朱效杰 李慶 孟憲超 顧永坤 周靜
(上海衛(wèi)星工程研究所,上海 200240)
隨著衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展,各種現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法都應(yīng)用于衛(wèi)星設(shè)計(jì)當(dāng)中,衛(wèi)星的種類也多種多樣,如通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星等[1]。不論是哪種類型的衛(wèi)星,電纜網(wǎng)都是衛(wèi)星的重要組成部分,將衛(wèi)星的各個(gè)單機(jī)設(shè)備連接在一起,使其成為一個(gè)完整的整體,各自有序地運(yùn)行。因此,衛(wèi)星的正常運(yùn)轉(zhuǎn)離不開電纜網(wǎng)。然而,電纜網(wǎng)的安全問題也越來越突出,不容忽視。目前,電纜網(wǎng)的安全問題主要存在于設(shè)計(jì)安全、工藝安全、操作安全、數(shù)據(jù)安全這4個(gè)方面。對(duì)于這4個(gè)方面的安全問題,國(guó)內(nèi)外相關(guān)單位現(xiàn)有的解決方法是通常從操作方面著手,不能從多方面、多角度地綜合解決電纜網(wǎng)的安全問題。
為了提高電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)的安全性,本文對(duì)電纜網(wǎng)的安全問題進(jìn)行了分析,從設(shè)計(jì)安全性、工藝安全性、操作安全性、數(shù)據(jù)安全性方面提出了相應(yīng)的解決方法,并且驗(yàn)證了電纜網(wǎng)安全設(shè)計(jì)方法的可行性。
衛(wèi)星電纜網(wǎng)數(shù)字化安全設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)安全、工藝安全、操作安全及數(shù)據(jù)安全4個(gè)方面,如圖1所示。
圖1 電纜網(wǎng)數(shù)字化安全設(shè)計(jì)主要組成部分
衛(wèi)星電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)安全性主要包括:導(dǎo)線的選型、電磁兼容性、導(dǎo)線壓降與散熱要求、電連接器的選型、艙外轉(zhuǎn)動(dòng)電纜安全設(shè)計(jì)以及電纜長(zhǎng)度余量設(shè)計(jì)這幾個(gè)方面。
(1)導(dǎo)線的選型是需要考慮的一個(gè)重要方面。選擇的導(dǎo)線應(yīng)滿足:①空間輻射環(huán)境的要求;②所用導(dǎo)線應(yīng)從航天器用元器件選用目錄中選擇;③導(dǎo)線的線徑應(yīng)與電連接器的焊杯或壓接端子相適應(yīng);④應(yīng)選擇外部有絕緣層的屏蔽電纜。
(2)電磁兼容性是衛(wèi)星電纜網(wǎng)數(shù)字化安全設(shè)計(jì)需要考慮的一個(gè)重要方面,應(yīng)根據(jù)型號(hào)具體要求進(jìn)行電子、電器設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì),并且要盡量減少使用屏蔽線[2],而且所有的屏蔽線應(yīng)該有絕緣護(hù)套,防止自由接地。具體如下:①對(duì)于上升或下降時(shí)間很短的數(shù)字電路,應(yīng)采用屏蔽體多點(diǎn)接地,其它電路采用單端屏蔽接地;②接地線要盡可能短,可以使用一根導(dǎo)線一端焊接在焊片上,另一端與屏蔽體焊接;③利用插頭尾罩出線夾的螺釘,把焊片與尾罩搭接,通過插頭、插座與航天器結(jié)構(gòu)地搭接。
