“天問一號(hào)”著陸巡視器轉(zhuǎn)動(dòng)電纜設(shè)計(jì)方法

楊 祎，劉奕宏，汪 靜，吳樂群，張曉峰，韓 閱，張秀紅

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2.總裝與環(huán)境工程部 北京，100094）

引 言

隨著航天器探測(cè)任務(wù)越來越復(fù)雜，航天器電纜需要適應(yīng)更嚴(yán)苛的在軌環(huán)境溫度，在極端溫度工況（超出電纜溫度指標(biāo)）下轉(zhuǎn)動(dòng)，并在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)復(fù)雜工況下均能夠可靠安全地完成信號(hào)傳輸。針對(duì)電纜導(dǎo)線在低溫環(huán)境下會(huì)變硬、轉(zhuǎn)動(dòng)工況下更容易發(fā)生電連接器和導(dǎo)線材料損壞的問題[1-3]，需對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)電纜開展極端低溫環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，試驗(yàn)覆蓋轉(zhuǎn)動(dòng)電纜在軌任務(wù)期間的環(huán)境溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)工況參數(shù)要求，在地面階段充分驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)電纜是否滿足在軌任務(wù)要求。

目前，電纜溫度適應(yīng)性試驗(yàn)主要針對(duì)非轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下電纜在高溫或低溫環(huán)境下放電特性、絕緣特性、耐燒蝕性的研究[4-9]，電纜在低溫環(huán)境下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的曲撓性能測(cè)試方法研究[10]、扭轉(zhuǎn)阻力距對(duì)機(jī)構(gòu)的影響[11]，缺少航天器轉(zhuǎn)動(dòng)電纜對(duì)在軌極端低溫空間環(huán)境適應(yīng)性的研究。

以中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)為例，“天問一號(hào)”探測(cè)器是通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞和著陸巡視，開展火星全球性、綜合性的環(huán)繞探測(cè)，以及在火星表面開展區(qū)域性的巡視探測(cè)。在軌飛行階段，火星探測(cè)器電纜網(wǎng)為各分系統(tǒng)提供器外、器間、器內(nèi)的信號(hào)傳輸通路，對(duì)整器在軌探測(cè)任務(wù)的順利執(zhí)行起到至關(guān)重要的作用。

“天問一號(hào)”著陸巡視器在著陸至火星表面后所面臨的極端溫度達(dá)到-130～+70 °C，電纜所用的電連接器的溫度指標(biāo)一般為-65～+125 °C，所用C55導(dǎo)線的溫度指標(biāo)為-100～+100 °C，無法覆蓋在軌低溫-130 °C。此外，太陽翼、移動(dòng)裝置、桅桿上的器外電纜存在低溫下轉(zhuǎn)動(dòng)工況，電纜轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)面臨的在軌環(huán)境溫度為-70～+55 °C。

本文提出了一種轉(zhuǎn)動(dòng)電纜對(duì)極端環(huán)境低溫適應(yīng)性的試驗(yàn)方法，并按照“天問一號(hào)”著陸巡視器器外電纜的在軌溫度環(huán)境進(jìn)行了極端低溫適應(yīng)性試驗(yàn)，驗(yàn)證了電纜所用的電連接器、導(dǎo)線以及輔料經(jīng)歷在軌低溫環(huán)境和多次轉(zhuǎn)動(dòng)后結(jié)構(gòu)完整、電性能可靠，并對(duì)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的無法適應(yīng)火星環(huán)境溫度條件的元器件的影響進(jìn)行了分析和替代處理。目前，“天問一號(hào)”探測(cè)器已成功在軌飛行，探測(cè)器電纜的電性能良好，進(jìn)一步證明了該電纜低溫適應(yīng)性試驗(yàn)方法的有效性。該試驗(yàn)方法可以作為后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)中電纜低溫適應(yīng)性的試驗(yàn)方法和技術(shù)支撐[12-16]。

1 低溫適應(yīng)性試驗(yàn)

1.1 低溫試驗(yàn)設(shè)計(jì)

