航天器低頻電纜彎曲半徑控制方法

李慧軍，王林濤，王 威，楊福京

（1.中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094；2.北京衛星制造廠，北京 100190）

航天器低頻電纜彎曲半徑控制方法

李慧軍1，王林濤1，王 威1，楊福京2

（1.中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094；2.北京衛星制造廠，北京 100190）

航天器低頻電纜連接可靠性直接關系到整器產品的性能實現。文章對電纜使用過程中的彎曲受力情況進行了分析，提出了一種電纜彎曲半徑的控制方法，能夠在電纜布局設計階段對彎曲半徑不足的電纜分支進行識別并實施彎曲成型方案。應用該方法可使得低頻電纜避免在使用過程中因承受過大應力而導致的電纜導線斷裂風險。工程實踐亦表明該控制方法具有良好的應用效果和推廣前景。

航天器；低頻電纜；布局設計；彎曲半徑；彎曲成型

0 引言

航天器低頻電纜主要用于航天器各電子設備間供電與信號的傳輸，提供與航天器、運載火箭及地面測試設備的電氣連接接口，是航天器的重要組成部分[1]。低頻電纜的可靠連接直接關系到整器產品的性能和可靠性。在其使用過程中，應確保電纜彎曲半徑滿足要求，避免電纜受到異常過大的應力影響其連接可靠性。但受艙體結構、周邊安裝空間、電磁兼容性等多種因素制約[2-3]，難免會出現電纜彎曲半徑難以滿足要求的情況，使電纜在使用過程中承受一定的應力，存在使用風險。常用的電纜應力消除方法包括利用電纜束自身的柔軟度，或電纜尾罩內的應力余量等。此類方法只能在電纜安裝敷設過程中使用，處于最末端的實施環節，約束條件多且往往難以奏效。

本文提出了一種低頻電纜使用過程彎曲半徑的控制方法，將實施環節前移，在設計階段通過計算、仿真、建模等方式對電纜使用過程中的彎曲半徑進行復核，提前識別出彎曲半徑不滿足要求的電纜，并提出相應的彎曲半徑控制方案，最終在電纜研制和安裝敷設中實施。

1 電纜彎曲受力分析

電纜在使用中應從尾罩處理部位后端 30～50 mm處開始彎折，且電纜彎曲半徑R應大于6～10倍電纜束直徑D[4-6]；否則會對電連接器內部導線造成應力，如圖1所示。

圖1 電纜彎曲受力分析Fig.1 Analysis for strain distribution of cables

通常有 2個方法可以釋放電纜使用過程中的應力：

1）使用柔軟的電纜束

若電纜選用了普通較為柔軟的導線，同時各種約束條件限制較小，不需要對電纜進行外部包扎處理，則柔軟的電纜束類似于繩子（如圖2所示）。對電纜的一端施加應力F時，應力通過繩子本身就已釋放，不會傳遞到固定繩子的根部，也就是說，電纜尾罩內的導線不受力，消除了電纜使用中存在的受力風險。

圖2 柔軟的電纜束釋放應力Fig.2 Stress release of soft cables

2）利用電纜尾罩內的應力余量

若選用了較硬的屏絞導線束或者電纜在艙外安裝需要進行額外的溫控包扎，同時受安裝空間約束使電纜彎曲半徑較小，則較硬的電纜束類似于棍子（如圖3所示），電纜尾罩內導線彎曲形成的應力余量類似于繩子。對電纜一端施加應力F時，好比一根棍子的一頭系著軟繩，應力直接通過棍子傳遞到軟繩處，再由軟繩將應力釋放，不會傳遞到固定繩子的根部，也就是說，電纜尾罩內的導線根部還是不會受力。

