高原環(huán)境對測控裝備影響及適應(yīng)性改造

63762部隊 仲偉敬 楊彥偉 金術(shù)良 宋飛杰 趙志強(qiáng)

測控裝備首次在海拔3500m以上執(zhí)行嫦娥五號返回段任務(wù)。本文論述了低壓、低溫、缺氧及強(qiáng)太陽輻射環(huán)境等高原環(huán)境特點，結(jié)合測控裝備構(gòu)造特性和關(guān)鍵效能發(fā)揮，提出了測控裝備高原適應(yīng)性改造措施，圍繞改造過程，采用理論分析、改造和加裝元器件實踐相結(jié)合的方法，有效解決了高原環(huán)境對測控裝備各系統(tǒng)、元器件的影響，這些措施經(jīng)過5個月以上高原環(huán)境考驗及完成任務(wù)驗證，證明是有效的。

根據(jù)嫦娥五號任務(wù)測控系統(tǒng)布局，某部車載測控裝備需要位于西藏阿里地區(qū)執(zhí)行任務(wù)，西藏阿里平均海拔4300m。原任務(wù)書中該測控裝備是在海拔高度不大于3500m條件下設(shè)計制造的，高原環(huán)境惡劣會制約裝備效能發(fā)揮，各項技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)能否滿足任務(wù)要求有待考驗，由此需要核實高原環(huán)境下裝備工作能力，并采取有效措施降低高原環(huán)境帶來的任務(wù)風(fēng)險。

1 執(zhí)行任務(wù)環(huán)境估算

結(jié)合海拔高度與溫度、大氣壓力、空氣密度、氧含量關(guān)系，并查閱近幾年西藏阿里地區(qū)全年氣象數(shù)據(jù)，估算執(zhí)行任務(wù)環(huán)境。任務(wù)在12月中旬夜間凌晨執(zhí)行，按照平均海拔4300 m估算，其溫度約為-15～-20℃；其氣壓值約為550kPa，為海平面的54.5%；其空氣密度約為0.794 kg/m3，為海平面的64.8%；氧含量約為12.1%，為海平面的58.2%；其太陽輻射照度約為1200 W/m2，是同緯度海平面的1.2倍，測控裝備于2020年8月進(jìn)駐阿里，裝備及所屬室外線纜暴曬長達(dá)5個月。

2 高原環(huán)境對測控裝備的影響

2.1 對電氣設(shè)備的影響

測控裝備由大量電氣設(shè)備組成，所以要重點分析高原環(huán)境對電氣設(shè)備的影響。（1）空氣壓力和密度降低對電氣設(shè)備的影響：引起固體絕緣材料表面放電能力降低；隨著空氣壓力和密度的降低，電氣間隙的擊穿電壓將隨之降低；引起開關(guān)電器滅弧性能降低、通斷能力下降，海拔高度越高其影響越大；空氣介質(zhì)冷卻效應(yīng)降低，會使溫升增加，測控裝備高功放為大功率設(shè)備，可能會產(chǎn)生過熱或電打火現(xiàn)象，所以要做好高功放設(shè)備通風(fēng)、散熱性能經(jīng)常性檢查與監(jiān)視；（2）溫度變化增大對電氣設(shè)備的影響：高原空氣溫度的日溫差較大，會使裝備外殼容易龜裂和變形、密封結(jié)構(gòu)容易破裂。

2.2 對電機(jī)的影響

同電氣設(shè)備主要影響基本一致，高海拔對絕緣等級要求增加，引起電機(jī)功率降低，對電機(jī)的穩(wěn)定運行會帶來較大影響。高原環(huán)境對電機(jī)的主要影響為：電暈起始電壓降低，容易引起火花放電，對電機(jī)的絕緣造成損壞；電氣間隙擊穿電壓下降；空氣介質(zhì)冷卻效應(yīng)降低，散熱能力下降，溫升增加；直流電機(jī)換向不利。電機(jī)驅(qū)動天線展開、轉(zhuǎn)動，同時天線對跟蹤性能要求較高，所以對裝備電機(jī)要重點防護(hù)。

2.3 對天線卷繞筒保溫性能的影響

測控裝備天線卷繞桶主要包括天線線纜、電機(jī)等，卷繞桶內(nèi)采用下部中空通風(fēng)結(jié)構(gòu)，由于高原地區(qū)早晚溫差大、天線座卷繞桶保溫性能較差，會造成天線卷繞桶內(nèi)溫度變化較大?？紤]到高原地區(qū)特有的極端天氣氣候，可能會導(dǎo)致天線卷繞桶內(nèi)線纜以及電機(jī)發(fā)生結(jié)冰等硬化損傷。

