衛(wèi)星用綜合電纜的設計與制造

喬偉男 王亞賓 高福剛 楊德亮 閔 峻 邱小萍

（1、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海201210 2、江蘇創(chuàng)仕瀾傳輸科技有限公司，江蘇 常州213017）

隨著近些年我國航空航天領域的高速發(fā)展，衛(wèi)星發(fā)射已經(jīng)逐漸產(chǎn)業(yè)化商業(yè)化，發(fā)射密度持續(xù)增大，在衛(wèi)星的研制生產(chǎn)過程中，對衛(wèi)星制造和裝配效率提出了更高的要求。同時衛(wèi)星內(nèi)部電氣設備越來越多，性能要求也越來越高，所需要的電纜種類也日漸豐富。常規(guī)的電纜已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有的需求，因此我們需要研制一款新的衛(wèi)星用發(fā)射地面測試綜合電纜。此電纜在滿足屏蔽性能好、環(huán)境性能優(yōu)異的基礎上，還具備集成化特點-同時具備電源、信號、數(shù)據(jù)傳輸能力，在衛(wèi)星裝配效率具有顯著優(yōu)勢，同時還能減小了重量和外徑。

1 性能要求

該電纜在使用功能上要求簡單統(tǒng)一，安裝便捷；在結(jié)構(gòu)特點上，要求電纜具備集成性，同時具備電源、信號、數(shù)據(jù)傳輸能力，使得整體結(jié)構(gòu)合理穩(wěn)定，外徑最小，還需要根據(jù)實際使用情況進行預分支處理；同時還要滿足電纜對復雜惡劣環(huán)境的適應，要求電纜具有優(yōu)良的阻燃性能、低毒或無毒氣體釋放、具備優(yōu)異的耐磨性能；還需要具備良好的電磁屏蔽性能，保證信號傳輸?shù)目煽啃?；此外還需要保證電纜的功率傳輸單元的散熱能力。

2 結(jié)構(gòu)設計

在認真解讀需求的基礎上對電纜進行了合理化設計。

2.1 FTF46PJ-96 主纜的設計

電纜結(jié)構(gòu)設計的關鍵在于保證電纜性能優(yōu)異的同時，還要求能達到最小電纜外徑，并且保證產(chǎn)品質(zhì)量以及能夠降低電纜制造成本。

FTF46PJ-96 綜合電纜由三種規(guī)格的單元電纜組成。如表1所示。

表1 物料表

其中A 單元為FF46-2 2×19×0.16；B 單元為FF46P21-2 2×19×0.16；C 單元為FF46-2 2×19×0.26，通過計算仿真設計，最終確定了FTF46PJ-96 電纜的結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。也就是將4 根A 單元線芯絞合成纜后放在電纜中心；11 根A 單元線芯緊貼中心絞合，將剩余14 根C 單元線芯放在纜芯外圈層層包裹，由于C 單元采用19×0.26 的線芯，較AB 單元而言外徑更大，放置于中心則不利于散熱，故此應放在外層；為了防止電磁屏蔽干擾，所以在B 單元成纜后增加了鍍銀銅絲編織屏蔽，可以減少相互摩擦，破壞相鄰電纜，且放置于最外層有利于散熱，與剩下的C 單元交叉排列，確保工作溫度合理。這樣的排布使得電纜最終成為一個規(guī)整的圓，圓形結(jié)構(gòu)可以使電纜使用率最大,傳輸電流最多, 耐壓,容易保護,方便彎曲，并且可減小電纜外徑，易于加工從而達到降低電纜制造成本的目的。在考慮屏蔽性能時，我們將雙絞信號線做單獨屏蔽，整根電纜做整體屏蔽再加護套，這樣的結(jié)構(gòu)可以保證電纜中信號穩(wěn)定的傳輸，使得電纜性能更佳，有效的隔絕了部分外來因素的影響。

圖1 綜合電纜的結(jié)構(gòu)

在護套材料選用上，采用了聚氨酯材料作為外護套的電纜：一方面由于次電纜為地面測試用電纜，環(huán)境惡劣，使用要求較高所以護套材料需要防水防潮，且聚氨酯長期使用后不會老化變硬具備高耐磨損性能，不會使電纜性能降低，也可在低溫環(huán)境中也能正常運行；另一方面是由于聚氨酯材料與PVC、PE等橡膠材料性能相似，可熔融擠出且不需硫化，可以通過調(diào)整擠出時的溫度來達到不同的材料性能。綜合考慮以上要求，我們采用了聚氨酯材料作為外護套的電纜。