(3)衛(wèi)星電纜網(wǎng)的功率線設(shè)計(jì),需要考慮其導(dǎo)線壓降以及散熱要求。供電回路的線路壓降應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求,功率線應(yīng)盡可能短,以減小導(dǎo)線壓降。單根功率線負(fù)載電流容量應(yīng)考慮散熱因素,包括真空環(huán)境、導(dǎo)線數(shù)量、工作溫度等[3]。主要散熱要求有以下幾點(diǎn):①應(yīng)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)分析,明確功率線的溫升;②功率正負(fù)信號(hào)的隔離設(shè)計(jì);③應(yīng)將功率線敷設(shè)在表面,利于散熱;④在航天器真空環(huán)境試驗(yàn)中,應(yīng)測(cè)量功率線的工作溫度。
(4)電纜端電連接器的選型也是電纜網(wǎng)數(shù)字化安全設(shè)計(jì)需要考慮的另一個(gè)重要因素。主要從以下幾個(gè)方面考慮:①要滿足不同環(huán)境的使用要求;②在比較惡劣的環(huán)境中優(yōu)先選用壓接型電連接器;③供電的電連接器應(yīng)與其它電連接器型號(hào)或規(guī)格區(qū)別開來;④供電的電連接器應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行降額設(shè)計(jì);⑤有剩磁要求的,優(yōu)先選用無磁電連接器[4]。
(5)艙外轉(zhuǎn)動(dòng)電纜安全設(shè)計(jì)考慮要素:①對(duì)于艙外的電纜,應(yīng)根據(jù)熱控仿真結(jié)果和離子防護(hù)要求進(jìn)行防護(hù);②艙外電纜工作溫度應(yīng)在-100~+120℃之間;③艙外電纜經(jīng)受的離子能量最大應(yīng)不超過5eV;④艙外電纜經(jīng)受的輻射總劑量應(yīng)不大于5×108rad;⑤艙外轉(zhuǎn)動(dòng)電纜安裝時(shí),應(yīng)避開轉(zhuǎn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)包絡(luò)區(qū)域;⑥電纜在穿過活動(dòng)部位時(shí)應(yīng)留有適當(dāng)余量,不得使電纜受損或影響活動(dòng)部件正常工作;⑦若活動(dòng)部件附近的電纜綁扎段之間有松散現(xiàn)象,應(yīng)采取加密綁扎;⑧活動(dòng)部件周邊電纜需進(jìn)行防勾掛檢查。
(6)電纜長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)衛(wèi)星上各單機(jī)實(shí)際布局空間以及整星重量要求留出適當(dāng)?shù)挠嗔?。此?還要考慮電連接器插拔操作空間長(zhǎng)度和電纜彎曲長(zhǎng)度,避免導(dǎo)線與電連接器拉得太緊,導(dǎo)致受到機(jī)械拉力,但也不要過度松弛,造成安裝不牢固。電纜長(zhǎng)度余量計(jì)算公式為
(1)
式中:L為含余量的電纜長(zhǎng)度;L1為電纜長(zhǎng)度;p為余量比例;L2為單位長(zhǎng)度;λ為修正系數(shù)。
工藝安全性是電纜網(wǎng)數(shù)字化安全設(shè)計(jì)的重要方面。衛(wèi)星電纜網(wǎng)中最主要產(chǎn)品焊接禁(限)用工藝為每個(gè)焊杯內(nèi)導(dǎo)線芯線的數(shù)量應(yīng)限制在能與焊杯內(nèi)壁整個(gè)高度都相接觸為宜,不宜超過3根,導(dǎo)線芯線總線徑與焊杯內(nèi)徑之比一般為0.6~0.9[5],如圖2所示。若不滿足則將使得焊接部位易產(chǎn)生焊接缺陷,影響衛(wèi)星的可靠性。這里在電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)輸入的電纜接點(diǎn)表中增加校驗(yàn)規(guī)則,通過獲取接點(diǎn)表中兩個(gè)端口的電連接器規(guī)格,匹配電連接器限用規(guī)格表中的導(dǎo)線限用信息規(guī)格,若不滿足給予信息提示。這就使得電纜工藝的檢查工作前移,避免后續(xù)設(shè)計(jì)的返工,影響型號(hào)質(zhì)量和進(jìn)度。
圖2 兩端單機(jī)不同線徑比示意圖
