空间对接机构螺旋电缆设计

高 爽，吴源兵，邵济明，柏合民

（上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

0 引言

对接机构是空间两飞行器实现交会对接的关键设备。在对接过程中，对接环要进行推出、拉回的相对运动实现捕获、锁紧等功能，其捕获锁等电气元件与对接框及系统间通过电缆进行电信号往来，故需要一种连接在对接环框间，能适应伸缩运动、实现信号交互功能的电缆。螺旋电缆共3根，分别安装在对接环导向板下的丝杠联系机构与对接框内的安装支架间，每根50芯，导体载流量0.2～3.0A。每根螺旋电缆的下端处安装托杯，对螺旋电缆起防护和导向作用。螺旋电缆的工作方式为在外力作用下由初始并圈状态缓慢拉伸，拉伸时间不大于5min，拉伸速度不大于3mm／s，随后在外力下缓慢压缩至并圈状态。随着对接环运动到不同位置高度，要求螺旋电缆在有限的范围内能伸缩运动，上下螺旋环同轴，运动时不发生偏移，回缩时不发生弯折，可完全收回托杯中。当运动至对接位置和极限位置时，要求螺旋电缆的拉力均不大于30N，反向压力不大于25N，同时在对接位置和极限位置的停留时间应能分别满足24，1h，停留后需具有良好的回复性和保型性。若出现松弛现象，与其他部件发生干涉，可能发生芯线断裂、部件损坏等意外，对对接机构甚至飞船的正常工作造成严重威胁。另外，装有对接机构的飞船和未来的空间站均运行于距地球表面约400km的低地轨道（LEO），螺旋电缆在舱外会直接暴露于复杂的低地轨道空间环境中，需考虑各种空间环境效应，特别是真空紫外辐照（VUV）和原子氧（AO）效应［1］。调研发现国内外航天线缆生产厂家无完全符合使用要求的现有产品。为此，本文对空间对接机构螺旋电缆的设计与研制进行了研究。

1 螺旋电缆的设计研制

1.1 材料选择

螺旋电缆可分为导线、绝缘层和护套层三部分。导线和绝缘层的功能主要是传输电信号，分别选用镀银铜多股绞线和乙烯－四氟乙烯共聚物（ETFE）材料。线缆的弹性和拉伸压缩力与护套层有关。比较两种常用护套材料。

a）聚酯弹性体的强度、柔软性、耐热老化性能优异，长期工作温度可达135℃，低温柔软性好，弯曲模量随温度降低的变化小，抗紫外辐照能力良好。

b）ETFE有较高的机械强度，长期工作温度可达200℃，可薄壁挤出，从而减轻电缆的尺寸和重量，抗紫外辐照性能极佳，抗老化和耐原子氧能力优异。

对两种材料的护套进行了对比试验分析，发现多次反复拉伸后ETFE护套的弹性保持性优于聚酯弹性体。另外，若护套层材料与绝缘层相同，则可同时定型，优化工艺。因此，选择ETFE为护套材料。

1.2 结构设计

螺旋电缆采用螺旋状外形实现拉伸与压缩运动，类比圆柱螺旋弹簧对其进行定性分析。根据机械设计原理，圆柱螺旋弹簧载荷满足关系

式中：P为螺旋负载；G为材料剪切弹性模量；d为线缆外径；D为螺旋中径；λ为螺旋单圈形变量。螺旋电缆可与其类比。

由式（1）可知：当材料、螺旋中径已知时，线缆外径和单圈形变量是影响拉伸压缩力的主要因素，且线缆外径越小，螺旋圈数就越多（在螺旋段长度不变条件下），单圈变形量就越小，故控制成品线缆外径是关键。

为避免芯线错位破坏结构导致电缆不能回复，在满足载流量要求条件下采取减少芯线种类、多层规则排列的方法，有效控制电缆外径，提高了其圆整性和结构稳定性。内部结构如图1所示。

设计螺旋电缆外形时，根据电缆回复高度范围及电缆外径取值，合理设计螺旋环圈数；多层绞合时小节距成缆，每层成缆后均绕包F4薄膜，起分隔保护作用，使结构更稳定；采用绝缘层与护套层材料同时定型的工艺手段，增加电缆弹性，加强伸缩性能。螺旋电缆设计外形如图2所示。

图1 螺旋电缆内部结构Fig.1 Internal structure diagram of helical cable

图2 螺旋电缆（并圈状态）外形Fig.2 Helical cable outline（retracted state）

根据使用需求，对螺旋电缆整束成缆状态的载荷进行设计计算。取d＝10mm，D＝60mm，λ＝60mm，G＝23.3MPa（经验数据），计算可得螺旋电缆P≈8.1N。在实际产品的常温性能测试中测得拉伸力约11.2N，压缩力约6.9N，且电缆中导线均各自连续，分别导通，相互绝缘。满足拉伸力和压缩力要求。

当电缆的导线成束时，电流通过导线将产生较大温升，对导线载流量进行了可靠性设计，一束导线中每根导线的最大电流

式中：Isw为单独一根导线的最大电流；N为一束导线的导线数。结果可得成缆状态下的载流量为0.65～3.25A，满足0.2～3.0A的使用要求。

1.3 生产制造

螺旋电缆的生产制造工艺流程如图3所示。其中：定型直接关系电缆的综合性能，为关键工艺。定型温度和时间需精确控制，温度过高、时间过长会使电缆芯线出现粘连；温度过低、时间过短会造成电缆定型不足，弹性较差。另外，定型时的温度均匀性亦非常重要，定型温度不均会造成电缆内部应力不均衡，从而导致结构、形状的变化。

