衛星星上功率電纜熱特性研究

朱劍濤，羅 成，王 東，陳少華

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

星上功率電纜作為衛星供電傳輸通路，若電纜工作溫度超過其額定溫度，則其外部的絕緣保護層會因溫度過高而將被溶化，可能導致母線正負端短路，威脅衛星的供電安全。

在某型號衛星的研制過程中，僅對星上功率電纜進行了熱分析，并根據熱分析數據對電纜熱設計進行校核，但未考慮在整星或電纜處于不同工況下（如電纜束捆綁狀態、散熱環境影響等因素）的熱特性，因此整星狀態下電纜的溫度分布是有效開展熱特性分析的重要參數。在衛星地面熱真空/熱平衡試驗以及在軌飛行中，未對星上功率電纜溫度參數進行測量，因此會影響該型號星上電纜熱特性的全面、有效的分析，其熱設計的校核也缺乏相關數據的支持。

為此，本文結合衛星在軌工作狀況，對星上功率電纜的熱特性進行了理論計算和試驗驗證，通過對計算結果和試驗數據的對比分析，旨在獲得不同工況下的星上功率電纜熱特性及其影響因素。

1 電纜熱分析

1.1 電纜熱流密度

因捆扎的星上電纜束的散熱條件比其余電纜差，因此，選取捆扎電纜作為熱特性對象，作為熱分析的輸入參數，首先應獲取電纜的功率損耗熱流密度。假設衛星整星設計功率為3 000 W，母線電壓取42 V，則單側母線電纜最大電流約為36 A。以瑞侃公司的22#電纜為例，由18根正線和22根負線組成，其線徑約為1 mm，電阻為0.052 5 Ω/m，假設電纜捆扎寬度約為20 mm，則捆扎部位熱流密度約為219 W/m2。

1.2 基本假設

分析中對模型進行如下假設：

1）忽略電纜束與結構板之間的導熱，其熱耗通過輻射方式擴散到周圍環境中；

2）忽略電纜束沿其軸向的導熱，捆扎部位的熱耗只通過捆扎處的表面輻射散熱；

3）忽略與母線電纜捆扎在一起的信號電纜的導熱作用；

4）整個電纜束截面上熱耗均勻分布；

5）艙內平均溫度為20 ℃（293 K）。

1.3 熱分析模型

基于上述假設，電纜向空間的散熱分為電纜束中心向外表面的導熱、以及通過電纜束表面向空間的輻射散熱。假設捆扎部位外表面半球發射率為ε，其表面熱流密度為q，艙內溫度為T0，則根據兩同心圓柱之間的輻射換熱理論可以得到電纜外皮的溫度為[1-2]

式中：Te為電纜外皮溫度；σ為玻爾茨曼常量，5.67×10-8W/(m2·K4)。

1.4 分析結果

1）一根電纜束單獨走線時，q=219 W/m2，ε=0.85，則電纜束外表面溫度約為57 ℃。

2）兩根電纜束合在一起走線時，q=310 W/m2，其他條件相同，則電纜束外表面溫度約為70 ℃。

根據電纜廠家提供的數據，其額定溫度為200 ℃，考慮安全余量，則需要降低額定溫度，降額后其設計溫度為120 ℃。

假設1）、2）、3）同實際條件相比可能要惡劣得多，因此電纜實際溫度應該比理論計算值要小。

2 試驗驗證

2.1 試驗方案

星上電纜的熱特性理論分析與實際狀態仍存在一定的差異，因為星上電纜所處熱環境較為復雜，不但受其自身熱耗的影響，而且還受周圍環境影響，另外目前尚缺乏試驗數據和飛行測量數據，無法對星上功率電纜的熱特性進行驗證。因此，需要開展相關試驗以進一步驗證電纜的熱特性設計。

由于電纜的熱特性主要取決于電纜中電流、狀態及其所處的熱環境。所以，選取衛星母線電纜（南母線為01#和03#電纜，北母線為61#和63#電纜）在軌工作中可能出現的最大電流工況作為試驗工況，如表1所示。試驗中模擬衛星處于夏至工況，并按此工況進行外熱流設置，使設備溫度與在軌溫度一致或更高。表1中的工況1為夏至工況下母線01#電流為30A，工況2為夏至工況下母線01#電流為36A，其他表中工況的含義相同。