“天問一號(hào)”著陸巡視器轉(zhuǎn)動(dòng)電纜的極端低溫環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)包含低溫貯存、低溫轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分，可依據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目表1和試驗(yàn)剖面圖1進(jìn)行試驗(yàn)[15-20]。低溫貯存模擬電纜經(jīng)歷在不轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的環(huán)境低溫和高溫交變，低溫轉(zhuǎn)動(dòng)模擬電纜在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的環(huán)境低溫和高溫交變，考核電纜在環(huán)境溫度下靜態(tài)貯存、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)是否存在破損和電性能異常下降的情況[10-11,21-23]。試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)電纜在每個(gè)溫度循環(huán)的Tzc1高溫保持階段和Tzc2低溫保持階段僅進(jìn)行靜態(tài)貯存，在每個(gè)Tzd1高溫保持階段和Tzd2低溫保持階段進(jìn)行往復(fù)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。

表1 電纜低溫適應(yīng)性試驗(yàn)項(xiàng)目Table 1 Items of cable storage test at low temperature

圖1 電纜低溫適應(yīng)性試驗(yàn)剖面圖Fig.1 Profile of adaptability experiment of cable at low temperature

圖1中，Tzc1表示電纜在軌靜態(tài)貯存時(shí)的最高溫度點(diǎn)加上外擴(kuò)溫度，Tzc2表示電纜在軌靜態(tài)貯存時(shí)的最低溫度點(diǎn)加上外擴(kuò)溫度，Tzd1表示電纜在軌動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最高溫度點(diǎn)加上外擴(kuò)溫度，Tzd2表示電纜在軌動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最低溫度點(diǎn)加上外擴(kuò)溫度。上述4個(gè)溫度均為試驗(yàn)溫度點(diǎn)，需在在軌環(huán)境溫度的基礎(chǔ)上適當(dāng)考慮溫度裕度，以確保試驗(yàn)溫度覆蓋在軌環(huán)境溫度。

試驗(yàn)過程中，選取4個(gè)控溫點(diǎn)即導(dǎo)線表面、電連接器尾罩的金屬外殼表面、電纜的外護(hù)套如熱縮套管表面和耐高溫編織套管表面。試驗(yàn)過程中，對(duì)試驗(yàn)電纜進(jìn)行導(dǎo)通、絕緣測(cè)試，測(cè)試時(shí)機(jī)覆蓋了2個(gè)高溫保持和2個(gè)低溫保持階段，試驗(yàn)電纜與測(cè)試設(shè)備的連接狀態(tài)如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)電纜的外觀和電性能進(jìn)行最終測(cè)試與檢查[24-26]。

圖2 試驗(yàn)電纜與測(cè)試設(shè)備的連接狀態(tài)Fig.2 Connection status of test cables and test equipments

1.2 電纜轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)電纜需綁扎固定在轉(zhuǎn)動(dòng)工裝上，模擬探測(cè)器器外的桅桿、移動(dòng)裝置和太陽翼上電纜的彎折轉(zhuǎn)動(dòng)情況。桅桿、移動(dòng)裝置和太陽翼電纜在在軌轉(zhuǎn)動(dòng)工況下，其轉(zhuǎn)動(dòng)工作高溫Tzd3和低溫Tzd4、彎折半徑r、轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍θ、轉(zhuǎn)動(dòng)速度a、轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)n均不相同。其中，轉(zhuǎn)動(dòng)工作高溫Tzd3和低溫Tzd4分別為在軌轉(zhuǎn)動(dòng)工況下的在軌環(huán)境高溫和低溫，可得出試驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的高、低溫度點(diǎn)；彎折半徑r一般不小于電纜的線束外徑的6倍；轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍θ為各轉(zhuǎn)動(dòng)電纜所在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝置在最大轉(zhuǎn)動(dòng)工況下的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；轉(zhuǎn)動(dòng)速度a為各轉(zhuǎn)動(dòng)電纜所在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，可得出完成1次往返轉(zhuǎn)動(dòng)所需時(shí)間；轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)n為各轉(zhuǎn)動(dòng)電纜在整個(gè)在軌任務(wù)階段所需要轉(zhuǎn)動(dòng)的最大次數(shù)[10-11,21-23]。