壓接工藝是導(dǎo)線連接的另一種重要工藝。壓接工藝的安全性要特別注意:①端子單側(cè)最多允許壓接2根導(dǎo)線;②導(dǎo)線芯線尺寸、壓接端子尺寸以及壓接工具型號(hào),三者必須匹配正確;③將絞合后的線芯插入到相應(yīng)規(guī)格的壓接端子中,不得有任何彎折;④禁止采用折疊導(dǎo)線芯線的方法來增加導(dǎo)線截面,禁止將一些芯線留在壓線筒外或修剪芯線的方法來減小導(dǎo)線截面積;⑤按壓壓接鉗手柄完成一個(gè)壓接全周期,禁止重復(fù)壓接和重疊壓痕。使用壓接鉗來壓接端子的過程如圖3所示,壓接完成后的端子如圖4所示。
圖3 端子的壓接示意圖
圖4 壓接完成后的端子
在衛(wèi)星電纜從設(shè)計(jì)、工藝到加工、總裝的整個(gè)過程中,操作安全性是一個(gè)不可忽視的方面。衛(wèi)星電纜網(wǎng)數(shù)字化設(shè)計(jì)必須考慮方便操作,衛(wèi)星布局有時(shí)單機(jī)會(huì)布局在中間,單機(jī)上的電連接器方向朝里,操作人員在外側(cè)看不到電連接器的位置,因而當(dāng)操作人員將電纜端電連接器接插到單機(jī)的電連接器上時(shí),會(huì)造成盲插,導(dǎo)致單機(jī)或電纜端電連接器接觸件損壞,甚至導(dǎo)致單機(jī)損壞。
衛(wèi)星是一個(gè)涉及供配電分系統(tǒng)、推進(jìn)分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)等多個(gè)分系統(tǒng)的綜合產(chǎn)品,在進(jìn)行電纜網(wǎng)數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮與其它分系統(tǒng)是否干涉[6]。例如,如果設(shè)計(jì)的電纜路徑與熱控分系統(tǒng)的加熱片干涉了,加熱片會(huì)不斷產(chǎn)生熱能,會(huì)導(dǎo)致電纜在加熱片逐步累積的熱量中受到損傷,甚至失去功能。
電纜生產(chǎn)加工后,在敷設(shè)電纜時(shí)要考慮電纜敷設(shè)的熱設(shè)計(jì)、熱防護(hù)以及電纜網(wǎng)防止短路敷設(shè)。電纜敷設(shè)時(shí)的熱設(shè)計(jì)與熱防護(hù),主要考慮電纜的熱控包扎,如無特殊要求,功率線外部不應(yīng)包扎熱控材料;電纜應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)、火工裝置保持適當(dāng)距離,并采取防熱措施;電纜應(yīng)避開裝有腐蝕性液體或氣體、易燃液體或氣體的單機(jī)設(shè)備或管路;電纜與產(chǎn)生高溫的設(shè)備之間必須有足夠的距離,以避免由于溫度過高,造成電纜的損傷[7]。電纜敷設(shè)時(shí)防止短路的措施主要有:冗余的分系統(tǒng)之間的電纜應(yīng)分開敷設(shè),或采取隔離措施,以避免出現(xiàn)一個(gè)分系統(tǒng)的電纜損傷而影響另一個(gè)分系統(tǒng)的現(xiàn)象;電纜在穿艙時(shí),應(yīng)在電纜外側(cè)包扎絕緣層,并且穿艙孔也要進(jìn)行絕緣保護(hù)以防止損傷電纜;電纜與尼龍底座卡箍接觸面的形狀,應(yīng)該與電纜的形狀一致,而且電纜表面不能出現(xiàn)絕緣層損傷等現(xiàn)象;電纜不能與單機(jī)設(shè)備、管路等有明顯突出尖角的部分接觸,以防止刮傷電纜。
星上帶電電連接器操作安全:衛(wèi)星斷電后,蓄電池組仍處于帶電狀態(tài),對(duì)蓄電池組的功率輸出、單體電壓采樣、均衡電路、火工品母線等功能連接電纜上的電連接器操作為帶電操作。鑒于星上帶電插拔操作的風(fēng)險(xiǎn)性,在絕大多數(shù)情況下禁止帶電操作,但某些操作不得不在帶電情況下進(jìn)行。