李慧軍，王林濤，王 威，楊福京

（1.中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

航天器低頻電纜彎曲半徑控制方法

李慧軍1，王林濤1，王 威1，楊福京2

（1.中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

航天器低頻電纜連接可靠性直接關(guān)系到整器產(chǎn)品的性能實(shí)現(xiàn)。文章對電纜使用過程中的彎曲受力情況進(jìn)行了分析，提出了一種電纜彎曲半徑的控制方法，能夠在電纜布局設(shè)計(jì)階段對彎曲半徑不足的電纜分支進(jìn)行識(shí)別并實(shí)施彎曲成型方案。應(yīng)用該方法可使得低頻電纜避免在使用過程中因承受過大應(yīng)力而導(dǎo)致的電纜導(dǎo)線斷裂風(fēng)險(xiǎn)。工程實(shí)踐亦表明該控制方法具有良好的應(yīng)用效果和推廣前景。

航天器；低頻電纜；布局設(shè)計(jì)；彎曲半徑；彎曲成型

0 引言

航天器低頻電纜主要用于航天器各電子設(shè)備間供電與信號(hào)的傳輸，提供與航天器、運(yùn)載火箭及地面測試設(shè)備的電氣連接接口，是航天器的重要組成部分[1]。低頻電纜的可靠連接直接關(guān)系到整器產(chǎn)品的性能和可靠性。在其使用過程中，應(yīng)確保電纜彎曲半徑滿足要求，避免電纜受到異常過大的應(yīng)力影響其連接可靠性。但受艙體結(jié)構(gòu)、周邊安裝空間、電磁兼容性等多種因素制約[2-3]，難免會(huì)出現(xiàn)電纜彎曲半徑難以滿足要求的情況，使電纜在使用過程中承受一定的應(yīng)力，存在使用風(fēng)險(xiǎn)。常用的電纜應(yīng)力消除方法包括利用電纜束自身的柔軟度，或電纜尾罩內(nèi)的應(yīng)力余量等。此類方法只能在電纜安裝敷設(shè)過程中使用，處于最末端的實(shí)施環(huán)節(jié)，約束條件多且往往難以奏效。

本文提出了一種低頻電纜使用過程彎曲半徑的控制方法，將實(shí)施環(huán)節(jié)前移，在設(shè)計(jì)階段通過計(jì)算、仿真、建模等方式對電纜使用過程中的彎曲半徑進(jìn)行復(fù)核，提前識(shí)別出彎曲半徑不滿足要求的電纜，并提出相應(yīng)的彎曲半徑控制方案，最終在電纜研制和安裝敷設(shè)中實(shí)施。

1 電纜彎曲受力分析

電纜在使用中應(yīng)從尾罩處理部位后端 30～50 mm處開始彎折，且電纜彎曲半徑R應(yīng)大于6～10倍電纜束直徑D[4-6]；否則會(huì)對電連接器內(nèi)部導(dǎo)線造成應(yīng)力，如圖1所示。

圖1 電纜彎曲受力分析Fig.1 Analysis for strain distribution of cables

通常有 2個(gè)方法可以釋放電纜使用過程中的應(yīng)力：

1）使用柔軟的電纜束

若電纜選用了普通較為柔軟的導(dǎo)線，同時(shí)各種約束條件限制較小，不需要對電纜進(jìn)行外部包扎處理，則柔軟的電纜束類似于繩子（如圖2所示）。對電纜的一端施加應(yīng)力F時(shí)，應(yīng)力通過繩子本身就已釋放，不會(huì)傳遞到固定繩子的根部，也就是說，電纜尾罩內(nèi)的導(dǎo)線不受力，消除了電纜使用中存在的受力風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 柔軟的電纜束釋放應(yīng)力Fig.2 Stress release of soft cables

2）利用電纜尾罩內(nèi)的應(yīng)力余量

若選用了較硬的屏絞導(dǎo)線束或者電纜在艙外安裝需要進(jìn)行額外的溫控包扎，同時(shí)受安裝空間約束使電纜彎曲半徑較小，則較硬的電纜束類似于棍子（如圖3所示），電纜尾罩內(nèi)導(dǎo)線彎曲形成的應(yīng)力余量類似于繩子。對電纜一端施加應(yīng)力F時(shí)，好比一根棍子的一頭系著軟繩，應(yīng)力直接通過棍子傳遞到軟繩處，再由軟繩將應(yīng)力釋放，不會(huì)傳遞到固定繩子的根部，也就是說，電纜尾罩內(nèi)的導(dǎo)線根部還是不會(huì)受力。

