卫星用综合电缆的设计与制造

乔伟男 王亚宾 高福刚 杨德亮 闵 峻 邱小萍

（1、中科院微小卫星创新研究院，上海201210 2、江苏创仕澜传输科技有限公司，江苏 常州213017）

随着近些年我国航空航天领域的高速发展，卫星发射已经逐渐产业化商业化，发射密度持续增大，在卫星的研制生产过程中，对卫星制造和装配效率提出了更高的要求。同时卫星内部电气设备越来越多，性能要求也越来越高，所需要的电缆种类也日渐丰富。常规的电缆已经无法满足现有的需求，因此我们需要研制一款新的卫星用发射地面测试综合电缆。此电缆在满足屏蔽性能好、环境性能优异的基础上，还具备集成化特点-同时具备电源、信号、数据传输能力，在卫星装配效率具有显著优势，同时还能减小了重量和外径。

1 性能要求

该电缆在使用功能上要求简单统一，安装便捷；在结构特点上，要求电缆具备集成性，同时具备电源、信号、数据传输能力，使得整体结构合理稳定，外径最小，还需要根据实际使用情况进行预分支处理；同时还要满足电缆对复杂恶劣环境的适应，要求电缆具有优良的阻燃性能、低毒或无毒气体释放、具备优异的耐磨性能；还需要具备良好的电磁屏蔽性能，保证信号传输的可靠性；此外还需要保证电缆的功率传输单元的散热能力。

2 结构设计

在认真解读需求的基础上对电缆进行了合理化设计。

2.1 FTF46PJ-96 主缆的设计

电缆结构设计的关键在于保证电缆性能优异的同时，还要求能达到最小电缆外径，并且保证产品质量以及能够降低电缆制造成本。

FTF46PJ-96 综合电缆由三种规格的单元电缆组成。如表1所示。

表1 物料表

其中A 单元为FF46-2 2×19×0.16；B 单元为FF46P21-2 2×19×0.16；C 单元为FF46-2 2×19×0.26，通过计算仿真设计，最终确定了FTF46PJ-96 电缆的结构，如图1 所示。也就是将4 根A 单元线芯绞合成缆后放在电缆中心；11 根A 单元线芯紧贴中心绞合，将剩余14 根C 单元线芯放在缆芯外圈层层包裹，由于C 单元采用19×0.26 的线芯，较AB 单元而言外径更大，放置于中心则不利于散热，故此应放在外层；为了防止电磁屏蔽干扰，所以在B 单元成缆后增加了镀银铜丝编织屏蔽，可以减少相互摩擦，破坏相邻电缆，且放置于最外层有利于散热，与剩下的C 单元交叉排列，确保工作温度合理。这样的排布使得电缆最终成为一个规整的圆，圆形结构可以使电缆使用率最大,传输电流最多, 耐压,容易保护,方便弯曲，并且可减小电缆外径，易于加工从而达到降低电缆制造成本的目的。在考虑屏蔽性能时，我们将双绞信号线做单独屏蔽，整根电缆做整体屏蔽再加护套，这样的结构可以保证电缆中信号稳定的传输，使得电缆性能更佳，有效的隔绝了部分外来因素的影响。

图1 综合电缆的结构

在护套材料选用上，采用了聚氨酯材料作为外护套的电缆：一方面由于次电缆为地面测试用电缆，环境恶劣，使用要求较高所以护套材料需要防水防潮，且聚氨酯长期使用后不会老化变硬具备高耐磨损性能，不会使电缆性能降低，也可在低温环境中也能正常运行；另一方面是由于聚氨酯材料与PVC、PE等橡胶材料性能相似，可熔融挤出且不需硫化，可以通过调整挤出时的温度来达到不同的材料性能。综合考虑以上要求，我们采用了聚氨酯材料作为外护套的电缆。

2.2 FTF46PJ-96 分支的设计

在主缆设计完成后，我们进行了分支电缆的设计，如图2。预分支电缆是在生产主干电缆时按设计图纸预制分支线的电缆，是近年来的一项新技术产品，具有防水防潮、降低安装成本、便于施工等性能。

图2 综合电缆分支的结构

首先，将电缆的外护套1 米处剥离，将该段编织层翻转至未剥离的电缆一侧，在将分支中的电缆束好，套入编织套与主体有效的连接，并将各分支用热缩管束好。使用“一分三”手指套套入分支和主体电缆，在主体电缆处用高压防水自粘胶带绑扎至合适尺寸，然后将手指套热缩并在相应的位置做好相应的记号。

在热缩套管的处理上，我们选用了环保型PET“一分三”手指套热收缩套管。一方面是为了完整将主缆过度到分支线；另一方面是PET 热缩管不管是从耐热性、电绝缘性能、机械性能上都大大超过传统的PVC 热收缩套管，且在使用上与统的PVC热收缩套管并无区别；更主要的是PET 热收缩套管更为环保，具有无毒性，易于回收，对人体和环境不会产生毒害影响；最后PET 热缩管材质轻盈、成本低廉、具有优异的清晰度且极其牢固、吸水性弱。

