试验电缆发热对热设计验证的影响分析

彭方汉 王甜甜 耿利寅 李国强

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

热控方案研制过程中，整星及部件的热平衡试验常采用电加热回路［1］和红外笼［2-3］来进行热耗、外热流的模拟。电加热回路设计以加热器的发热量为目标值，连接加热器的电缆发热量是额外增加的热源。对于试验电缆发热的影响，目前普遍采用定性分析的方法来评估其对试验的影响［4-5］，此种方法适用于电缆发热量相对较小、且电缆发热分布不集中的通常情况。当试验电缆集中或发热量较大时，局部试验温度受到的影响，无法通过定性的方式进行有效的识别，而应进行定量分析。

以某遥感卫星为例，初样热平衡试验中星内电加热回路共146路，平均每个回路的电流为0．5A，电加热回路位于星内的试验电缆平均长度为1．5m，计算得到试验电缆的发热量为5．5 W，估算整星温度升高0．1 ℃～0．2 ℃，试验电缆发热对试验的影响可忽略。但是如果146路电加热回路中有15路集中在卫星的局部，且通过的电流均大于2A，则试验电缆发热大于9 W，引起整星局部的温度波动则不可忽视，上面这种通过定性分析的方式就无法发现试验电缆发热对试验局部温度的影响。

由于试验电缆发热是所有热平衡试验验证过程中存在的一个共性问题，进行系统级或部件级热平衡试验设计时，设计师均应根据试验特点进行试验电缆发热影响的定性或定量分析。本文以我国海洋-2（HY-2）卫星散射计探测头部的初样热平衡试验为例，描述试验电缆发热对试验温度造成的显著影响，通过定量分析进行评估，然后对需要进行试验电缆发热影响定量分析的情形以及定量分析的方法进行讨论，最后总结减小试验电缆发热影响的措施。

2 试验情况

散射计探测头部主要由反射器、高频箱组成，电子设备均安装在高频箱上。高频箱划分为4个小隔舱，中轴内部安装电机、滑环等，电子设备安装在高频箱外部以及4个小隔舱中，如图1～3所示。

图1 散射计探测头部构型Fig．1 Configuration of the scatterometer head

图2 高频箱顶板设备布局Fig．2 Layout of apparatuses on top board

图3 高频箱底板及外侧板设备布局Fig．3 Layout of apparatuses on bottom and side board

试验通过电加热回路模拟外热流及设备热耗，通过控温方式模拟温度边界，其它热控状态均与真实状态相同。

试验后的预示温度计算时，计算模型根据试验状态进行了修正［6］，主要修正内容包括：温度边界处理，外热流、热耗的加载模式及数值，所有部件的热物性参数［7］，散热面的光学特性参数［8］，结构件之间的导热参数、背景热流的影响等。试验电缆发热的影响进行定性评估，通过估算，试验件的整体温度受电缆发热的影响为1 ℃左右，其影响加载到结构板上。因此计算模型考虑了各种因素对温度的影响，模型修正完成后，根据每个试验工况的参数进行了各个工况的温度计算。

在所有工况的计算结果中，预示温度与试验温度差异非常大，其中一个高温工况的试验温度和预示温度统计见表1，高频箱内部设备的试验温度比预示温度平均高10 ℃。

表1 某高温工况的预示温度和试验温度Table 1 Result of calculation and test in a high temperature condition

3 试验结果分析

3．1 原因分析

比较试验状态与真实状态，差异如下：①温度边界，试验件采用模拟舱板来模拟真实状态的整星舱板，模拟舱板通过控温的方式保证边界温度与真实状态相同；②外热流、热耗模拟，试验件采用电加热器发热来模拟外热流以及热耗，模拟值与真实状态相同，但由于电加热器需要通过电缆连接，电缆将有一定的发热量，试验状态无法消除；③设备状态，试验中散射计探测头部只有中轴内部的电机、滑环为电性件，其它设备均为结构件。

虽然试验后的计算模型根据试验状态进行了修正，确保计算模型与试验状态一致。但比较预示温度与试验温度，两者的差异超出了正常的计算偏差范围，说明在计算模型中设备温度的影响因素未考虑全面。

复核结果表明，计算模型除了试验电缆的发热量为估算值、且加载区域与真实状态不同之外，其它状态均和试验状态一致。因此，试验温度偏高可能是由于试验电缆发热引起，试验电缆发热并非如试验前定性评估那样小，需要进行详细的定量分析。

3．2 试验电缆影响分析

由于转动的限制，散射计探测头部上的所有电加热回路均需要通过中轴上的滑环与外部连接，电缆与滑环的连接状态见图4。外部电缆的每个电加热回路与两个滑环通道连接，然后对应的滑环通道在高频箱内引出电缆，所有电缆在高频箱内汇集且固定在滑环附近较小的区域内。

图4 滑环与电缆连接示意Fig．4 Slip ring and cable connection

散射计探测头部上的试验电缆固定在高频箱内部的内设备2 旁边，电加热回路共16 路，如图5所示。

图5 试验电缆固定位置Fig．5 Test cable fixed position

每个电加热回路包含两根电缆，每根电缆由滑环和引线两部分组成。根据实测，滑环导线阻值不小于0．1Ω，引线阻值不小于0．05Ω，因此每个电加热回路的电缆阻值不小于0．3Ω。

高温工况的试验外热流为544 W，设备模拟热耗为150 W，每个电加热回路电缆阻值取保守值0．3Ω，根据试验电流得到试验电缆总发热量为16．1 W。

散射计探测头部正样状态为：所有设备通过滑环上的9个回路供电，所有供电回路并联，即通过每个供电回路的电流相同；每个供电回路包含两根电缆，每根电缆由滑环和引线两部分组成，每个供电回路的电缆阻值小于0．4Ω。