圖3 較硬的電纜束釋放應(yīng)力Fig.3 Stress release of hard cables

但是，這種消除應(yīng)力的方式只能在電纜安裝敷設(shè)階段實(shí)施，而且電纜尾罩內(nèi)的應(yīng)力余量小，并不能完全解決問題。若電纜使用狀態(tài)十分惡劣，電纜承受了較大的外力，將電纜尾罩內(nèi)的應(yīng)力余量完全消耗后的應(yīng)力就無法得到有效釋放，最終仍會(huì)使得應(yīng)力直接作用于電纜束導(dǎo)線根部；當(dāng)導(dǎo)線所承受的外力大于導(dǎo)線或者壓接點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生導(dǎo)線斷線現(xiàn)象。同時(shí)，在電纜最后的安裝階段實(shí)施彎曲半徑控制往往受約束較多，通常要付出較大的代價(jià)才能解決。因此，最佳的解決方式是在設(shè)計(jì)階段將問題提前識(shí)別出來并制定相應(yīng)的解決方案。

2 設(shè)計(jì)階段實(shí)施的彎曲半徑控制方案

以載人航天器為例，電纜研制的常規(guī)工作流程是：1）電氣設(shè)計(jì)師依據(jù)輸入文件（通常是 IDS，即接口數(shù)據(jù)單）開展電纜分支關(guān)系設(shè)計(jì)；2）總裝設(shè)計(jì)師依據(jù)電纜分支開展電纜分支走向及長度設(shè)計(jì)，輸出分支長度要求；3）電氣設(shè)計(jì)師依據(jù)電纜分支關(guān)系開展線徑設(shè)計(jì)、屏絞設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)接設(shè)計(jì)及穿艙設(shè)計(jì)等，輸出生產(chǎn)接點(diǎn)表；4）電纜生產(chǎn)單位按照收到的輸入設(shè)計(jì)文件開展電纜生產(chǎn)工作，并完成交付；5）電纜安裝部門按照輸入的安裝模型進(jìn)行實(shí)施[1,7-8]。

本文提出的設(shè)計(jì)階段電纜使用過程彎曲半徑控制方案，相對于常規(guī)的電纜研制流程，新增了3項(xiàng)工作：電纜束直徑預(yù)估，彎曲半徑復(fù)核及彎曲成型方案設(shè)計(jì)。新的設(shè)計(jì)流程如圖4所示，紅色框內(nèi)即新增工作。該方案將工作重心前移，彎曲半徑不足的電纜由電纜設(shè)計(jì)部門通過計(jì)算、三維建模等方式在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行識(shí)別，并提出相應(yīng)的可消除應(yīng)力的彎曲成型設(shè)計(jì)方案，落實(shí)到電纜生產(chǎn)中，最終電纜安裝時(shí)按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行敷設(shè)，確保徹底消除應(yīng)力。

圖4 電纜彎曲半徑控制設(shè)計(jì)流程Fig.4 Design process for the bend radius control of cables

2.1 電纜束直徑預(yù)估

電纜束直徑預(yù)估工作須在完成全部生產(chǎn)接點(diǎn)表設(shè)計(jì)后進(jìn)行。航天器電纜束規(guī)模一般都很大，不必對全部的電纜束直徑進(jìn)行預(yù)估，可先由總裝設(shè)計(jì)師對電纜進(jìn)行粗識(shí)別，確定彎曲半徑可能不足的電纜分支后，再由電氣設(shè)計(jì)師開展有針對性的電纜束直徑預(yù)估工作。

對于由同種導(dǎo)線構(gòu)成的電纜束直徑計(jì)算，可以等效為若干等圓的外切圓直徑計(jì)算問題。表1給出了導(dǎo)線根數(shù)為2～6根的電纜束直徑計(jì)算結(jié)果；當(dāng)導(dǎo)線根數(shù)超過6根時(shí)，電纜束直徑為[9]

