卫星星上功率电缆热特性研究

朱剑涛，罗 成，王 东，陈少华

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

0 引言

星上功率电缆作为卫星供电传输通路，若电缆工作温度超过其额定温度，则其外部的绝缘保护层会因温度过高而将被溶化，可能导致母线正负端短路，威胁卫星的供电安全。

在某型号卫星的研制过程中，仅对星上功率电缆进行了热分析，并根据热分析数据对电缆热设计进行校核，但未考虑在整星或电缆处于不同工况下（如电缆束捆绑状态、散热环境影响等因素）的热特性，因此整星状态下电缆的温度分布是有效开展热特性分析的重要参数。在卫星地面热真空/热平衡试验以及在轨飞行中，未对星上功率电缆温度参数进行测量，因此会影响该型号星上电缆热特性的全面、有效的分析，其热设计的校核也缺乏相关数据的支持。

为此，本文结合卫星在轨工作状况，对星上功率电缆的热特性进行了理论计算和试验验证，通过对计算结果和试验数据的对比分析，旨在获得不同工况下的星上功率电缆热特性及其影响因素。

1 电缆热分析

1.1 电缆热流密度

因捆扎的星上电缆束的散热条件比其余电缆差，因此，选取捆扎电缆作为热特性对象，作为热分析的输入参数，首先应获取电缆的功率损耗热流密度。假设卫星整星设计功率为3 000 W，母线电压取42 V，则单侧母线电缆最大电流约为36 A。以瑞侃公司的22#电缆为例，由18根正线和22根负线组成，其线径约为1 mm，电阻为0.052 5 Ω/m，假设电缆捆扎宽度约为20 mm，则捆扎部位热流密度约为219 W/m2。

1.2 基本假设

分析中对模型进行如下假设：

1）忽略电缆束与结构板之间的导热，其热耗通过辐射方式扩散到周围环境中；

2）忽略电缆束沿其轴向的导热，捆扎部位的热耗只通过捆扎处的表面辐射散热；

3）忽略与母线电缆捆扎在一起的信号电缆的导热作用；

4）整个电缆束截面上热耗均匀分布；

5）舱内平均温度为20 ℃（293 K）。

1.3 热分析模型

基于上述假设，电缆向空间的散热分为电缆束中心向外表面的导热、以及通过电缆束表面向空间的辐射散热。假设捆扎部位外表面半球发射率为ε，其表面热流密度为q，舱内温度为T0，则根据两同心圆柱之间的辐射换热理论可以得到电缆外皮的温度为[1-2]

式中：Te为电缆外皮温度；σ为玻尔茨曼常量，5.67×10-8W/(m2·K4)。

1.4 分析结果

1）一根电缆束单独走线时，q=219 W/m2，ε=0.85，则电缆束外表面温度约为57 ℃。

2）两根电缆束合在一起走线时，q=310 W/m2，其他条件相同，则电缆束外表面温度约为70 ℃。

根据电缆厂家提供的数据，其额定温度为200 ℃，考虑安全余量，则需要降低额定温度，降额后其设计温度为120 ℃。

假设1）、2）、3）同实际条件相比可能要恶劣得多，因此电缆实际温度应该比理论计算值要小。

2 试验验证

2.1 试验方案

星上电缆的热特性理论分析与实际状态仍存在一定的差异，因为星上电缆所处热环境较为复杂，不但受其自身热耗的影响，而且还受周围环境影响，另外目前尚缺乏试验数据和飞行测量数据，无法对星上功率电缆的热特性进行验证。因此，需要开展相关试验以进一步验证电缆的热特性设计。

由于电缆的热特性主要取决于电缆中电流、状态及其所处的热环境。所以，选取卫星母线电缆（南母线为01#和03#电缆，北母线为61#和63#电缆）在轨工作中可能出现的最大电流工况作为试验工况，如表1所示。试验中模拟卫星处于夏至工况，并按此工况进行外热流设置，使设备温度与在轨温度一致或更高。表1中的工况1为夏至工况下母线01#电流为30A，工况2为夏至工况下母线01#电流为36A，其他表中工况的含义相同。