綜合考慮在軌轉(zhuǎn)動(dòng)工況后，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍θ、轉(zhuǎn)動(dòng)速度a、轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)n，確定轉(zhuǎn)動(dòng)工況的高低溫保持時(shí)間h＞ (2θ/a) ×n，并且給出適量的試驗(yàn)條件裕度，確保試驗(yàn)條件覆蓋真實(shí)工況，且避免試驗(yàn)條件過度嚴(yán)苛導(dǎo)致試驗(yàn)電纜損壞[10-11,21-23]。

試驗(yàn)電纜與轉(zhuǎn)動(dòng)工裝的綁扎固定示意如圖3所示，試驗(yàn)電纜實(shí)物的綁扎固定情況如圖4，綁扎點(diǎn)1和綁扎點(diǎn)3之間的試驗(yàn)電纜模擬移動(dòng)裝置電纜的扭轉(zhuǎn)，綁扎點(diǎn)1和綁扎點(diǎn)4之間的試驗(yàn)電纜模擬太陽翼電纜的扭轉(zhuǎn)，綁扎點(diǎn)2和綁扎點(diǎn)3之間的試驗(yàn)電纜模擬桅桿電纜的彎折。

圖3 低溫轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)電纜綁扎固定示意圖Fig.3 Schematic diagram of cable binding and fixing in rotation test at low temperature

圖4 低溫轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)電纜綁扎固定的實(shí)物圖Fig.4 Picture of cable binding and fixing in rotation test at low temperature

1.3 試驗(yàn)電纜設(shè)計(jì)

試驗(yàn)電纜應(yīng)盡量多地引出導(dǎo)線，增加轉(zhuǎn)動(dòng)過程的導(dǎo)線樣本量，電連接器的相鄰接點(diǎn)在插座中兩兩短接，在插頭中順次引出導(dǎo)線，引線方式和分支關(guān)系如圖5所示。通過測(cè)試插頭實(shí)現(xiàn)全部試驗(yàn)元器件的導(dǎo)通、絕緣和耐壓性能測(cè)量。

圖5 試驗(yàn)電纜的引線設(shè)計(jì)和分支關(guān)系Fig.5 Branches and design of wires leading out an electrical conductor of test cable

2 地面試驗(yàn)驗(yàn)證情況

“天問一號(hào)”著陸巡視器在著陸至火星表面后所面臨的極端溫度達(dá)到- 130～+ 70 °C，電纜所用的電連接器的溫度指標(biāo)一般為- 65～+ 125 °C。器外電纜選用了J30JHJ、J6W、J36A、CX2-4M1TK和KZ038-2D等系列電連接器，其低溫指標(biāo)- 65 °C并不能滿足在軌低溫- 130 °C的貯存條件。整器電纜選用了國(guó)產(chǎn)C55導(dǎo)線和進(jìn)口SPL導(dǎo)線，C55導(dǎo)線相較于SPL導(dǎo)線更重但更軟，轉(zhuǎn)動(dòng)電纜選用C55導(dǎo)線，其他整器電纜選用SPL導(dǎo)線，SPL導(dǎo)線的溫度指標(biāo)為- 200～+ 200 °C，C55導(dǎo)線的溫度指標(biāo)為- 100～+100 °C，如表2所示。其中，C55導(dǎo)線的低溫指標(biāo)-100 °C無法滿足在軌低溫- 130 °C貯存條件。而且，電纜沒有經(jīng)歷過在軌低溫- 70 °C環(huán)境下進(jìn)行彎折和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

表2 元器件規(guī)格和溫度指標(biāo)Table 2 Specifications and temperature indicators of components