2.2 FTF46PJ-96 分支的設計

在主纜設計完成后，我們進行了分支電纜的設計，如圖2。預分支電纜是在生產(chǎn)主干電纜時按設計圖紙預制分支線的電纜，是近年來的一項新技術(shù)產(chǎn)品，具有防水防潮、降低安裝成本、便于施工等性能。

圖2 綜合電纜分支的結(jié)構(gòu)

首先，將電纜的外護套1 米處剝離，將該段編織層翻轉(zhuǎn)至未剝離的電纜一側(cè)，在將分支中的電纜束好，套入編織套與主體有效的連接，并將各分支用熱縮管束好。使用“一分三”手指套套入分支和主體電纜，在主體電纜處用高壓防水自粘膠帶綁扎至合適尺寸，然后將手指套熱縮并在相應的位置做好相應的記號。

在熱縮套管的處理上，我們選用了環(huán)保型PET“一分三”手指套熱收縮套管。一方面是為了完整將主纜過度到分支線；另一方面是PET 熱縮管不管是從耐熱性、電絕緣性能、機械性能上都大大超過傳統(tǒng)的PVC 熱收縮套管，且在使用上與統(tǒng)的PVC熱收縮套管并無區(qū)別；更主要的是PET 熱收縮套管更為環(huán)保，具有無毒性，易于回收，對人體和環(huán)境不會產(chǎn)生毒害影響；最后PET 熱縮管材質(zhì)輕盈、成本低廉、具有優(yōu)異的清晰度且極其牢固、吸水性弱。

綜合考慮上述要求，我們采用了環(huán)保型PET“一分三”手指套熱收縮套管來做分支線的處理，也可以有效的達到防水防潮的特點。如圖3 所示。

圖3 綜合電纜實物示意圖

FTF46PJ-96 綜合電纜是長電纜模式，采用壓降處理可多顆衛(wèi)星并行測試- 同時具備電源、信號、數(shù)據(jù)傳輸能力，在衛(wèi)星裝配效率具有顯著優(yōu)勢。

3 關鍵工序工藝要點

圖4 FTF46PJ-96 綜合電纜的生產(chǎn)工藝流程

根據(jù)所設計的FTF46PJ-96 綜合電纜的結(jié)構(gòu)制定了電纜生產(chǎn)工藝流程，如圖4 所示。

3.1 絕緣擠出

FEP 材料具有穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，有著極好的化學穩(wěn)定性和電氣性能，加工工藝性能佳，所以選用FEP 作為電纜的絕緣層。

在材料擠出前需要將線芯預熱，一方面可以去除線芯上的雜質(zhì)，使其變得堅硬一些，更容易通過擠塑模具，另一方面預熱過的線芯擠出時更容易使FEP 材料均有的附著在線芯上。絕緣擠出采用半擠管式模芯模套，在導體上直接進行。由于FEP 材料的熔融粘度和優(yōu)異的拉伸性能，所以采取擠管式模具。一般來說模芯模套的拉伸平衡比DRB 通常在1.05（0.9-1.1）左右。確定正確的配模比和拉伸比，可以使得擠出錐度達到理想長度。熔融錐體長度太長將導致較大的擠出線變化；熔融錐體太短，將會導致錐體的斷裂；過大的配模比會產(chǎn)生大的剪切速率，使電纜表面粗糙、無光澤、線徑外觀凹凸不平；過小的配模則過導致電纜線徑不穩(wěn)定。結(jié)合我們的長期實踐經(jīng)驗，通過拉伸比和拉伸平衡計算公式優(yōu)化選取模芯模套，達到提高生產(chǎn)率的目的。

綜上所述采用模芯選用φ1.5/φ3.0，模套選用φ5.0。實際擠出過程中的錐度如圖5 所示。

為了保證芯線的絕緣強度和耐電壓性能，芯線絕緣的同心度應不小于85%，合適的同心度可以有效防止偏芯或擊穿的發(fā)生，芯線同心度如圖6 所示。

3.2 成纜繞包

電線采用同心絞合成纜，相鄰層同向絞合，最外層反向絞合即右向絞合。成纜時不使用填充，并且在絕緣線芯成纜后包繞布帶，使線纜更為圓整：保證了電纜使用率最大并且可減小電纜外徑，易于加工節(jié)省成本。