表1 電纜熱特性驗證試驗方案Table 1 The testing scheme for the power cable of satellite

2.2 試驗結果

試驗中電纜的電流和設備的溫度見表2。由表2中的數據可知，電流和溫度均滿足要求，說明模擬的電纜環境接近真實的在軌狀態。

表2 試驗中電纜電流及設備溫度情況Table 2 The current in power cable and temperature in equipment

2.3 電纜溫度

不同工況中，由于電纜的電流不同，最高溫度位置也不相同。試驗中，電纜最高溫度均出現在單根電纜熱縮帶內（線束內）。工況1下出現最高溫度處是03#電纜，工況2對應的是01#電纜，具體數據如表3所示。因此，根據1.4節電纜的額定溫度可知，電纜在軌溫度滿足降額設計要求。

表3 試驗中電纜最高溫度Table 3 The top temperature in power cable

2.4 電纜熱特性及影響因素

2.4.1 電纜的熱特性

通過試驗數據分析，功率電纜溫度主要有以下幾個方面特點：

1）電纜最高溫度隨著電流的增加而提高，其比例一般在2～3 /A℃，如表4所示。

表4 試驗中電纜溫度和電流Table 4 The relation between temperature and current in power cable

2）電源設備上電纜束中溫度基本代表整根電纜的溫度水平，其溫度相差4～7 ℃，如表5所示。

表5 整個電纜束溫度情況（℃）Table 5 The temperature of power cable（℃）

3）在捆扎處電纜束內與線束外最高溫差一般在5～10 ℃范圍內，如表6所示。

表6 電纜線束內和線束外溫度（℃）Table 6 The temperature in and out of the power cable（℃）

2.4.2 電纜溫度的影響因素

根據對試驗數據的分析，可知影響星上電纜溫度的主要因素有：

1）電纜電流的大小。

在相同環境條件下，電纜最高溫度將隨所在電纜電流的增加而升高，且具備一定的比例關系，即2～3 /A℃；在無電流的情況下，電纜溫度僅與所在環境的溫度有關；一旦電纜電流發生變化，其溫度必然發生變化，如圖1所示（工況2中03#電纜的測點溫度與電纜電流的關系，數據與表3最大值一致）。

圖1 電纜（03#）溫度與電流隨時間變化的曲線Fig.1 The curvesof temperature and current versus time for the 03# power cable

2）捆扎狀態。

電纜最高溫度點均出現在電纜熱縮帶內，線束外的溫度比線束內低5～10 ℃左右，其主要原因為電纜的捆扎差別所致，在熱縮帶中電纜的散熱環境較差，不利于散熱，導致其溫度較高。

3）散熱環境。

同一根電纜上不同位置因周圍環境的差別，如散熱空間狹小或隔熱罩影響散熱與其未受影響時的溫差有可能較大。

4）散熱方式。

衛星在軌工作中，散熱方式主要為輻射散熱；對于采用鋁蒙皮的艙板，與其接觸的設備還可進行傳導換熱。試驗中，在相同電流情況下，電纜位于鋁蒙皮艙板的溫度較其他部位低。

5）電纜束的熱容。

當電纜與其他信號線捆扎在一起時，增加了電纜的熱容，使捆扎處溫度相對于未與信號電纜捆扎的部分低。

3 試驗結果與分析結果比較

表7為電纜試驗溫度與理論分析溫度數據。由于整星熱環境較為復雜，分析中要對模型進行必要的假設，所以與試驗數據有所差別。

表7 電纜試驗溫度與分析值Table 7 The measured and calculated temperatures in the power cable

4 對電纜走向和固定方式的建議

根據上述分析，對衛星電纜走向和固定方式建議如下：

1）盡量減少電纜在空間狹小、散熱環境較差的地方進行捆綁；

2）電纜采用熱縮帶捆綁時，應盡量減少熱縮帶的寬度，減少電纜與熱縮帶的綁扎面積，便于捆綁處電纜的散熱；

3）電纜應盡量沿空間較為寬敞的鋁蒙皮艙板位置或者溫度較低的艙板區域鋪設；

4）兩根主功率線應盡量分開鋪設，避免電流提高時，電纜溫度進一步升高。

5 結論

通過星上電纜的熱特性分析與試驗驗證，得到如下結論：

1）星上電纜溫度滿足降額設計要求，在軌工作是安全可靠的。

2）電纜溫度主要取決于電纜中電流的大小，且無累積效應。即隨著電流的升高，電纜中的溫度也升高，反之，溫度下降，當電流為零時，其溫度僅與其所在環境的溫度基本一致。

3）電纜的捆扎狀態是影響電纜溫度的重要因素，電纜的最高溫度均出現在電纜熱縮帶捆扎處，與線束外的溫度差為5～10 ℃。

4）電纜所處的熱環境及熱特性也是影響其溫度的因素之一。

（References）

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