2.4 對電子設(shè)備（尤其是機(jī)械硬盤）的影響

高海拔下的低氣壓會影響機(jī)械硬盤正常工作，4300m海拔高度大氣壓只有550kPa，機(jī)械硬盤工作時氣流產(chǎn)生的推力不足以托起磁頭，磁頭撞碟導(dǎo)致共震或?qū)懫?，機(jī)械硬盤無法正確讀寫。

2.5 執(zhí)行任務(wù)時艙內(nèi)含氧量分析

高原低壓缺氧，車載測控裝備電子方艙空間有限，面積僅為14m2，在執(zhí)行任務(wù)時艙門為緊閉狀態(tài)，15～20人處于方艙內(nèi)，因此需要為參試人員供應(yīng)充足的氧氣，滿足長時間工作需要。

3 高原適應(yīng)性改造

為保證任務(wù)順利完成，需對裝備不適應(yīng)高原工作的部分進(jìn)行改造，選擇高原型元器件，同時對薄弱部分增加備份，以提高系統(tǒng)可靠性，具體如下。

3.1 天線車調(diào)平系統(tǒng)和天線倒伏系統(tǒng)改造

高原環(huán)境下，為增強(qiáng)元器件使用的安全性，需要將元器件進(jìn)行替換和備份，使元器件的電壓等級、電氣特性等滿足要求。針對性措施：更換斷路器、調(diào)平控制箱變頻器，并對液壓系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)。主要改造如下：（1）將天線車調(diào)平系統(tǒng)和天線倒伏系統(tǒng)中13個斷路器全部更換為施耐德品牌，以提高電源等級；（2）將調(diào)平控制箱內(nèi)原裝4個2.2KW變頻器更換為3.7KW變頻器，解決因海拔升高引起的設(shè)備功率下降等問題；（3）將天線車起臥油缸液壓油統(tǒng)一更換為低溫液壓油，保證設(shè)備在嚴(yán)寒條件下易于啟動；（4）對液壓系統(tǒng)進(jìn)行檢查、保養(yǎng)和維護(hù)，保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。

3.2 天線自動展開及鎖緊系統(tǒng)改造

高原環(huán)境下電機(jī)輸出功率下降，天線自動展開及鎖緊系統(tǒng)可靠性降低，為降低風(fēng)險需要對電機(jī)重新選型并更換。針對性措施：更換液壓系統(tǒng)大功率電機(jī)，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)。主要改造如下：（1）將原液壓系統(tǒng)電機(jī)功率1.5KW更換至2.2KW，以提供有效的功率來滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行需要；（2）整體更換液壓系統(tǒng)在用電機(jī)、齒輪泵、聯(lián)軸器、防護(hù)罩等，電機(jī)功率提高，聯(lián)軸器穩(wěn)定性、可靠性提高；（3）清洗液壓油箱，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行檢查、保養(yǎng)和維護(hù)，保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。

3.3 伺服系統(tǒng)改造

伺服系統(tǒng)電機(jī)輸出功率下降，可能導(dǎo)致天線轉(zhuǎn)動速度變慢，極端情況下可能無法正常工作。針對性措施：對部分器件進(jìn)行更換，同時配備一些備件。主要改造如下：（1）將ACU主、備工控機(jī)機(jī)械硬盤更換為固態(tài)硬盤，并配備一些多功能數(shù)據(jù)采集備線；（2）備份1個電機(jī)、2個直流電源模塊、1個減速器、1個伺服監(jiān)控板和1個軸角編碼板。

3.4 天線卷繞桶加裝保溫層，安裝加溫器

高原環(huán)境下，尤其在冬季，較大的溫差變化容易對天線卷繞桶內(nèi)線纜及電機(jī)造成損傷。針對性措施：加裝保溫層，安裝加溫器。主要改造如下：（1）加裝天線卷繞筒保溫層：聚氯乙烯保溫材料具有良好的保溫性、隔熱性，將聚氯乙烯材料粘貼在卷繞桶表面后，通過減慢溫度變化來保護(hù)裝備安全，使其不受高原極端天氣影響；（2）卷繞桶內(nèi)安裝加溫器：在卷繞桶內(nèi)加裝8個加溫器，使其能夠在規(guī)定時間之內(nèi)達(dá)到指定溫度，在工作狀態(tài)下能夠保持恒定溫度，有效防止因高原溫度過低造成的線纜結(jié)冰、硬化損傷等問題。