综合考虑上述要求，我们采用了环保型PET“一分三”手指套热收缩套管来做分支线的处理，也可以有效的达到防水防潮的特点。如图3 所示。

图3 综合电缆实物示意图

FTF46PJ-96 综合电缆是长电缆模式，采用压降处理可多颗卫星并行测试- 同时具备电源、信号、数据传输能力，在卫星装配效率具有显著优势。

3 关键工序工艺要点

图4 FTF46PJ-96 综合电缆的生产工艺流程

根据所设计的FTF46PJ-96 综合电缆的结构制定了电缆生产工艺流程，如图4 所示。

3.1 绝缘挤出

FEP 材料具有稳定的分子结构，有着极好的化学稳定性和电气性能，加工工艺性能佳，所以选用FEP 作为电缆的绝缘层。

在材料挤出前需要将线芯预热，一方面可以去除线芯上的杂质，使其变得坚硬一些，更容易通过挤塑模具，另一方面预热过的线芯挤出时更容易使FEP 材料均有的附着在线芯上。绝缘挤出采用半挤管式模芯模套，在导体上直接进行。由于FEP 材料的熔融粘度和优异的拉伸性能，所以采取挤管式模具。一般来说模芯模套的拉伸平衡比DRB 通常在1.05（0.9-1.1）左右。确定正确的配模比和拉伸比，可以使得挤出锥度达到理想长度。熔融锥体长度太长将导致较大的挤出线变化；熔融锥体太短，将会导致锥体的断裂；过大的配模比会产生大的剪切速率，使电缆表面粗糙、无光泽、线径外观凹凸不平；过小的配模则过导致电缆线径不稳定。结合我们的长期实践经验，通过拉伸比和拉伸平衡计算公式优化选取模芯模套，达到提高生产率的目的。

综上所述采用模芯选用φ1.5/φ3.0，模套选用φ5.0。实际挤出过程中的锥度如图5 所示。

为了保证芯线的绝缘强度和耐电压性能，芯线绝缘的同心度应不小于85%，合适的同心度可以有效防止偏芯或击穿的发生，芯线同心度如图6 所示。

3.2 成缆绕包

电线采用同心绞合成缆，相邻层同向绞合，最外层反向绞合即右向绞合。成缆时不使用填充，并且在绝缘线芯成缆后包绕布带，使线缆更为圆整：保证了电缆使用率最大并且可减小电缆外径，易于加工节省成本。

电缆绕包可有效的防止缆芯在弯曲时松散或变形、露出部分缆芯，以确保缆芯的圆整和紧密。因此，就要求绕包带具有较高的抗张强度和较低的伸长率。而无纺布与PVC 带相比，具有高抗张强度、低伸长率、性能稳定、价格便宜等优点，能极大程度的降低了成本还能保证产品的性能，因此本项目选用无纺布作为成缆后的最终绕包带材料，一般绕包搭盖率为25%～35%。

图5 挤出锥度

图6 同心度

3.3 编织

本项目采用镀银铜丝编织：为使电缆具有防电磁干扰的屏蔽作用、消除电缆表面电位的屏蔽作用以及安全保护的屏蔽作用。

编织密度是指被线股遮盖的表面与整个被编织电线电缆产品表面之比。当编织密度过小时，编织层则出现缝隙，密度越小，缝隙的宽度也就越大；选取合适的密度，编织层将无缝隙。一般情况，编织密度范围在50%～90%之间。根据我们实践经验应选择编织密度≥85%，且编织屏蔽可以接头，但接头应不影响成品电缆的尺寸和性能。在编织层的任何点，不能有多于1 锭的拼接。且屏蔽线应排列均匀、整齐，无扭结、无漏编、磨损、刮伤；屏蔽线镀层应光滑、连续；屏蔽层应无鼓包、锈蚀和氧化。

P=（2×p-p2）×100

=（2×0.62-0.622）×100

=85.36%

其中：P：编织总密度

p：单向覆盖率（编织系数）

编织角度：股线的方向与电缆轴线方向的夹角；一般要求在18-40°之间，根据编制角度计算公式计算出选用合理的编织工艺和角度，实际编织角度示意图如图7 所示。

α=arctg[h/(D0+2dπ)×180/π

=arctg[15.85/(2.64+2×0.1π)×180/π

=29.5°

其中：α：编织角度

h：编织节距

D0：编织前径

d：编织单丝

图7 编织角度

3.4 护套挤出

电线电缆的外护套的主要作用是保护电缆避免使其受到环境破坏，从而影响性能以及使用寿命。之前已经确定了外护套采用聚氨酯材质。

由于聚氨酯材料具有很强强的吸水性，极易受潮，直接挤塑会导致电缆表面出现毛孔，气泡等，问题最终导致电缆出现故障，为了确保产品的质量，需要确保聚氨酯材料直接暴露在空气中，然后在护套挤塑前需要对聚氨酯材料进行预烘干处理。

聚氨酯材料粘度高，流动性差，摩擦生热快，且对温度需要精准的控制：

温度过高会导致材料熔融破裂，难以加工；温度过低会导致材料塑化不均匀，线径表面粗糙。挤出时选用了大长径比、低压缩比的螺杆，能够保证聚氨酯材料在腔体均匀流动。为避免护套表面出现毛刺气孔不光滑等质量问题，电缆挤出后需要立刻水冷，且护套的同心度应不小于70%，颜色为黑色。

4 电缆的主要性能及成品试验

电缆的主要性能见表2 电气性能指标、表3 机械性能指标和图8 电缆机械性能指标。

表2 电气性能指标

表3 机械性能指标

图8 电缆机械性能

根据上述设计的结构方案制作出了这款FTF46PJ-96 综合电缆，并对其性能指标进行了测试，测试结果表明全部满足表1、表2 和表3 中的设计指标要求。

5 结论

本电缆是一款结构新颖的电缆，通过对整体结构的设计，满足了电源、信号、数据传输能力以及散热要求，通过编织层设计，满足了电磁屏蔽性能要求，通过外护套的设计，满足了缆对复杂环境的要求，同时通过预分支工艺，满足了装配效率的要求，解决了用户使用中防水防潮问题，与分散连接的多路电缆相比，安装简便，集成度高，使用灵活，性能可靠。经过最终检验，电缆的电性能、机械性能、环境性能等也均满足使用要求，有较高的实用价值，可满足卫星地面综合布线实际使用环境的使用要求。