為了確保蓄電池組帶電操作不會(huì)給星上帶來安全性隱患,應(yīng)采取如下的保護(hù)措施:①蓄電池組操作人員操作前須仔細(xì)閱讀蓄電池使用說明書,熟悉安全操作注意事項(xiàng);②操作人員在對(duì)蓄電池組操作或在電池組所在的艙段操作時(shí),應(yīng)避免用尖、銳等金屬工具碰及電池殼體、電池極柱等;③安裝和拆卸等過程中使用的工具,須采取絕緣處理措施;④對(duì)蓄電池組的帶電電纜進(jìn)行裝拆操作時(shí),應(yīng)遵循“電池端電連接器最先拔下、最后插上”的原則,對(duì)于正、負(fù)分開的電池電連接器,遵循“先插負(fù),先拔正”的原則;⑤蓄電池組電連接器操作前,檢查電連接器插頭與插座編號(hào),需一一對(duì)應(yīng),并確認(rèn)電連接器內(nèi)無多余物;⑥蓄電池裝星后,需加保護(hù)罩對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)塊進(jìn)行保護(hù);⑦蓄電池裝星前,需仔細(xì)檢查電池外殼表面、極柱等處的白漆、膠是否完好,如有脫落,不得裝星使用;⑧長(zhǎng)時(shí)間不電測(cè)時(shí),建議電池從星上拆除,拆除時(shí),需注意避免電纜插頭、散線等金屬物品觸碰電池外殼、極柱等區(qū)域,不從星上拆除時(shí),需定期監(jiān)測(cè)蓄電池電壓并對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充充電,確保電池不過放。
數(shù)據(jù)安全性設(shè)計(jì)是衛(wèi)星電纜網(wǎng)數(shù)字化安全設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要方面。在衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)中,所用的電纜主要有大功率電纜、普通信號(hào)電纜、火工品電纜等類型[8]。大功率電纜電流比較大、通電時(shí)間比較久,普通信號(hào)電纜電流較小,火工品電纜產(chǎn)生瞬時(shí)大電流。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)要將它們分開走向,以避免不同類型電纜之間的電磁干擾。
在電纜卡箍的模型屬性中標(biāo)記卡箍的最大電纜通量的信息,當(dāng)生成的電纜經(jīng)過卡箍或穿艙孔時(shí),分別計(jì)算出每束電纜的直徑信息,根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式,判斷該卡箍經(jīng)過的電纜網(wǎng)的直徑是否超差,從而避免卡箍固定太多電纜而出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象[9]。電纜卡箍處校驗(yàn)公式為
N≥2×
(2)
式中:N為限制通量,單位為mm;Dhar1為第一束電纜的直徑;Dhar2為第二束電纜的直徑;Dharn為第n束電纜的直徑;α為電纜數(shù)量。
隨著整星功率的逐步增大,電纜電磁兼容性也越來越重要。對(duì)于電纜線束的捆扎,除了要求捆扎簡(jiǎn)單可靠、便于拆除,捆扎材料要耐高溫,捆扎寬度一般為3~8mm,捆扎間隔一般200~300mm等基本要求外,還需要對(duì)大功率電纜、普通信號(hào)電纜、火工品電纜等進(jìn)行區(qū)分和識(shí)別,如綁扎線采用顏色標(biāo)識(shí)以區(qū)分功率電纜、普通信號(hào)電纜、火工品電纜等(見表1)。
表1 電纜綁扎線顏色要求
電纜總裝部分的工藝主要涉及電纜捆扎時(shí)輔料明細(xì)表的生成,電纜走向的確定和捆扎順序,功率電纜和艙外電纜的捆扎防護(hù)等。
導(dǎo)線載流能力是線徑選擇最主要的考慮因素,次之為電壓。導(dǎo)線載流能力與單根導(dǎo)線截面積、絕緣層的額定溫度和線纜捆扎的導(dǎo)線數(shù)量有關(guān)[10]。表2為單根導(dǎo)線額定溫度200 ℃的長(zhǎng)期電流通常降額準(zhǔn)則,對(duì)絕緣導(dǎo)線額定溫度為150 ℃、135 ℃和105 ℃的情況,應(yīng)在表2所示降額值的基礎(chǔ)上再分別降額80%、70%、50%。
表2 導(dǎo)線通常降額準(zhǔn)則
在衛(wèi)星實(shí)際研制過程中,運(yùn)用本文所提出的電纜網(wǎng)安全設(shè)計(jì)方法,可以較好地實(shí)現(xiàn)電纜網(wǎng)的安全設(shè)計(jì),具體設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例如下所述。