圖3 較硬的電纜束釋放應力Fig.3 Stress release of hard cables

但是，這種消除應力的方式只能在電纜安裝敷設階段實施，而且電纜尾罩內的應力余量小，并不能完全解決問題。若電纜使用狀態十分惡劣，電纜承受了較大的外力，將電纜尾罩內的應力余量完全消耗后的應力就無法得到有效釋放，最終仍會使得應力直接作用于電纜束導線根部；當導線所承受的外力大于導線或者壓接點的抗拉強度時，就會發生導線斷線現象。同時，在電纜最后的安裝階段實施彎曲半徑控制往往受約束較多，通常要付出較大的代價才能解決。因此，最佳的解決方式是在設計階段將問題提前識別出來并制定相應的解決方案。

2 設計階段實施的彎曲半徑控制方案

以載人航天器為例，電纜研制的常規工作流程是：1）電氣設計師依據輸入文件（通常是 IDS，即接口數據單）開展電纜分支關系設計；2）總裝設計師依據電纜分支開展電纜分支走向及長度設計，輸出分支長度要求；3）電氣設計師依據電纜分支關系開展線徑設計、屏絞設計、轉接設計及穿艙設計等，輸出生產接點表；4）電纜生產單位按照收到的輸入設計文件開展電纜生產工作，并完成交付；5）電纜安裝部門按照輸入的安裝模型進行實施[1,7-8]。

本文提出的設計階段電纜使用過程彎曲半徑控制方案，相對于常規的電纜研制流程，新增了3項工作：電纜束直徑預估，彎曲半徑復核及彎曲成型方案設計。新的設計流程如圖4所示，紅色框內即新增工作。該方案將工作重心前移，彎曲半徑不足的電纜由電纜設計部門通過計算、三維建模等方式在設計階段進行識別，并提出相應的可消除應力的彎曲成型設計方案，落實到電纜生產中，最終電纜安裝時按照設計方案進行敷設，確保徹底消除應力。

圖4 電纜彎曲半徑控制設計流程Fig.4 Design process for the bend radius control of cables

2.1 電纜束直徑預估

電纜束直徑預估工作須在完成全部生產接點表設計后進行。航天器電纜束規模一般都很大，不必對全部的電纜束直徑進行預估，可先由總裝設計師對電纜進行粗識別，確定彎曲半徑可能不足的電纜分支后，再由電氣設計師開展有針對性的電纜束直徑預估工作。

對于由同種導線構成的電纜束直徑計算，可以等效為若干等圓的外切圓直徑計算問題。表1給出了導線根數為2～6根的電纜束直徑計算結果；當導線根數超過6根時，電纜束直徑為[9]

式中：D0為中心層外徑，mm，可根據中心層導線根數直接從表1中選取對應的數值；d為單根導線直徑，mm；n為中心層以外的導線絞合層數。表1匯總了導線根數為 2～19根的電纜束直徑計算結果，其中導線結構排列是指中心層導線根數+中心層以外的各層導線根數。

表1 同種導線電纜束直徑計算結果匯總Table 1 Outer diameter calculation results of wires of the same kind

電纜束直徑預估主要考慮的因素包括：

1）導線種類，如普通導線、雙絞線、三絞線、雙絞屏蔽線等；

2）導線根數，每種導線的根數；

3）導線線徑，如AWG26～AWG16等；

4）電纜束綁扎情況，如松緊度、外罩屏蔽網、外套護套等。

考慮上述因素后，電纜束構成的排列組合較多，往往是多種類型導線構成的復雜電纜束，如繼續采用幾何方法計算，則需要大量的推導并引入復雜的計算公式，因此，本文建議采用工程化的近似計算方式，方法如下：

1）選取典型種類導線，分別按照式(1)的計算方法結合實際測量結果復核，得到類似于表1的不同導線根數的電纜束直徑統計表；

2）對于由同種導線構成的電纜束，可以直接查詢統計表中結果得到電纜束直徑；

3）對于由不同種類導線構成的電纜束，首先按照導線根數計算同種導線構成的電纜束直徑D1、D2、D3、……，對于總的電纜束直徑則按照直徑分別為D1、D2、D3、……的不等圓的外切圓進行直徑計算；