式中：D0為中心層外徑，mm，可根據(jù)中心層導(dǎo)線根數(shù)直接從表1中選取對應(yīng)的數(shù)值；d為單根導(dǎo)線直徑，mm；n為中心層以外的導(dǎo)線絞合層數(shù)。表1匯總了導(dǎo)線根數(shù)為 2～19根的電纜束直徑計(jì)算結(jié)果，其中導(dǎo)線結(jié)構(gòu)排列是指中心層導(dǎo)線根數(shù)+中心層以外的各層導(dǎo)線根數(shù)。

表1 同種導(dǎo)線電纜束直徑計(jì)算結(jié)果匯總Table 1 Outer diameter calculation results of wires of the same kind

電纜束直徑預(yù)估主要考慮的因素包括：

1）導(dǎo)線種類，如普通導(dǎo)線、雙絞線、三絞線、雙絞屏蔽線等；

2）導(dǎo)線根數(shù)，每種導(dǎo)線的根數(shù)；

3）導(dǎo)線線徑，如AWG26～AWG16等；

4）電纜束綁扎情況，如松緊度、外罩屏蔽網(wǎng)、外套護(hù)套等。

考慮上述因素后，電纜束構(gòu)成的排列組合較多，往往是多種類型導(dǎo)線構(gòu)成的復(fù)雜電纜束，如繼續(xù)采用幾何方法計(jì)算，則需要大量的推導(dǎo)并引入復(fù)雜的計(jì)算公式，因此，本文建議采用工程化的近似計(jì)算方式，方法如下：

1）選取典型種類導(dǎo)線，分別按照式(1)的計(jì)算方法結(jié)合實(shí)際測量結(jié)果復(fù)核，得到類似于表1的不同導(dǎo)線根數(shù)的電纜束直徑統(tǒng)計(jì)表；

2）對于由同種導(dǎo)線構(gòu)成的電纜束，可以直接查詢統(tǒng)計(jì)表中結(jié)果得到電纜束直徑；

3）對于由不同種類導(dǎo)線構(gòu)成的電纜束，首先按照導(dǎo)線根數(shù)計(jì)算同種導(dǎo)線構(gòu)成的電纜束直徑D1、D2、D3、……，對于總的電纜束直徑則按照直徑分別為D1、D2、D3、……的不等圓的外切圓進(jìn)行直徑計(jì)算；

4）為簡化計(jì)算，若不同種類電纜束直徑D1、D2、D3、……均較為相近，可直接取其中的較大值為圓的直徑，簡化為若干等圓的外切圓直徑計(jì)算；否則，可先按照直徑大小將導(dǎo)線分類為2～3組，計(jì)算出每組的外切圓直徑后，再計(jì)算這2～3個(gè)不等圓的外切圓直徑作為總的電纜束直徑。

2.2 彎曲半徑復(fù)核

目前，航天器電纜走向設(shè)計(jì)已由傳統(tǒng)的二維布局圖設(shè)計(jì)方式轉(zhuǎn)變?yōu)榛赑ro/E軟件的三維設(shè)計(jì)方式[10-11]。本文基于電纜三維走向設(shè)計(jì)方式，提出了電纜彎曲半徑復(fù)核方法。具體工作流程如下：

1）將電纜分支關(guān)系以電子表格的形式導(dǎo)入到電纜三維設(shè)計(jì)模塊中；

2）軟件根據(jù)電纜分支關(guān)系表格數(shù)據(jù)自動(dòng)匹配起始點(diǎn)，并根據(jù)指定的電纜路徑進(jìn)行布局；

3）根據(jù)給定的線束直徑信息，對電纜直徑進(jìn)行賦值；

4）對已生成的電纜走向模型進(jìn)行彎曲半徑復(fù)核，對于彎曲半徑不符合要求的電纜進(jìn)行走向微調(diào)確保滿足要求；

5）對經(jīng)過調(diào)整后仍無法滿足彎曲半徑要求的電纜分支生成清單，導(dǎo)出進(jìn)行記錄。

2.3 彎曲成型方案設(shè)計(jì)