散射计探测头部正常工作时，通过滑环的总电流为5．1A，每个供电回路电缆阻值取保守值0．4Ω，计算得到电缆的总热耗为1．2 W。

根据计算结果，试验中电缆附加发热量为14．9W。由于工作时高频箱内部设备热耗总和为43．5W，电缆所在小隔舱的总热耗为9 W，因此高频箱内部试验电缆的发热量占高频箱内部设备热耗的比例为34%，是所在小隔舱热耗的1．7倍。

根据以上分析结果，复核后的计算模型根据试验中电缆的位置、固定方式、发热量等参数增加了电缆的计算模型。修正后的温度计算结果与试验结果的比较见表2，两者吻合。

分析表明，高频箱内部设备受试验电缆发热的影响，试验温度均比实际温度高，特别是电缆所在小隔舱的内设备2的温度受到的影响最大，内设备2的试验温度比计算温度高18．5 ℃。高频箱外部设备直接向空间辐射散热，受电缆发热的影响较小。

表2 修正后计算结果与试验结果比较统计Table 2 Comparison between calculated and tested temperatures

3．3 在轨验证

HY-2卫星发射入轨后，散射计探测头部获得了部分设备的温度数据。根据初样试验修正后的分析模型计算的温度预示值与在轨温度数据统计见表3。

在轨温度及预示温度的分析表明，设备在轨温度良好，说明散射计探测头部采用的热控方案正确、合理；预示温度与在轨温度吻合较好，说明修正后的计算模型状态与实际状态一致。

在轨温度数据分析表明，初样热平衡试验温度异常是由于电缆发热引起的原因分析是正确的，通过定量分析评估试验电缆发热影响的效果非常好，同时也说明了试验前仅通过定性分析不能发现试验电缆发热对试验温度造成的较大影响。

表3 在轨温度及预示温度统计Table 3 Temperatures in orbit and calculated

4 讨论

散射计探测头部热平衡试验的主要特点是：工作时快速转动，试验电缆需通过滑环集中引出；试验外热流和热耗总和近700 W，所有试验电缆通过的电流大于1A，部分试验电缆通过的电流超过3A，使试验电缆自身的发热量较大。在以上双重因素的影响下，试验温度受到了较大的干扰。

散射计探测头部正样状态中，滑环的供电通道为9个，全部用于设备供电。初样热平衡试验中，滑环可用于供电的通道为16 个，由于通道数量的限制，用于设备热耗模拟回路供电的通道只有2个（设备主份和备份的热耗模拟回路分别占用2个通道），外热流模拟回路占用12个通道。由于初样热平衡试验中滑环通道增加了外热流模拟的供电，同时减少了设备热耗模拟的供电通道数量，因此，试验中滑环附近的试验电缆发热量远大于正样状态的电缆发热。

在系统级或设备级的热平衡试验中，试验电缆集中和试验电流较大的情形经常遇到。试验电缆集中的情形经常出现在以下试验中：整星级试验的局部区域，尺寸较小且回路较多的设备级试验，需要转动的设备级试验。

试验电流较大可由试验外热流或模拟热耗引起。对于尺寸较大的天线，例如HY-2卫星的散射计探测头部的反射器、辐射计探测头部的反射器、雷达高度计天线，某卫星星载SAR 天线，在高温工况需要模拟的外热流均超过了500 W；卫星部分设备或组件工作时的热耗非常大，例如某卫星星载SAR天线单块面板的水平极化发射接收组件在工作时总热耗达到2954 W，环境减灾-1C（HJ-1C）卫星的固态发射机工作时的热耗达到790 W，以上设备在工作时将导致试验电缆通过的电流非常大。

因此，进行系统级或设备级热平衡试验设计时，应对试验特点进行分析，确定试验电缆发热的影响是否需要进行定量分析。进行试验电缆发热影响的定量分析时，主要步骤如下：

（1）问题定位，分析试验电缆的发热特点，确定进行定量分析的必要性；

（2）参数收集，根据试验电缆的设计组成、详细布局、试验电流等信息，计算试验电缆在每个工况的发热量及分布；

（3）模型转化，根据试验电缆的材料、安装状态、表面特性，将试验模型转换为计算模型，保证计算模型的光学特性、热特性及接触换热特性与实际状态相同；

（4）数值计算，根据试验电缆在每个工况的发热量，计算各个工况的温度，通过与试验温度比较，确定计算模型的准确性；

（5）定量评估，依据设计的试验状态对计算模型进行调整，去除试验电缆发热的影响，计算各个工况的温度，通过与试验温度比较，得出试验电缆发热对试验结果影响的量值。

5 结论

在初样热平衡试验中，电子设备常采用结构件替代，设备热耗采用电加热回路模拟。而在初样及正样热平衡试验中，外热流常采用电加热回路模拟。因此，相比正样状态，试验验证中试验电缆是额外增加的部件，试验电缆发热是额外增加的热源，无法回避。

对于航天器系统级及设备级热平衡试验，如果试验具备以下的任何一个特点，应该采取定量分析的方式来详细计算试验电缆发热的影响：①试验电缆集中；②试验电流大。

如果试验设计无法避免试验电缆集中或试验电流较大的问题，则应采取以下措施来减小试验电缆发热对试验正常验证造成的影响：①试验电缆固定在多层外部或对试验温度影响很小的区域；②试验电缆与试验件之间采用多层进行热隔离；③计算模型修正时按照实际状态加入试验电缆的影响。

（References）

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