卫星电缆网数字化安全设计及应用

2024-03-12朱效杰李庆孟宪超顾永坤周静

航天器工程 2024年1期

朱效杰李庆孟宪超顾永坤周静

(上海卫星工程研究所,上海 200240)

随着卫星技术的快速发展,各种现代化设计方法都应用于卫星设计当中,卫星的种类也多种多样,如通信卫星、气象卫星、地球资源卫星等[1]。不论是哪种类型的卫星,电缆网都是卫星的重要组成部分,将卫星的各个单机设备连接在一起,使其成为一个完整的整体,各自有序地运行。因此,卫星的正常运转离不开电缆网。然而,电缆网的安全问题也越来越突出,不容忽视。目前,电缆网的安全问题主要存在于设计安全、工艺安全、操作安全、数据安全这4个方面。对于这4个方面的安全问题,国内外相关单位现有的解决方法是通常从操作方面着手,不能从多方面、多角度地综合解决电缆网的安全问题。

为了提高电缆网设计的安全性,本文对电缆网的安全问题进行了分析,从设计安全性、工艺安全性、操作安全性、数据安全性方面提出了相应的解决方法,并且验证了电缆网安全设计方法的可行性。

1 卫星电缆网数字化安全设计

卫星电缆网数字化安全设计包括设计安全、工艺安全、操作安全及数据安全4个方面,如图1所示。

图1 电缆网数字化安全设计主要组成部分

1.1 设计安全性

卫星电缆网设计安全性主要包括:导线的选型、电磁兼容性、导线压降与散热要求、电连接器的选型、舱外转动电缆安全设计以及电缆长度余量设计这几个方面。

(1)导线的选型是需要考虑的一个重要方面。选择的导线应满足:①空间辐射环境的要求;②所用导线应从航天器用元器件选用目录中选择;③导线的线径应与电连接器的焊杯或压接端子相适应;④应选择外部有绝缘层的屏蔽电缆。

(2)电磁兼容性是卫星电缆网数字化安全设计需要考虑的一个重要方面,应根据型号具体要求进行电子、电器设备的电磁兼容性设计,并且要尽量减少使用屏蔽线[2],而且所有的屏蔽线应该有绝缘护套,防止自由接地。具体如下:①对于上升或下降时间很短的数字电路,应采用屏蔽体多点接地,其它电路采用单端屏蔽接地;②接地线要尽可能短,可以使用一根导线一端焊接在焊片上,另一端与屏蔽体焊接;③利用插头尾罩出线夹的螺钉,把焊片与尾罩搭接,通过插头、插座与航天器结构地搭接。

(3)卫星电缆网的功率线设计,需要考虑其导线压降以及散热要求。供电回路的线路压降应符合设计要求,功率线应尽可能短,以减小导线压降。单根功率线负载电流容量应考虑散热因素,包括真空环境、导线数量、工作温度等[3]。主要散热要求有以下几点:①应进行热设计分析,明确功率线的温升;②功率正负信号的隔离设计;③应将功率线敷设在表面,利于散热;④在航天器真空环境试验中,应测量功率线的工作温度。

(4)电缆端电连接器的选型也是电缆网数字化安全设计需要考虑的另一个重要因素。主要从以下几个方面考虑:①要满足不同环境的使用要求;②在比较恶劣的环境中优先选用压接型电连接器;③供电的电连接器应与其它电连接器型号或规格区别开来;④供电的电连接器应按照相关标准进行降额设计;⑤有剩磁要求的,优先选用无磁电连接器[4]。

(5)舱外转动电缆安全设计考虑要素:①对于舱外的电缆,应根据热控仿真结果和离子防护要求进行防护;②舱外电缆工作温度应在-100～+120℃之间;③舱外电缆经受的离子能量最大应不超过5eV;④舱外电缆经受的辐射总剂量应不大于5×108rad;⑤舱外转动电缆安装时,应避开转动部件运动包络区域;⑥电缆在穿过活动部位时应留有适当余量,不得使电缆受损或影响活动部件正常工作;⑦若活动部件附近的电缆绑扎段之间有松散现象,应采取加密绑扎;⑧活动部件周边电缆需进行防勾挂检查。

(6)电缆长度设计时,应根据卫星上各单机实际布局空间以及整星重量要求留出适当的余量。此外,还要考虑电连接器插拔操作空间长度和电缆弯曲长度,避免导线与电连接器拉得太紧,导致受到机械拉力,但也不要过度松弛,造成安装不牢固。电缆长度余量计算公式为

(1)