表1 电缆热特性验证试验方案Table 1 The testing scheme for the power cable of satellite

2.2 试验结果

试验中电缆的电流和设备的温度见表2。由表2中的数据可知，电流和温度均满足要求，说明模拟的电缆环境接近真实的在轨状态。

表2 试验中电缆电流及设备温度情况Table 2 The current in power cable and temperature in equipment

2.3 电缆温度

不同工况中，由于电缆的电流不同，最高温度位置也不相同。试验中，电缆最高温度均出现在单根电缆热缩带内（线束内）。工况1下出现最高温度处是03#电缆，工况2对应的是01#电缆，具体数据如表3所示。因此，根据1.4节电缆的额定温度可知，电缆在轨温度满足降额设计要求。

表3 试验中电缆最高温度Table 3 The top temperature in power cable

2.4 电缆热特性及影响因素

2.4.1 电缆的热特性

通过试验数据分析，功率电缆温度主要有以下几个方面特点：

1）电缆最高温度随着电流的增加而提高，其比例一般在2～3 /A℃，如表4所示。

表4 试验中电缆温度和电流Table 4 The relation between temperature and current in power cable

2）电源设备上电缆束中温度基本代表整根电缆的温度水平，其温度相差4～7 ℃，如表5所示。

表5 整个电缆束温度情况（℃）Table 5 The temperature of power cable（℃）

3）在捆扎处电缆束内与线束外最高温差一般在5～10 ℃范围内，如表6所示。

表6 电缆线束内和线束外温度（℃）Table 6 The temperature in and out of the power cable（℃）

2.4.2 电缆温度的影响因素

根据对试验数据的分析，可知影响星上电缆温度的主要因素有：

1）电缆电流的大小。

在相同环境条件下，电缆最高温度将随所在电缆电流的增加而升高，且具备一定的比例关系，即2～3 /A℃；在无电流的情况下，电缆温度仅与所在环境的温度有关；一旦电缆电流发生变化，其温度必然发生变化，如图1所示（工况2中03#电缆的测点温度与电缆电流的关系，数据与表3最大值一致）。

图1 电缆（03#）温度与电流随时间变化的曲线Fig.1 The curvesof temperature and current versus time for the 03# power cable

2）捆扎状态。

电缆最高温度点均出现在电缆热缩带内，线束外的温度比线束内低5～10 ℃左右，其主要原因为电缆的捆扎差别所致，在热缩带中电缆的散热环境较差，不利于散热，导致其温度较高。

3）散热环境。

同一根电缆上不同位置因周围环境的差别，如散热空间狭小或隔热罩影响散热与其未受影响时的温差有可能较大。

4）散热方式。

卫星在轨工作中，散热方式主要为辐射散热；对于采用铝蒙皮的舱板，与其接触的设备还可进行传导换热。试验中，在相同电流情况下，电缆位于铝蒙皮舱板的温度较其他部位低。

5）电缆束的热容。

当电缆与其他信号线捆扎在一起时，增加了电缆的热容，使捆扎处温度相对于未与信号电缆捆扎的部分低。

3 试验结果与分析结果比较

表7为电缆试验温度与理论分析温度数据。由于整星热环境较为复杂，分析中要对模型进行必要的假设，所以与试验数据有所差别。

表7 电缆试验温度与分析值Table 7 The measured and calculated temperatures in the power cable

4 对电缆走向和固定方式的建议

根据上述分析，对卫星电缆走向和固定方式建议如下：

1）尽量减少电缆在空间狭小、散热环境较差的地方进行捆绑；

2）电缆采用热缩带捆绑时，应尽量减少热缩带的宽度，减少电缆与热缩带的绑扎面积，便于捆绑处电缆的散热；

3）电缆应尽量沿空间较为宽敞的铝蒙皮舱板位置或者温度较低的舱板区域铺设；

4）两根主功率线应尽量分开铺设，避免电流提高时，电缆温度进一步升高。

5 结论

通过星上电缆的热特性分析与试验验证，得到如下结论：

1）星上电缆温度满足降额设计要求，在轨工作是安全可靠的。

2）电缆温度主要取决于电缆中电流的大小，且无累积效应。即随着电流的升高，电缆中的温度也升高，反之，温度下降，当电流为零时，其温度仅与其所在环境的温度基本一致。

3）电缆的捆扎状态是影响电缆温度的重要因素，电缆的最高温度均出现在电缆热缩带捆扎处，与线束外的温度差为5～10 ℃。

4）电缆所处的热环境及热特性也是影响其温度的因素之一。

（References）

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