電纜繞包可有效的防止纜芯在彎曲時松散或變形、露出部分纜芯，以確保纜芯的圓整和緊密。因此，就要求繞包帶具有較高的抗張強度和較低的伸長率。而無紡布與PVC 帶相比，具有高抗張強度、低伸長率、性能穩(wěn)定、價格便宜等優(yōu)點，能極大程度的降低了成本還能保證產(chǎn)品的性能，因此本項目選用無紡布作為成纜后的最終繞包帶材料，一般繞包搭蓋率為25%～35%。

圖5 擠出錐度

圖6 同心度

3.3 編織

本項目采用鍍銀銅絲編織：為使電纜具有防電磁干擾的屏蔽作用、消除電纜表面電位的屏蔽作用以及安全保護的屏蔽作用。

編織密度是指被線股遮蓋的表面與整個被編織電線電纜產(chǎn)品表面之比。當編織密度過小時，編織層則出現(xiàn)縫隙，密度越小，縫隙的寬度也就越大；選取合適的密度，編織層將無縫隙。一般情況，編織密度范圍在50%～90%之間。根據(jù)我們實踐經(jīng)驗應選擇編織密度≥85%，且編織屏蔽可以接頭，但接頭應不影響成品電纜的尺寸和性能。在編織層的任何點，不能有多于1 錠的拼接。且屏蔽線應排列均勻、整齊，無扭結(jié)、無漏編、磨損、刮傷；屏蔽線鍍層應光滑、連續(xù)；屏蔽層應無鼓包、銹蝕和氧化。

P=（2×p-p2）×100

=（2×0.62-0.622）×100

=85.36%

其中：P：編織總密度

p：單向覆蓋率（編織系數(shù)）

編織角度：股線的方向與電纜軸線方向的夾角；一般要求在18-40°之間，根據(jù)編制角度計算公式計算出選用合理的編織工藝和角度，實際編織角度示意圖如圖7 所示。

α=arctg[h/(D0+2dπ)×180/π

=arctg[15.85/(2.64+2×0.1π)×180/π

=29.5°

其中：α：編織角度

h：編織節(jié)距

D0：編織前徑

d：編織單絲

圖7 編織角度

3.4 護套擠出

電線電纜的外護套的主要作用是保護電纜避免使其受到環(huán)境破壞，從而影響性能以及使用壽命。之前已經(jīng)確定了外護套采用聚氨酯材質(zhì)。

由于聚氨酯材料具有很強強的吸水性，極易受潮，直接擠塑會導致電纜表面出現(xiàn)毛孔，氣泡等，問題最終導致電纜出現(xiàn)故障，為了確保產(chǎn)品的質(zhì)量，需要確保聚氨酯材料直接暴露在空氣中，然后在護套擠塑前需要對聚氨酯材料進行預烘干處理。

聚氨酯材料粘度高，流動性差，摩擦生熱快，且對溫度需要精準的控制：

溫度過高會導致材料熔融破裂，難以加工；溫度過低會導致材料塑化不均勻，線徑表面粗糙。擠出時選用了大長徑比、低壓縮比的螺桿，能夠保證聚氨酯材料在腔體均勻流動。為避免護套表面出現(xiàn)毛刺氣孔不光滑等質(zhì)量問題，電纜擠出后需要立刻水冷，且護套的同心度應不小于70%，顏色為黑色。

4 電纜的主要性能及成品試驗

電纜的主要性能見表2 電氣性能指標、表3 機械性能指標和圖8 電纜機械性能指標。

表2 電氣性能指標

表3 機械性能指標

圖8 電纜機械性能

根據(jù)上述設計的結(jié)構(gòu)方案制作出了這款FTF46PJ-96 綜合電纜，并對其性能指標進行了測試，測試結(jié)果表明全部滿足表1、表2 和表3 中的設計指標要求。

5 結(jié)論

本電纜是一款結(jié)構(gòu)新穎的電纜，通過對整體結(jié)構(gòu)的設計，滿足了電源、信號、數(shù)據(jù)傳輸能力以及散熱要求，通過編織層設計，滿足了電磁屏蔽性能要求，通過外護套的設計，滿足了纜對復雜環(huán)境的要求，同時通過預分支工藝，滿足了裝配效率的要求，解決了用戶使用中防水防潮問題，與分散連接的多路電纜相比，安裝簡便，集成度高，使用靈活，性能可靠。經(jīng)過最終檢驗，電纜的電性能、機械性能、環(huán)境性能等也均滿足使用要求，有較高的實用價值，可滿足衛(wèi)星地面綜合布線實際使用環(huán)境的使用要求。