4）為簡化計算，若不同種類電纜束直徑D1、D2、D3、……均較為相近，可直接取其中的較大值為圓的直徑，簡化為若干等圓的外切圓直徑計算；否則，可先按照直徑大小將導線分類為2～3組，計算出每組的外切圓直徑后，再計算這2～3個不等圓的外切圓直徑作為總的電纜束直徑。

2.2 彎曲半徑復核

目前，航天器電纜走向設計已由傳統的二維布局圖設計方式轉變為基于Pro/E軟件的三維設計方式[10-11]。本文基于電纜三維走向設計方式，提出了電纜彎曲半徑復核方法。具體工作流程如下：

1）將電纜分支關系以電子表格的形式導入到電纜三維設計模塊中；

2）軟件根據電纜分支關系表格數據自動匹配起始點，并根據指定的電纜路徑進行布局；

3）根據給定的線束直徑信息，對電纜直徑進行賦值；

4）對已生成的電纜走向模型進行彎曲半徑復核，對于彎曲半徑不符合要求的電纜進行走向微調確保滿足要求；

5）對經過調整后仍無法滿足彎曲半徑要求的電纜分支生成清單，導出進行記錄。

2.3 彎曲成型方案設計

針對彎曲半徑不足的電纜分支，基于當前已完成的電纜三維走向模型開展彎曲成型方案設計。彎曲成型方式一般分為3類：1）全部預彎，即對整根電纜預彎，長度以預彎后實際電纜長度為準；2）部分預彎，即以分叉點為界限對部分電纜預彎，非預彎部分長度以模型長度為準；3）局部預彎，即對插頭附近局部電纜段進行預彎，整個電纜長度以長度文件為準。

彎曲成型方案設計重點是基于三維模型對處于同一區域、彎曲半徑不足電纜的彎曲形狀進行均一化設計，包括：設定關鍵位置控制點—定義線束公共綁扎段—統一布線路徑。方案設計時，以各獨立電纜線束的彎曲半徑參數為設計變量進行優化設計，保證單根電纜線束滿足裝配空間約束和制造工藝約束條件，同時確保存在位置關聯的不同電纜線束之間形狀匹配和綁扎受力協調。

彎曲成型方案設計結果的輸出形式為經該區域全部線束彎曲參數修正后的電纜走向三維模型。制造部門從該模型中提取各獨立電纜線束的彎曲方向、彎曲半徑、安裝固定位置等信息，作為電纜預彎曲成型加工的依據，一般使用熱縮套管熱縮成型或者根據電連接器外形選配彎形尾罩。

3 在航天器上的應用

某航天器目視可見的艙外電纜均采取溫控包扎措施，電纜束較硬；同時受到艙外電纜固定點的約束，部分電纜預計無法滿足彎曲半徑的要求。為避免電纜使用過程中受到較大應力出現導線斷線的風險，在初樣及正樣階段應用了本文提出的電纜使用過程彎曲半徑控制方案。

3.1 線徑預估

由總裝設計師根據整器設備布局及電纜三維走向模型，給出了需要預估直徑的電纜束分支數據。電氣設計師結合該型號電纜下廠接點表，統計分析出了常用的4種線型，利用式(1)對這4種線型的不同導線根數的電纜束直徑進行了計算，并進行了實物測量復核，結果見表2。

表2 某航天器常用線型電纜束直徑測量結果Table 2 Outer diameter measurement results for different wires used commonly in a spacecraft

在此基礎上，對于其他線徑的導線如AWG16、 AWG18等，根據導線外徑的比值進行電纜束直徑推算；對于多種類型混合的電纜束，如普通單根導線、雙絞線混合等類型，按照外切圓組合公式進行計算；對于加屏蔽護套、加溫控包扎措施等的電纜，根據工程實際，采用增加經驗值的方式進行估算；考慮多種因素后，最終得出所有電纜束的預估直徑結果，并提供給總裝設計師。