3.5 更換機(jī)械硬盤為固態(tài)硬盤

測控裝備計算機(jī)在設(shè)計制造時采用的均為機(jī)械硬盤，將監(jiān)控、DTE、ACU、自動測試、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等13臺設(shè)備的機(jī)械硬盤統(tǒng)一更換為固態(tài)硬盤，以適應(yīng)高原環(huán)境。

3.6 備份重要部件

為增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性、降低任務(wù)風(fēng)險，需對其他重要部件進(jìn)行備份，包括收發(fā)陣面電源2個、標(biāo)校光端機(jī)1個、工控機(jī)電源模塊4個。其中，工控機(jī)電源模塊屬于通用模塊，可供基帶分系統(tǒng)、波控分系統(tǒng)工控機(jī)使用，基帶分系統(tǒng)A/B機(jī)、波控分系統(tǒng)A/B機(jī)共4套工控機(jī)，每個工控機(jī)由2個電源模塊供電。

3.7 室外線纜環(huán)境防護(hù)

針對阿里地區(qū)紫外線強(qiáng)、沙塵天氣多、任務(wù)時段氣溫低的實際情況，使用線纜槽、PVC管、保溫棉分別對室外艙間線纜及光纜進(jìn)行針對性防護(hù)；采用密封膠對密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封，并做好每日巡檢；增長開機(jī)預(yù)熱時間，待室溫達(dá)到儀器開機(jī)要求后再啟動儀器儀表。

3.8 電子方艙加裝制氧裝置

裝配兩臺制氧裝置，可滿足約20人的吸氧需求。制氧裝置產(chǎn)生的氧氣由電子方艙前部開口引入艙內(nèi)，艙壁上部前中后分布安裝6個氧氣輸出端，配套鼻吸軟管及氧氣彌散口。安裝完畢后，經(jīng)過長時間測試，方艙內(nèi)氧氣濃度能夠保持均勻分布，提高了接收車方艙內(nèi)部供氧能力。

3.9 備份油機(jī)高原改造

測控裝備配套油機(jī)為200KW高原油機(jī)，可滿足高原參試要求。為提升高原參試供電保障可靠性，對另一臺200KW油機(jī)進(jìn)行高原改造作為備份油機(jī)，具體改造內(nèi)容為：增加水套加熱器、空氣預(yù)熱器、手動應(yīng)急控制屏。（1）增加水套加熱器，低溫環(huán)境下對油機(jī)預(yù)先加熱，避免出現(xiàn)發(fā)動機(jī)啟動困難或無法啟動現(xiàn)象；（2）發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口增加空氣預(yù)熱器，預(yù)先對空氣加熱，避免出現(xiàn)發(fā)動機(jī)啟動困難或無法啟動現(xiàn)象；（3）增加手動應(yīng)急控制屏，避免高原環(huán)境下電子元器件失效造成發(fā)動機(jī)無法啟動。

4 高原改造適應(yīng)性測試

參試分隊于2020年8月中旬抵達(dá)西藏阿里，在裝備展開后，于8月下旬開展了裝備高原改造項目功能測試及驗收，測試驗證內(nèi)容包括：天線起臥、自動展開、車輛調(diào)平、測試標(biāo)校、跟蹤性能及系統(tǒng)工作流程測試等，經(jīng)測試驗證，裝備改造后系統(tǒng)軟硬件性能良好，精度滿足要求，各系統(tǒng)功能正常；并于8至12月期間開展了裝備操作訓(xùn)練，裝備性能始終保持穩(wěn)定、可靠。

2020年12月17日凌晨1時許，測控裝備在海拔4300 m的藏北高原，作為嫦娥五號返回器飛入我國上空的第一站，返回器第一次出黑障后,在極其有限的時間內(nèi)快速完成目標(biāo)捕獲，并成功實施返回器遙測數(shù)據(jù)接收及上行遙控任務(wù)，確保了返回器順利“回家”，任務(wù)完成十分圓滿。

結(jié)語：本文緊貼測控裝備高原執(zhí)行任務(wù)實際，全面深入分析了高原環(huán)境對測控裝備電子器件及機(jī)械部件損傷機(jī)理，詳細(xì)介紹了測控裝備高原適應(yīng)性改造措施及改造方法，經(jīng)過高原適應(yīng)性改造，有效降低了高原環(huán)境帶來的任務(wù)風(fēng)險。本研究為其他測控裝備在高原環(huán)境下長期駐留執(zhí)行任務(wù)提供了難得的適應(yīng)性改造方法和維護(hù)經(jīng)驗，具有重要推廣應(yīng)用價值。由于測控裝備只在高原環(huán)境下駐留了5個月，高原環(huán)境復(fù)雜，極端天氣較多，還不能有效的對裝備可靠性進(jìn)行評估，還有待長時間的驗證與考究。