图3 螺旋电缆生产制造工艺流程Fig.3 Technological process of helical cable

2 螺旋电缆性能试验

2.1 材料蠕变试验

螺旋电缆在轨拉伸停留时间有特殊要求。固体材料在应力作用下的时间超过材料的最终松弛时间时，会出现形变不可恢复的蠕变现象，可能造成电缆不能正常回缩，同时蠕变变形量随恒定拉力作用时间的增加而增大，随温度增高而增长［2］。为此，分析了常温（23℃）和高温（45℃）下ETFE材料的蠕变特性。

a）进行单轴拉伸性能试验，所得常温和高温下第一、二屈服点的应力及应变值见表1。

b）根据材性试验获得的特征数据，构建有限元模型，分析电缆被拉伸至一定长度时的应力，用于后续蠕变试验。有限元分析采用ETFE材料空心护套圆柱形螺旋弹簧的三折线弹塑性本构模型，如图4、5所示。虽然实心电缆拉伸所需作用力应比仅计算空心护套时偏大，但护套与内部结构之间为非连续性连接，相互约束作用较小，因此忽略了内部结构的影响，认为采用空心护套模型进行应力分析是合理的。

对护套两端进行水平加载拉伸至极限位置长度，计算常温、高温环境下拉伸过程中的拉力值及材料的应力分布。所得为拉力－变形曲线如图6所示，护套的Von Mises应力值见表2，相应的应力云如图7、8所示。由表2可知：ETFE材料护套拉伸至极限位置的应力在常温和高温下差别较小，均值约10.5MPa，确定后续蠕变试验应力10.5MPa。

表1 ETFE材料常温和高温下第一、二屈服点的应力及应变值Tab.1 Stress and strain of the first and second yield point under room and high temperature of ETFE

图4 ETFE材料有限元分析模型Fig.4 ETFE finite element analysis model

图5 弹塑性本构模型Fig.4 ETFE finite element analysis model

图6 ETFE材料护套拉伸变形－荷载曲线Fig.6 Displacement－force curve of ETFE sheath

表2 ETFE材料护套拉伸至极限位置时Von Mises应力Tab.2 Von Mises stress of ETFE sheath stretched to limit position

图7 常温下拉伸至极限位置的应力云图Fig.7 Stress nephogram of the limit position under room temperature

图8 高温下拉伸至极限位置的应力云图Fig.8 Stress nephogram of the limit position under high temperature

c）在常温及高温下对ETFE材料进行了短周期（1d）和长周期（14d）的蠕变及回复试验。试验过程为加载—10.5MPa恒载1d或14d—卸载—0.1 MPa恒载1d。试验测得的应变量见表3。

试验结果表明：在常温和高温下短周期及长周期的蠕变试验后ETFE材料仍可回复，不会出现蠕变断裂。因此，常温和高温下ETFE材料的最终松弛时间均大于14d，满足螺旋电缆拉伸后正常回缩的使用要求。

表3 常温和高温下ETFE材料的应变量Tab.3 Strain values of ETFE under room and high temperature

2.2 伸缩性能试验

选用10根螺旋电缆试样，进行高低温（45，－25℃）条件下的拉伸试验，研究电缆在不同位置的最长停留时间及拉伸一定时间后能否正常回复。试验结果见表4。

试验结果表明：螺旋电缆在对接位置、极限位置的最长停留时间分别为4d，120min，满足24h和1h的使用要求。

表4 螺旋电缆伸缩性能试验结果Tab.4 Results of telescopic performance test of helical cable

2.3 空间环境试验

飞船与目标飞行器的对接轨道高度约400km。当飞船以速度约8km／s在该轨道运行时，大气中的原子氧与其表面撞击的束流密度非常高。原子氧的能量足以使空间材料的化学键断裂并发生氧化；同时真空紫外辐射等其他环境效应很可能与原子氧等因素发生复合效应，造成材料质量损耗、表面剥蚀和性能退化［3］。

为验证螺旋电缆是否具备承受耐空间原子氧和紫外辐照的能力，进行了真空原子氧及紫外辐照综合试验。试验条件为真空压力2.3×10－5Pa，紫外光积分照度1.14×104J／cm2，原子氧累积通量1.878 7×1019atom／cm2，原子氧能量5eV，试验过程中样品温度为常温。螺旋电缆在综合辐照前后的表面形貌如图9所示。

图9 螺旋电缆原子氧和紫外辐照综合试验前后的表面形貌Fig.9 Surface configuration of helical cable before and after AO and VUV tests

试验结果表明：螺旋电缆在综合辐照后的剥蚀率为1.627 7×10－23cm3／atom，满足空间环境的使用要求。

3 结束语

本文对空间对节机构螺旋电缆的设计进行了研究。2011年11月3日，神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器成功实现了首次交会对接。螺旋电缆随着对接环的推出拉回正确传递信号，完成对接。除圆满完成神八、神九和神十飞船飞行任务外，在飞行测试中，螺旋电缆还随对接环推出并保持在对接位置约1d，之后顺利回缩，充分说明螺旋电缆功能性能达到了设计要求。螺旋电缆在飞行任务中的良好应用表明设计的螺旋电缆的结构紧凑、伸缩性能良好，满足低轨空间环境，其设计与应用为航天器舱外电线电缆的研制积累了经验。

［1］ 湛永钟，张国定.低地球轨道环境对材料的影响［J］.宇航材料工艺，2003（1）：1－5.

［2］ 吴明儿，慕 仝，刘建明.ETFE薄膜循环拉伸试验及徐变试验［J］.建筑材料学报，2008，11（6）：690－694.

［3］ 沈志刚，赵小虎，邢玉山，等.空间材料Kapton的真空紫外与原子氧复合效应研究［J］.北京航空航天大学学报，2003，29（11）：984－987.