式中:L为含余量的电缆长度;L1为电缆长度;p为余量比例;L2为单位长度;λ为修正系数。

1.2 工艺安全性

工艺安全性是电缆网数字化安全设计的重要方面。卫星电缆网中最主要产品焊接禁(限)用工艺为每个焊杯内导线芯线的数量应限制在能与焊杯内壁整个高度都相接触为宜,不宜超过3根,导线芯线总线径与焊杯内径之比一般为0.6～0.9[5],如图2所示。若不满足则将使得焊接部位易产生焊接缺陷,影响卫星的可靠性。这里在电缆网设计输入的电缆接点表中增加校验规则,通过获取接点表中两个端口的电连接器规格,匹配电连接器限用规格表中的导线限用信息规格,若不满足给予信息提示。这就使得电缆工艺的检查工作前移,避免后续设计的返工,影响型号质量和进度。

图2 两端单机不同线径比示意图

压接工艺是导线连接的另一种重要工艺。压接工艺的安全性要特别注意:①端子单侧最多允许压接2根导线;②导线芯线尺寸、压接端子尺寸以及压接工具型号,三者必须匹配正确;③将绞合后的线芯插入到相应规格的压接端子中,不得有任何弯折;④禁止采用折叠导线芯线的方法来增加导线截面,禁止将一些芯线留在压线筒外或修剪芯线的方法来减小导线截面积;⑤按压压接钳手柄完成一个压接全周期,禁止重复压接和重叠压痕。使用压接钳来压接端子的过程如图3所示,压接完成后的端子如图4所示。

图3 端子的压接示意图

图4 压接完成后的端子

1.3 操作安全性

在卫星电缆从设计、工艺到加工、总装的整个过程中,操作安全性是一个不可忽视的方面。卫星电缆网数字化设计必须考虑方便操作,卫星布局有时单机会布局在中间,单机上的电连接器方向朝里,操作人员在外侧看不到电连接器的位置,因而当操作人员将电缆端电连接器接插到单机的电连接器上时,会造成盲插,导致单机或电缆端电连接器接触件损坏,甚至导致单机损坏。

卫星是一个涉及供配电分系统、推进分系统、热控分系统、结构分系统、数传分系统等多个分系统的综合产品,在进行电缆网数字化设计时,必须考虑与其它分系统是否干涉[6]。例如,如果设计的电缆路径与热控分系统的加热片干涉了,加热片会不断产生热能,会导致电缆在加热片逐步累积的热量中受到损伤,甚至失去功能。

电缆生产加工后,在敷设电缆时要考虑电缆敷设的热设计、热防护以及电缆网防止短路敷设。电缆敷设时的热设计与热防护,主要考虑电缆的热控包扎,如无特殊要求,功率线外部不应包扎热控材料;电缆应与发动机、火工装置保持适当距离,并采取防热措施;电缆应避开装有腐蚀性液体或气体、易燃液体或气体的单机设备或管路;电缆与产生高温的设备之间必须有足够的距离,以避免由于温度过高,造成电缆的损伤[7]。电缆敷设时防止短路的措施主要有:冗余的分系统之间的电缆应分开敷设,或采取隔离措施,以避免出现一个分系统的电缆损伤而影响另一个分系统的现象;电缆在穿舱时,应在电缆外侧包扎绝缘层,并且穿舱孔也要进行绝缘保护以防止损伤电缆;电缆与尼龙底座卡箍接触面的形状,应该与电缆的形状一致,而且电缆表面不能出现绝缘层损伤等现象;电缆不能与单机设备、管路等有明显突出尖角的部分接触,以防止刮伤电缆。

星上带电电连接器操作安全:卫星断电后,蓄电池组仍处于带电状态,对蓄电池组的功率输出、单体电压采样、均衡电路、火工品母线等功能连接电缆上的电连接器操作为带电操作。鉴于星上带电插拔操作的风险性,在绝大多数情况下禁止带电操作,但某些操作不得不在带电情况下进行。为了确保蓄电池组带电操作不会给星上带来安全性隐患,应采取如下的保护措施:①蓄电池组操作人员操作前须仔细阅读蓄电池使用说明书,熟悉安全操作注意事项;②操作人员在对蓄电池组操作或在电池组所在的舱段操作时,应避免用尖、锐等金属工具碰及电池壳体、电池极柱等;③安装和拆卸等过程中使用的工具,须采取绝缘处理措施;④对蓄电池组的带电电缆进行装拆操作时,应遵循“电池端电连接器最先拔下、最后插上”的原则,对于正、负分开的电池电连接器,遵循“先插负,先拔正”的原则;⑤蓄电池组电连接器操作前,检查电连接器插头与插座编号,需一一对应,并确认电连接器内无多余物;⑥蓄电池装星后,需加保护罩对每个结构块进行保护;⑦蓄电池装星前,需仔细检查电池外壳表面、极柱等处的白漆、胶是否完好,如有脱落,不得装星使用;⑧长时间不电测时,建议电池从星上拆除,拆除时,需注意避免电缆插头、散线等金属物品触碰电池外壳、极柱等区域,不从星上拆除时,需定期监测蓄电池电压并对蓄电池进行补充充电,确保电池不过放。