針對彎曲半徑不足的電纜分支，基于當(dāng)前已完成的電纜三維走向模型開展彎曲成型方案設(shè)計(jì)。彎曲成型方式一般分為3類：1）全部預(yù)彎，即對整根電纜預(yù)彎，長度以預(yù)彎后實(shí)際電纜長度為準(zhǔn)；2）部分預(yù)彎，即以分叉點(diǎn)為界限對部分電纜預(yù)彎，非預(yù)彎部分長度以模型長度為準(zhǔn)；3）局部預(yù)彎，即對插頭附近局部電纜段進(jìn)行預(yù)彎，整個(gè)電纜長度以長度文件為準(zhǔn)。

彎曲成型方案設(shè)計(jì)重點(diǎn)是基于三維模型對處于同一區(qū)域、彎曲半徑不足電纜的彎曲形狀進(jìn)行均一化設(shè)計(jì)，包括：設(shè)定關(guān)鍵位置控制點(diǎn)—定義線束公共綁扎段—統(tǒng)一布線路徑。方案設(shè)計(jì)時(shí)，以各獨(dú)立電纜線束的彎曲半徑參數(shù)為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證單根電纜線束滿足裝配空間約束和制造工藝約束條件，同時(shí)確保存在位置關(guān)聯(lián)的不同電纜線束之間形狀匹配和綁扎受力協(xié)調(diào)。

彎曲成型方案設(shè)計(jì)結(jié)果的輸出形式為經(jīng)該區(qū)域全部線束彎曲參數(shù)修正后的電纜走向三維模型。制造部門從該模型中提取各獨(dú)立電纜線束的彎曲方向、彎曲半徑、安裝固定位置等信息，作為電纜預(yù)彎曲成型加工的依據(jù)，一般使用熱縮套管熱縮成型或者根據(jù)電連接器外形選配彎形尾罩。

3 在航天器上的應(yīng)用

某航天器目視可見的艙外電纜均采取溫控包扎措施，電纜束較硬；同時(shí)受到艙外電纜固定點(diǎn)的約束，部分電纜預(yù)計(jì)無法滿足彎曲半徑的要求。為避免電纜使用過程中受到較大應(yīng)力出現(xiàn)導(dǎo)線斷線的風(fēng)險(xiǎn)，在初樣及正樣階段應(yīng)用了本文提出的電纜使用過程彎曲半徑控制方案。

3.1 線徑預(yù)估

由總裝設(shè)計(jì)師根據(jù)整器設(shè)備布局及電纜三維走向模型，給出了需要預(yù)估直徑的電纜束分支數(shù)據(jù)。電氣設(shè)計(jì)師結(jié)合該型號(hào)電纜下廠接點(diǎn)表，統(tǒng)計(jì)分析出了常用的4種線型，利用式(1)對這4種線型的不同導(dǎo)線根數(shù)的電纜束直徑進(jìn)行了計(jì)算，并進(jìn)行了實(shí)物測量復(fù)核，結(jié)果見表2。

表2 某航天器常用線型電纜束直徑測量結(jié)果Table 2 Outer diameter measurement results for different wires used commonly in a spacecraft

在此基礎(chǔ)上，對于其他線徑的導(dǎo)線如AWG16、 AWG18等，根據(jù)導(dǎo)線外徑的比值進(jìn)行電纜束直徑推算；對于多種類型混合的電纜束，如普通單根導(dǎo)線、雙絞線混合等類型，按照外切圓組合公式進(jìn)行計(jì)算；對于加屏蔽護(hù)套、加溫控包扎措施等的電纜，根據(jù)工程實(shí)際，采用增加經(jīng)驗(yàn)值的方式進(jìn)行估算；考慮多種因素后，最終得出所有電纜束的預(yù)估直徑結(jié)果，并提供給總裝設(shè)計(jì)師。

3.2 彎曲半徑復(fù)核

總裝設(shè)計(jì)師利用軟件完成的電纜三維走向模型開展彎曲半徑復(fù)核工作。首先將電纜束直徑結(jié)果導(dǎo)入到軟件中，完成電纜束直徑的賦值；在軟件中利用模型測量電纜三維模型的彎曲半徑，確認(rèn)是否滿足要求；對不滿足彎曲半徑要求的電纜進(jìn)行模型彎曲半徑參數(shù)調(diào)整，在滿足各方約束條件下確保調(diào)整后的電纜分支彎曲半徑滿足要求；對調(diào)整后仍不滿足要求的電纜分支進(jìn)行記錄，導(dǎo)出清單，開展專項(xiàng)的預(yù)彎成型方案設(shè)計(jì)。