3.2 彎曲半徑復核

總裝設計師利用軟件完成的電纜三維走向模型開展彎曲半徑復核工作。首先將電纜束直徑結果導入到軟件中，完成電纜束直徑的賦值；在軟件中利用模型測量電纜三維模型的彎曲半徑，確認是否滿足要求；對不滿足彎曲半徑要求的電纜進行模型彎曲半徑參數調整，在滿足各方約束條件下確保調整后的電纜分支彎曲半徑滿足要求；對調整后仍不滿足要求的電纜分支進行記錄，導出清單，開展專項的預彎成型方案設計。

某航天器電纜彎曲半徑復核過程如圖5所示，采用軟件工具對電纜彎曲形成的內切圓半徑進行測量，確認其是否滿足≥6倍線束直徑的要求。

圖5 電纜轉彎半徑復核過程Fig.5 Verification process of bend radius of cables

3.3 彎曲成型方案設計

經過彎曲半徑復核，共識別出15個電纜分支的彎曲半徑經過模型參數調整后仍然無法滿足要求，須對其開展專項彎曲成型方案設計，其中：3個分支采用部分預彎設計；2個分支采用局部預彎設計；其余分支均采用全部預彎設計。

該型號航天器某個區域穿艙插座涉及的電纜布局較為集中，同一區域采用了全部預彎設計，如圖6(a)所示，并采用熱縮套管熱縮成型的工藝方法進行實施，效果見圖6(b)。

圖6 彎曲成型方案設計模型及其實施效果Fig.6 Model of bend forming for cables (a) and its implementation (b)

3.4 應用效果

本文提出的電纜使用過程彎曲半徑控制方法在某航天器初樣的艙外電纜設計中進行了應用，這些艙外電纜參加了整船力學試驗，經歷了陸運、海運等多種運輸方式，并參與了發射場合練的全過程，通過了高溫、高濕等惡劣環境的考驗，所有艙外電纜均未發生斷線問題。工程實踐表明該設計方法取得了良好的應用效果，同時從應用過程分析看，該控制方案具有較強的通用性，便于推廣到其他航天器開展應用。

4 結束語

本文針對彎曲半徑不足、有承受應力風險的電纜，提出了一種航天器低頻電纜使用過程彎曲半徑控制方法。在設計階段采用計算、測量等工程方法對電纜束直徑進行預估，利用電纜三維模型對彎曲半徑不足的電纜分支進行識別、形成清單，對處于同一區域的電纜進行彎曲形狀均一化設計，設計結果以三維模型的形式直接發布到制造部門進行實施。該控制方法可避免電纜在使用過程中因承受較大應力可能導致的電纜導線斷線問題。通過在航天器研制中的工程實踐，該設計方法具有良好的應用效果和推廣前景。

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（編輯：張艷艷）

The control of the bend radius of spacecraft low-frequency cables

LI Huijun1, WANG Lintao1, WANG Wei1, YANG Fujing2
(1.Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China; 2.Beijing Spacecrafts, Beijing 100190, China)

The connection reliability of the spacecraft low-frequency cables is directly related to the performance of the space units.The bend strain distribution of the cables is analyzed firstly in this paper.Then a control method of the bend radius of spacecraft low-frequency cables is proposed.The cable branch with an insufficient bend radius can be identified and the bend forming scheme can be applied in the cable layout design phase by using this method.With this method, the low-frequency cables in use are able to avoid the risk of broken wires due to extra stress.Engineering practice shows that this design method turns out good result and is worth promoting.

spacecraft; low-frequency cable; layout design; bend radius; bend forming

TN702.2; V465

：B

：1673-1379(2016)05-0550-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.017

李慧軍（1983—），男，碩士學位，從事航天器供配電設計工作。E-mail: lihuijun_cast@139.com。

2016-05-10；

：2016-09-19

國家重大科技專項工程