試驗電纜發(fā)熱對熱設(shè)計驗證的影響分析

彭方漢 王甜甜 耿利寅 李國強

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

以某遙感衛(wèi)星為例，初樣熱平衡試驗中星內(nèi)電加熱回路共146路，平均每個回路的電流為0．5A，電加熱回路位于星內(nèi)的試驗電纜平均長度為1．5m，計算得到試驗電纜的發(fā)熱量為5．5 W，估算整星溫度升高0．1 ℃～0．2 ℃，試驗電纜發(fā)熱對試驗的影響可忽略。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，則試驗電纜發(fā)熱大于9 W，引起整星局部的溫度波動則不可忽視，上面這種通過定性分析的方式就無法發(fā)現(xiàn)試驗電纜發(fā)熱對試驗局部溫度的影響。

由于試驗電纜發(fā)熱是所有熱平衡試驗驗證過程中存在的一個共性問題，進行系統(tǒng)級或部件級熱平衡試驗設(shè)計時，設(shè)計師均應根據(jù)試驗特點進行試驗電纜發(fā)熱影響的定性或定量分析。本文以我國海洋-2（HY-2）衛(wèi)星散射計探測頭部的初樣熱平衡試驗為例，描述試驗電纜發(fā)熱對試驗溫度造成的顯著影響，通過定量分析進行評估，然后對需要進行試驗電纜發(fā)熱影響定量分析的情形以及定量分析的方法進行討論，最后總結(jié)減小試驗電纜發(fā)熱影響的措施。

2 試驗情況

散射計探測頭部主要由反射器、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個小隔艙，中軸內(nèi)部安裝電機、滑環(huán)等，電子設(shè)備安裝在高頻箱外部以及4個小隔艙中，如圖1～3所示。

圖1 散射計探測頭部構(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)均與真實狀態(tài)相同。

試驗后的預示溫度計算時，計算模型根據(jù)試驗狀態(tài)進行了修正［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］，散熱面的光學特性參數(shù)［8］，結(jié)構(gòu)件之間的導熱參數(shù)、背景熱流的影響等。試驗電纜發(fā)熱的影響進行定性評估，通過估算，試驗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。因此計算模型考慮了各種因素對溫度的影響，模型修正完成后，根據(jù)每個試驗工況的參數(shù)進行了各個工況的溫度計算。

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

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

3 試驗結(jié)果分析

3．1 原因分析

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

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

復核結(jié)果表明，計算模型除了試驗電纜的發(fā)熱量為估算值、且加載區(qū)域與真實狀態(tài)不同之外，其它狀態(tài)均和試驗狀態(tài)一致。因此，試驗溫度偏高可能是由于試驗電纜發(fā)熱引起，試驗電纜發(fā)熱并非如試驗前定性評估那樣小，需要進行詳細的定量分析。

3．2 試驗電纜影響分析

由于轉(zhuǎn)動的限制，散射計探測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。外部電纜的每個電加熱回路與兩個滑環(huán)通道連接，然后對應的滑環(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

散射計探測頭部上的試驗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 試驗電纜固定位置Fig．5 Test cable fixed position

每個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)實測，滑環(huán)導線阻值不小于0．1Ω，引線阻值不小于0．05Ω，因此每個電加熱回路的電纜阻值不小于0．3Ω。

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

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

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

根據(jù)計算結(jié)果，試驗中電纜附加發(fā)熱量為14．9W。由于工作時高頻箱內(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，復核后的計算模型根據(jù)試驗中電纜的位置、固定方式、發(fā)熱量等參數(shù)增加了電纜的計算模型。修正后的溫度計算結(jié)果與試驗結(jié)果的比較見表2，兩者吻合。

分析表明，高頻箱內(nèi)部設(shè)備受試驗電纜發(fā)熱的影響，試驗溫度均比實際溫度高，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的試驗溫度比計算溫度高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 修正后計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較統(tǒng)計Table 2 Comparison between calculated and tested temperatures

3．3 在軌驗證

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

在軌溫度及預示溫度的分析表明，設(shè)備在軌溫度良好，說明散射計探測頭部采用的熱控方案正確、合理；預示溫度與在軌溫度吻合較好，說明修正后的計算模型狀態(tài)與實際狀態(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，通過定量分析評估試驗電纜發(fā)熱影響的效果非常好，同時也說明了試驗前僅通過定性分析不能發(fā)現(xiàn)試驗電纜發(fā)熱對試驗溫度造成的較大影響。

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

4 討論

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

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

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

試驗電流較大可由試驗外熱流或模擬熱耗引起。對于尺寸較大的天線，例如HY-2衛(wèi)星的散射計探測頭部的反射器、輻射計探測頭部的反射器、雷達高度計天線，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總熱耗達到2954 W，環(huán)境減災-1C（HJ-1C）衛(wèi)星的固態(tài)發(fā)射機工作時的熱耗達到790 W，以上設(shè)備在工作時將導致試驗電纜通過的電流非常大。

因此，進行系統(tǒng)級或設(shè)備級熱平衡試驗設(shè)計時，應對試驗特點進行分析，確定試驗電纜發(fā)熱的影響是否需要進行定量分析。進行試驗電纜發(fā)熱影響的定量分析時，主要步驟如下：

（1）問題定位，分析試驗電纜的發(fā)熱特點，確定進行定量分析的必要性；

（2）參數(shù)收集，根據(jù)試驗電纜的設(shè)計組成、詳細布局、試驗電流等信息，計算試驗電纜在每個工況的發(fā)熱量及分布；

（3）模型轉(zhuǎn)化，根據(jù)試驗電纜的材料、安裝狀態(tài)、表面特性，將試驗模型轉(zhuǎn)換為計算模型，保證計算模型的光學特性、熱特性及接觸換熱特性與實際狀態(tài)相同；

（4）數(shù)值計算，根據(jù)試驗電纜在每個工況的發(fā)熱量，計算各個工況的溫度，通過與試驗溫度比較，確定計算模型的準確性；

（5）定量評估，依據(jù)設(shè)計的試驗狀態(tài)對計算模型進行調(diào)整，去除試驗電纜發(fā)熱的影響，計算各個工況的溫度，通過與試驗溫度比較，得出試驗電纜發(fā)熱對試驗結(jié)果影響的量值。

5 結(jié)論

在初樣熱平衡試驗中，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)，試驗驗證中試驗電纜是額外增加的部件，試驗電纜發(fā)熱是額外增加的熱源，無法回避。

對于航天器系統(tǒng)級及設(shè)備級熱平衡試驗，如果試驗具備以下的任何一個特點，應該采取定量分析的方式來詳細計算試驗電纜發(fā)熱的影響：①試驗電纜集中；②試驗電流大。

如果試驗設(shè)計無法避免試驗電纜集中或試驗電流較大的問題，則應采取以下措施來減小試驗電纜發(fā)熱對試驗正常驗證造成的影響：①試驗電纜固定在多層外部或?qū)υ囼灉囟扔绊懞苄〉膮^(qū)域；②試驗電纜與試驗件之間采用多層進行熱隔離；③計算模型修正時按照實際狀態(tài)加入試驗電纜的影響。

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