本實(shí)例中,在設(shè)計(jì)安全方面,電連接器以及導(dǎo)線的選型按照1.1節(jié)設(shè)計(jì)安全性的原則,選擇符合要求的廠家及其產(chǎn)品,根據(jù)導(dǎo)線傳輸?shù)墓δ?選擇單線、雙絞線、三絞線、單屏蔽線或者雙屏蔽線等。導(dǎo)線傳輸?shù)氖瞧胀ㄐ盘?hào)內(nèi)容,所以采用單線。
在工藝安全方面,按照1.2節(jié)工藝安全性的原則,不使用禁限用工藝(見表3)。導(dǎo)線與電連接器焊杯的焊接狀態(tài),如圖5所示,導(dǎo)線與電連接器的焊杯相匹配,焊點(diǎn)均勻、光滑,工藝安全性良好。導(dǎo)線的壓接狀態(tài),如圖6所示,左側(cè)為單線,右側(cè)為雙線,導(dǎo)線的所有線芯均已整齊的插入壓接端子中,導(dǎo)線在壓接部位不存在斷頭或畸形,壓接部位導(dǎo)線無松動(dòng)。
表3 導(dǎo)線焊接與壓接禁限用工藝
圖5 導(dǎo)線與電連接器焊杯焊接狀態(tài)
圖6 導(dǎo)線的壓接狀態(tài)
在操作安全方面,電纜敷設(shè)時(shí),星上操作人員注意按照電纜設(shè)計(jì)路徑,避開熱控加熱片、推進(jìn)管路以及尖銳的部位,以避免損傷電纜絕緣層。如圖7所示,黃色部分是加熱片,白色部分是電纜,電纜從加熱片中間穿過,避開了加熱片。如圖8所示,灰色圓形管路是推進(jìn)管路,白色部分是電纜,電纜從管路一側(cè)走線,避免與管路干涉。
圖7 電纜避開加熱片
圖8 電纜避開管路
電纜的電連接器插拔時(shí),星上操作人員應(yīng)特別注意不要盲插。如圖9所示,側(cè)板上的單機(jī)接插件有朝向里側(cè)的不方便插拔,如果在合艙的狀態(tài)插拔,那么會(huì)出現(xiàn)盲插,可能會(huì)導(dǎo)致電連接器接觸件損壞。為避免盲插,可以將側(cè)板拉開200~300mm,將電纜端電連接器與單機(jī)端電連接器連接,然后再合上艙板。
圖9 單機(jī)電連接器避免盲插
星上操作時(shí),操作人員還要特別注意不要帶電插拔。衛(wèi)星斷電后,蓄電池仍然處于帶電狀態(tài),星上操作人員必須注意不要帶電插拔。如果確實(shí)需要帶電插拔時(shí),要求帶電電連接器的電纜端均需系上黃絲帶或纏繞黃膠帶,作為帶電操作警示,如圖10所示。
圖10 蓄電池避免帶電插拔操作
為了確保鋰離子蓄電池組帶電操作不會(huì)給星上帶來安全性隱患,還要采取如下的保護(hù)措施:①鋰離子蓄電池組操作人員須熟悉安全操作注意事項(xiàng);②操作人員在對(duì)鋰離子蓄電池組操作或在電池組所在的艙段操作時(shí),應(yīng)避免用尖、銳等金屬工具碰及電池殼體;③安裝和拆卸等過程中使用的工具,須采用絕緣處理;④對(duì)蓄電池組的帶電電纜進(jìn)行裝拆操作時(shí),應(yīng)遵循“電池端電連接器最先拔下、最后插上”的原則。
在數(shù)據(jù)安全方面:將大功率電纜、普通信號(hào)電纜、火工品電纜分開布線,如圖11所示。
圖11 不同功能電纜分開布線
圖11中綠色電纜所在路徑為火工品電纜敷設(shè)路徑,紅銅色電纜所在路徑為大功率電纜敷設(shè)路徑,灰色電纜所在路徑為小信號(hào)電纜敷設(shè)路徑,分為3條路徑敷設(shè),而且彼此之間間隔要求為20~30mm。固定電纜的兩卡箍之間距離要求為200~300mm。
衛(wèi)星電纜網(wǎng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常龐大的、復(fù)雜的過程,不但涉及衛(wèi)星供配電、遙測(cè)遙控、熱控等方面,而且還涉及衛(wèi)星的總裝、測(cè)試等方面。安全設(shè)計(jì)是電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容,也是確保電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)成功的前提條件。本文所提出的電纜網(wǎng)安全設(shè)計(jì)方法,可以應(yīng)用于各種類型的衛(wèi)星,為電纜網(wǎng)的安全設(shè)計(jì)及敷設(shè)提供了理論依據(jù)。