某航天器電纜彎曲半徑復(fù)核過程如圖5所示，采用軟件工具對電纜彎曲形成的內(nèi)切圓半徑進(jìn)行測量，確認(rèn)其是否滿足≥6倍線束直徑的要求。

圖5 電纜轉(zhuǎn)彎半徑復(fù)核過程Fig.5 Verification process of bend radius of cables

3.3 彎曲成型方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過彎曲半徑復(fù)核，共識(shí)別出15個(gè)電纜分支的彎曲半徑經(jīng)過模型參數(shù)調(diào)整后仍然無法滿足要求，須對其開展專項(xiàng)彎曲成型方案設(shè)計(jì)，其中：3個(gè)分支采用部分預(yù)彎設(shè)計(jì)；2個(gè)分支采用局部預(yù)彎設(shè)計(jì)；其余分支均采用全部預(yù)彎設(shè)計(jì)。

該型號(hào)航天器某個(gè)區(qū)域穿艙插座涉及的電纜布局較為集中，同一區(qū)域采用了全部預(yù)彎設(shè)計(jì)，如圖6(a)所示，并采用熱縮套管熱縮成型的工藝方法進(jìn)行實(shí)施，效果見圖6(b)。

圖6 彎曲成型方案設(shè)計(jì)模型及其實(shí)施效果Fig.6 Model of bend forming for cables (a) and its implementation (b)

3.4 應(yīng)用效果

本文提出的電纜使用過程彎曲半徑控制方法在某航天器初樣的艙外電纜設(shè)計(jì)中進(jìn)行了應(yīng)用，這些艙外電纜參加了整船力學(xué)試驗(yàn)，經(jīng)歷了陸運(yùn)、海運(yùn)等多種運(yùn)輸方式，并參與了發(fā)射場合練的全過程，通過了高溫、高濕等惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，所有艙外電纜均未發(fā)生斷線問題。工程實(shí)踐表明該設(shè)計(jì)方法取得了良好的應(yīng)用效果，同時(shí)從應(yīng)用過程分析看，該控制方案具有較強(qiáng)的通用性，便于推廣到其他航天器開展應(yīng)用。

4 結(jié)束語

本文針對彎曲半徑不足、有承受應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)的電纜，提出了一種航天器低頻電纜使用過程彎曲半徑控制方法。在設(shè)計(jì)階段采用計(jì)算、測量等工程方法對電纜束直徑進(jìn)行預(yù)估，利用電纜三維模型對彎曲半徑不足的電纜分支進(jìn)行識(shí)別、形成清單，對處于同一區(qū)域的電纜進(jìn)行彎曲形狀均一化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果以三維模型的形式直接發(fā)布到制造部門進(jìn)行實(shí)施。該控制方法可避免電纜在使用過程中因承受較大應(yīng)力可能導(dǎo)致的電纜導(dǎo)線斷線問題。通過在航天器研制中的工程實(shí)踐，該設(shè)計(jì)方法具有良好的應(yīng)用效果和推廣前景。

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（編輯：張艷艷）

The control of the bend radius of spacecraft low-frequency cables

LI Huijun1, WANG Lintao1, WANG Wei1, YANG Fujing2
(1.Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China; 2.Beijing Spacecrafts, Beijing 100190, China)

The connection reliability of the spacecraft low-frequency cables is directly related to the performance of the space units.The bend strain distribution of the cables is analyzed firstly in this paper.Then a control method of the bend radius of spacecraft low-frequency cables is proposed.The cable branch with an insufficient bend radius can be identified and the bend forming scheme can be applied in the cable layout design phase by using this method.With this method, the low-frequency cables in use are able to avoid the risk of broken wires due to extra stress.Engineering practice shows that this design method turns out good result and is worth promoting.

spacecraft; low-frequency cable; layout design; bend radius; bend forming

TN702.2; V465

：B

：1673-1379(2016)05-0550-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.017

李慧軍（1983—），男，碩士學(xué)位，從事航天器供配電設(shè)計(jì)工作。E-mail: lihuijun_cast@139.com。

2016-05-10；

：2016-09-19

國家重大科技專項(xiàng)工程