1.4 数据安全性

数据安全性设计是卫星电缆网数字化安全设计的另一个重要方面。在卫星供配电分系统中,所用的电缆主要有大功率电缆、普通信号电缆、火工品电缆等类型[8]。大功率电缆电流比较大、通电时间比较久,普通信号电缆电流较小,火工品电缆产生瞬时大电流。因此,在设计时要将它们分开走向,以避免不同类型电缆之间的电磁干扰。

在电缆卡箍的模型属性中标记卡箍的最大电缆通量的信息,当生成的电缆经过卡箍或穿舱孔时,分别计算出每束电缆的直径信息,根据设计经验公式,判断该卡箍经过的电缆网的直径是否超差,从而避免卡箍固定太多电缆而出现脱落的现象[9]。电缆卡箍处校验公式为

N≥2×

(2)

式中:N为限制通量,单位为mm;Dhar1为第一束电缆的直径;Dhar2为第二束电缆的直径;Dharn为第n束电缆的直径;α为电缆数量。

随着整星功率的逐步增大,电缆电磁兼容性也越来越重要。对于电缆线束的捆扎,除了要求捆扎简单可靠、便于拆除,捆扎材料要耐高温,捆扎宽度一般为3～8mm,捆扎间隔一般200～300mm等基本要求外,还需要对大功率电缆、普通信号电缆、火工品电缆等进行区分和识别,如绑扎线采用颜色标识以区分功率电缆、普通信号电缆、火工品电缆等(见表1)。

表1 电缆绑扎线颜色要求

电缆总装部分的工艺主要涉及电缆捆扎时辅料明细表的生成,电缆走向的确定和捆扎顺序,功率电缆和舱外电缆的捆扎防护等。

导线载流能力是线径选择最主要的考虑因素,次之为电压。导线载流能力与单根导线截面积、绝缘层的额定温度和线缆捆扎的导线数量有关[10]。表2为单根导线额定温度200 ℃的长期电流通常降额准则,对绝缘导线额定温度为150 ℃、135 ℃和105 ℃的情况,应在表2所示降额值的基础上再分别降额80%、70%、50%。

表2 导线通常降额准则

2 电缆网安全设计应用实例

在卫星实际研制过程中,运用本文所提出的电缆网安全设计方法,可以较好地实现电缆网的安全设计,具体设计应用实例如下所述。

本实例中,在设计安全方面,电连接器以及导线的选型按照1.1节设计安全性的原则,选择符合要求的厂家及其产品,根据导线传输的功能,选择单线、双绞线、三绞线、单屏蔽线或者双屏蔽线等。导线传输的是普通信号内容,所以采用单线。

在工艺安全方面,按照1.2节工艺安全性的原则,不使用禁限用工艺(见表3)。导线与电连接器焊杯的焊接状态,如图5所示,导线与电连接器的焊杯相匹配,焊点均匀、光滑,工艺安全性良好。导线的压接状态,如图6所示,左侧为单线,右侧为双线,导线的所有线芯均已整齐的插入压接端子中,导线在压接部位不存在断头或畸形,压接部位导线无松动。

表3 导线焊接与压接禁限用工艺

图5 导线与电连接器焊杯焊接状态

图6 导线的压接状态

在操作安全方面,电缆敷设时,星上操作人员注意按照电缆设计路径,避开热控加热片、推进管路以及尖锐的部位,以避免损伤电缆绝缘层。如图7所示,黄色部分是加热片,白色部分是电缆,电缆从加热片中间穿过,避开了加热片。如图8所示,灰色圆形管路是推进管路,白色部分是电缆,电缆从管路一侧走线,避免与管路干涉。

图7 电缆避开加热片

图8 电缆避开管路

电缆的电连接器插拔时,星上操作人员应特别注意不要盲插。如图9所示,侧板上的单机接插件有朝向里侧的不方便插拔,如果在合舱的状态插拔,那么会出现盲插,可能会导致电连接器接触件损坏。为避免盲插,可以将侧板拉开200～300mm,将电缆端电连接器与单机端电连接器连接,然后再合上舱板。

图9 单机电连接器避免盲插

星上操作时,操作人员还要特别注意不要带电插拔。卫星断电后,蓄电池仍然处于带电状态,星上操作人员必须注意不要带电插拔。如果确实需要带电插拔时,要求带电电连接器的电缆端均需系上黄丝带或缠绕黄胶带,作为带电操作警示,如图10所示。

图10 蓄电池避免带电插拔操作

为了确保锂离子蓄电池组带电操作不会给星上带来安全性隐患,还要采取如下的保护措施:①锂离子蓄电池组操作人员须熟悉安全操作注意事项;②操作人员在对锂离子蓄电池组操作或在电池组所在的舱段操作时,应避免用尖、锐等金属工具碰及电池壳体;③安装和拆卸等过程中使用的工具,须采用绝缘处理;④对蓄电池组的带电电缆进行装拆操作时,应遵循“电池端电连接器最先拔下、最后插上”的原则。

在数据安全方面:将大功率电缆、普通信号电缆、火工品电缆分开布线,如图11所示。