電纜選用雙組份硅橡膠進(jìn)行電連接器內(nèi)部灌封，溫度指標(biāo)為- 40～130 °C；選用熱縮套管RNF和熱縮套管RSG，其中二者的溫度指標(biāo)分別為-55～150 °C、- 40～140 °C；選用熱縮帶進(jìn)行尾罩處理，溫度指標(biāo)均為-40～140 °C；電連接器尾罩出線口的預(yù)成型選用熱縮套管ATUM，溫度指標(biāo)為- 55～110 °C；焊點(diǎn)處選用焊錫絲，長(zhǎng)期可靠工作的溫度指標(biāo)為- 55～85 °C；選用綁扎線電纜束綁扎，溫度指標(biāo)為- 55～260 °C；轉(zhuǎn)動(dòng)電纜選用耐高溫編織套管、硅橡膠玻璃纖維套管防護(hù)，溫度指標(biāo)分別為- 55～260 °C、- 70～200 °C。電纜輔料廠家低溫指標(biāo)均無法覆蓋在軌低溫-130 °C。

對(duì)于上述不覆蓋型號(hào)空間熱環(huán)境條件的元器件，有必要開展環(huán)境溫度適應(yīng)性試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)電纜在每個(gè)溫度循環(huán)的低溫保持階段- 145 °C、高溫保持階段+ 85 °C下貯存[15-20]，在每個(gè)低溫保持階段- 85 °C、高溫保持階段+ 70 °C進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，在角度0°～150°往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)[10-11,21-23]。試驗(yàn)溫度均按照在軌環(huán)境溫度考慮15 °C的溫度外擴(kuò)。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SK621系列總線電連接器、S500系列總線三端耦合器的外護(hù)套出現(xiàn)了破損，無法適應(yīng)在軌環(huán)境溫度- 145 °C。其它元器件的外觀和性能良好，全部輔料的狀態(tài)良好。

2.1 元器件外觀

試驗(yàn)后，電連接器的接觸件無歪斜、彎曲和銹蝕現(xiàn)象，接觸件的鍍金層光亮且無斑點(diǎn)和脫皮；插頭與插座的插拔和鎖緊正常；導(dǎo)線無斷裂、無損傷。宇航用J30JHJ型和J36A型電連接器的低溫試驗(yàn)后外觀狀態(tài)良好，如圖6～8所示。宇航用SK621型總線電連接器在低溫試驗(yàn)后存在尾部保護(hù)套管開裂的現(xiàn)象，S500-S型三端耦合器在低溫試驗(yàn)后存在外護(hù)套開裂的想象，而S500-S型雙端耦合器的外護(hù)套狀態(tài)良好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如狀態(tài)圖9～11所示。

圖6 J30JHJ型電連接器試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.6 State of electrical conductor of J30JHJ type after tests

圖7 J36A型電連接器試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.7 The state of the electrical conductor of J36A type after the tests

圖8 導(dǎo)線壓接處試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.8 State of wire crimpings after tests

圖9 SK621型總線電連接器試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.9 State of electrical conductors of SK621 type after tests

圖10 S500型總線雙端耦合器試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.10 State of double-terminal coupler of S500 type after tests

圖11 S500型總線三端耦合器試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.11 The state of the three-terminal coupler of S500 type after the tests

2.2 輔料外觀

試驗(yàn)后，雙組份硅橡膠的組織均勻、無團(tuán)聚顆粒物、無氣泡和雜質(zhì)；熱縮套管RNF和熱縮套管RSG的切口平滑，無卷曲和脫落；尾罩處理用熱縮帶的切口平滑，無卷曲和粘連，無破損掉渣，輕微變硬不影響使用；預(yù)成型用ATUM套管無開裂、破損和移位，結(jié)構(gòu)完整。綁扎線平整且無松散現(xiàn)象；耐高溫編織套管、硅橡膠玻璃纖維套管無脫落、變質(zhì)和變色。各輔料均通過了試驗(yàn)驗(yàn)證，無異常，部分電纜輔料試驗(yàn)后狀態(tài)如圖12～15所示。

