裝螺釘及推進(jìn)劑管路。

建立的電纜束熱分析模型如圖2所示。

圖2 熱分析模型示意圖

基于0812-8線型的熱物性,熱分析模型中功率電纜線芯熱導(dǎo)率取430 W/(m2·K),功率電纜外表面紅外發(fā)射率取0.8。艙內(nèi)設(shè)備外表面以及未安裝設(shè)備的裸露艙板內(nèi)表面紅外發(fā)射率取0.8。

熱模型中主要的接觸傳熱關(guān)系包括:捆扎處電纜束間的接觸換熱、電纜與電纜支架或尼龍底座及其與艙板間的接觸換熱、設(shè)備與艙板間的接觸換熱。

捆扎處電纜束間的接觸換熱系數(shù)是電纜束熱模型的關(guān)鍵參數(shù),需根據(jù)熱試驗數(shù)據(jù)得到。電纜與電纜支架或尼龍底座通過扎帶加壓連接,電纜支架或尼龍底座與艙板通過螺栓連接,按照TRW公司給出的設(shè)計指導(dǎo)數(shù)據(jù)[6-7]接觸傳熱系數(shù)分別取50和100 W/(m2·K)。貼近艙板走線的功率電纜與艙板間為無緊固件的直接接觸,接觸換熱系數(shù)取10 W/(m2·K)。設(shè)備與艙板通過螺栓連接,并在安裝界面填充導(dǎo)熱填料,根據(jù)相關(guān)試驗研究[8-9]接觸傳熱系數(shù)取1 000 W/(m2·K)。

3 電纜束熱仿真結(jié)果及試驗驗證

為了獲得捆扎處電纜束間的接觸換熱系數(shù),并驗證建立的電纜束熱模型,開展了功率電纜地面真空熱試驗。試驗中電纜周邊設(shè)備及艙板按定溫控制,同時通過調(diào)節(jié)負(fù)載功率控制功率電纜的電流及對應(yīng)的熱耗。試驗在2組不同的工況下進(jìn)行,2組工況中服務(wù)艙儀器板、電池板、推進(jìn)艙及PCU、動量輪等平臺設(shè)備的溫度基本相同,設(shè)置不同的載荷艙溫度和電纜熱耗,如表2所示。

表2 功率電纜地面真空熱試驗工況

試驗中南、北SADA到PCU之間共6束功率電纜從PCU引出后合束綁扎,穿過中板南側(cè)穿艙孔后分為南側(cè)3束和北側(cè)3束分開敷設(shè)。為了更全面地監(jiān)測整個電纜束的溫度,共設(shè)置9個溫度監(jiān)測點,具體位置信息如表3所示,其中南側(cè)監(jiān)測點1和2分別在南SADA到PCU之間的3束功率電纜捆扎處的中心和外側(cè),以監(jiān)測電纜束捆扎對電纜的熱影響。表3同時給出了2組工況各溫度監(jiān)測點的試驗結(jié)果。

表3 功率電纜各溫度監(jiān)測點位置及試驗結(jié)果

以工況1的試驗結(jié)果作為基準(zhǔn),對文中建立的電纜束熱模型進(jìn)行標(biāo)定,得到捆扎處電纜束間的接觸換熱系數(shù)約為80 W/(m2·K)。采用文中所述建模方法及熱參數(shù)取值的電纜束熱模型得到上述2組工況條件下功率電纜各測點的溫度仿真結(jié)果,與試驗結(jié)果的比對如圖3所示。

圖3 功率電纜各測點溫度仿真結(jié)果與試驗結(jié)果比對圖

從圖中可以看到,各測點仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。由于工況1是標(biāo)定電纜束熱模型的基準(zhǔn),因此工況2仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的整體偏差是評價電纜束熱模型準(zhǔn)確性的依據(jù)。整體偏差的定量指標(biāo)是平均溫度偏差ΔTmean和標(biāo)準(zhǔn)偏差σ,定義為

式中:TMi為溫度測量值;TPi為溫度計算值;N為溫度監(jiān)測點的數(shù)量。

統(tǒng)計分析工況2功率電纜各溫度監(jiān)測點的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果,得到電纜束熱模型仿真結(jié)果與試驗結(jié)果比對的平均溫度偏差約為0.59℃,標(biāo)準(zhǔn)偏差約為1.38℃。滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的平均溫度偏差不大于2℃、標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于3℃的要求,因此文中建立的電纜束熱模型經(jīng)試驗驗證,與試驗狀態(tài)一致。

4 電纜束捆扎熱效應(yīng)分析

對比2組工況南側(cè)測點1和南側(cè)測點2的溫度可以看到,捆扎處電纜束的中心和外側(cè)有明顯的溫度差,且溫差隨電纜熱耗的增加而增大。因此電纜束捆扎會提升中心電纜的溫度,特別是在電纜電流和熱耗比較大的情況下。

為了進(jìn)一步分析電纜束捆扎的熱效應(yīng),文中還模擬了工況2條件下南、北SADA到PCU之間的功率電纜從PCU引出后至中板南側(cè)穿艙孔段為分束狀態(tài)的電纜溫度,如圖4所示。

圖4 工況2分束狀態(tài)功率電纜溫度云圖

從圖中可以看到,分束狀態(tài)的電纜最高溫度為63.45 ℃,比合束狀態(tài)的最高溫度73.8 ℃降低了約10 ℃。對比捆扎處中心和外側(cè)的溫差(工況2約為3 ℃),分束狀態(tài)的降溫效果更加顯著。這是由于分束狀態(tài)下,除了改變原捆扎處內(nèi)外傳熱的影響外,各分束電纜還增強了與附近艙板、設(shè)備的輻射換熱,從而改善了功率電纜的散熱條件。

因此,根據(jù)文中的熱仿真分析結(jié)果可以得到電纜束捆扎的熱效應(yīng)主要包括:①電纜束捆扎會增加捆扎處電纜束內(nèi)外電纜的傳熱熱阻,星上常規(guī)捆扎工藝對應(yīng)的接觸換熱系數(shù)約為80 W/(m2·K),可根據(jù)電纜束和綁線的尺寸換算傳熱熱阻;②電纜束捆扎會削弱內(nèi)部電纜與周邊環(huán)境的輻射換熱,對于大功率電纜束,中心電纜溫度水平較高,削弱輻射換熱對溫度的影響效應(yīng)更強。上述對電纜束捆扎熱效應(yīng)的分析可作為細(xì)化功率電纜敷設(shè)、走向設(shè)計的重要依據(jù)。

5 結(jié) 論

本文研究了影響衛(wèi)星大功率電纜溫度的熱環(huán)境因素,提出了星上功率電纜束的熱分析建模方法,并基于地面試驗數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了標(biāo)定,驗證了模型的準(zhǔn)確性。采用建立的熱分析模型,文中還通過模擬電纜分束和合束捆扎的溫度場定量分析了電纜束捆扎的熱效應(yīng),結(jié)果表明增強電纜與周邊環(huán)境的輻射換熱是改善電纜束散熱條件最有效的手段。