圖12 熱縮套管RNF試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.12 The state of the heat-shrinkable sleeve RNF after the tests

圖13 預(yù)成型ATUM熱縮套管試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.13 State of ATUM heat-shrinkable tubing used for preforming processing after tests

圖14 耐高溫編織套管試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.14 The state of the thermostable knitted sleeve after the tests

圖15 硅橡膠玻璃纖維套管試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.15 The state of the silicone rubber fiberglass sleeve after the tests

2.3 電性能情況

試驗(yàn)后，試驗(yàn)電纜阻值隨溫度升高略有增加，符合電纜阻值隨溫度變化的特性，如圖16所示。試驗(yàn)電纜的絕緣阻值≥200 MΩ。試驗(yàn)電纜在500 V/AC電壓下60 s無擊穿，電性能良好。試驗(yàn)電纜為低頻電纜，對(duì)于總線、高速、射頻等其它類型的試驗(yàn)電纜，按照電纜特性和指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)電性能測(cè)試。

圖16 低溫適應(yīng)性試驗(yàn)電纜的導(dǎo)通測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.16 Conduct test data of test cable B after storage at low temperature

3 在軌飛行驗(yàn)證

“天問一號(hào)”探測(cè)器于2020年7月23日成功發(fā)射，2021年2月10日與火星交會(huì)并成功進(jìn)入環(huán)繞火星軌道，并在2021年5月15日成功實(shí)施火星著陸并開始巡視探測(cè)，2021年8月15日順利完成了90個(gè)火星日既定的科學(xué)探測(cè)任務(wù)。

在“天問一號(hào)”全任務(wù)期間，探測(cè)器電纜的在軌溫度均在- 130～+ 70 °C內(nèi)，其中火星車的太陽翼、移動(dòng)裝置、桅桿的轉(zhuǎn)動(dòng)電纜在著陸巡視器著陸火星后的在軌溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)詳如圖17所示。以供配電分系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)為例，火星車太陽翼輸出電流滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，落火后的在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)如圖18所示；火星車全調(diào)節(jié)母線電壓滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，火星車全調(diào)節(jié)母線電流滿足負(fù)載使用需求，無異常跳變，落火后的在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)如圖19所示?！疤靻栆惶?hào)”探測(cè)器電纜的電氣信號(hào)傳輸良好，在軌期間無異常故障，圓滿完成了任務(wù)。

圖17 “天問一號(hào)”火星車太陽翼、移動(dòng)裝置、桅桿轉(zhuǎn)動(dòng)電纜在軌溫度Fig.17 On-orbit temperatures of rotating cables on solar arrays，mobile device and mast of “Tianwen-1” Mars rover

圖18 “天問一號(hào)”火星車太陽翼輸出電流在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)Fig.18 On-orbit telemetry data of output currents of solar arrays of“Tianwen-1” Mars rover

圖19 “天問一號(hào)”火星車母線電壓和電流在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)Fig.19 On-orbit telemetry data of bus voltage and current of“Tianwen-1” Mars rover

4 結(jié) 論

本文提出了一種轉(zhuǎn)動(dòng)電纜對(duì)極端環(huán)境低溫適應(yīng)性的試驗(yàn)方法?！疤靻栆惶?hào)”著陸巡視器在著陸火星表面后，需要經(jīng)歷極端環(huán)境低溫-130 °C下的貯存和低溫-75 °C下的轉(zhuǎn)動(dòng)，采用該試驗(yàn)方法驗(yàn)證了電纜包括電連接器、導(dǎo)線以及輔料等對(duì)低溫環(huán)境的適應(yīng)性，以及在極端低溫下的轉(zhuǎn)動(dòng)耐載能力。目前，“天問一號(hào)”探測(cè)器已成功在軌飛行，探測(cè)器電纜的電性能良好，進(jìn)一步證明了該電纜低溫適應(yīng)性試驗(yàn)方法的可行性、有效性。本文為后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)中電纜低溫適應(yīng)性提供了試驗(yàn)方法和技術(shù)支撐[12-16]。