航天器電線電纜壽命預測模型研究

潘江江 姜 爽 李海偉

(中國運載火箭技術研究院,北京 100076)

1 引 言

電線電纜是航天器電氣系統中最常用到的產品之一，航天器內部電子設備種類繁多，不同電子設備之間依靠電線電纜進行功率輸送和信號傳導，所以電纜數量龐大。而電纜作為不同系統或設備之間交互的重要接口，電纜的正常使用，對航天器電氣系統的功能和性能具有重要作用。由于航天器內部空間有限，導致電線電纜的布局存在著彎曲、交叉、疊放等現象；同時航天器運行時受空間環境因素影響，導致電纜產品的逐漸老化，從而減少電纜使用壽命[1,2]。電纜狀態不佳將導致各類故障的產生，對航天器正常運行造成不可估量的影響。隨著航天器的發展，對航天器在軌時間提出更長的要求，且部分航天器提出可重復發射使用的需求，因此需要精確掌握電線電纜的使用壽命，對電線電纜壽命預測開展研究勢在必行。

國內航天器設計時，由于運載火箭屬于不可重復使用體制，而在軌運行航天器運行時間有限，沒有過多的關注電線電纜的老化及壽命預測研究。部分學者根據航天器研制經驗，考慮到熱、電、機械等航天器上影響電纜壽命的特性因素，通過簡單試驗，對單項因素影響情況進行比對測試，摸索電纜壽命老化的規律性，實現了一定程度上電纜壽命預測的理論研究[3]。目前，國內外對于航天器電線電纜壽命預測研究主要集中于基于經驗公式的單一應力下的壽命模型，其中針對熱、電壽命模型的研究比較多，開展多特征參數耦合壽命模型研究較少。并且模型設計和參數設置多停留在實驗室理論研究階段，對航天器電氣系統實際使用環境因素的影響考慮較少，壽命預測模型的準確度較低，難以做到工程應用。

2 電纜壽命預測模式設計方案

2.1 總體設計方案

電纜壽命預測需要完成電纜老化機理、壽命評價指標體系、虛擬仿真試驗、壽命模型等幾方面研究。首先分析影響航天器電纜壽命的關鍵因素，結合已有的加速老化試驗數據和仿真試驗，進行關鍵因素下電纜的老化機理研究及電纜失效模式分析，并提取能夠表征壽命的可測特征參數，建立反映電纜老化特性的評價指標體系；然后搭建有限元仿真模型，開展基于力學、電學、熱學的電纜老化虛擬仿真試驗方法研究，并搭建虛擬仿真試驗平臺，取代加速老化試驗，用仿真的方法獲得電纜老化數據；最后基于參數估計的方法，建立基于力學、電學、熱學的單因素壽命模型以及多場耦合的多因素壽命模型，實現對航天器電纜壽命的預測。

航天器電纜壽命模型設計方案如路圖1所示。

圖1 航天器電纜壽命模型設計方案Fig.1 Design of spacecraft cable life model

2.2 電纜老化機理及壽命評價指標體系研究

2.2.1 電纜老化關鍵因素影響分析

航天器電氣系統受空間的限制，使得電纜的敷設錯綜復雜，增加了電纜尤其是絕緣層發生故障的概率。在航天器飛行過程中，由于受到空間中的化學污染、輻射、冷熱、電、振動、摩擦、外力等因素的影響，電纜很容易受到損傷，最終導致電纜壽命終止。因此需要對電纜典型的工作環境及其造成的損傷類型進行分析，基于已有加速老化試驗和虛擬仿真試驗數據，明確關鍵因素對電纜壽命影響的機理和規律及失效模式，提取能夠表征壽命的可測特征參數，并確定具有航天電纜特點的壽命評價指標體系[4]。

2.2.2 關鍵因素對電纜壽命影響機理和規律及失效模式分析

航天器在飛行過程中由于電機或其他設備的工作，會產生振動，導致電纜與電纜之間或者是電纜與周圍介質材料之間互相摩擦，造成電纜絕緣層摩擦磨損損傷。電纜通過電流后，工作溫度偏高，以及在航天器飛行過程中產生的溫差導致電纜表面凝結成水霧，在電場作用下很容易沿絕緣層細小裂紋發展成水樹枝，在強氧化環境和輻射作用下，會使電纜絕緣材料分解老化速度加快直至絕緣性能喪失[5]。

首先結合電纜實際的敷設情況，選取熱應力、電應力和振動應力等多種因素作為設計輸入，開展載荷施加情況分析，建立基于熱應力、電應力和振動應力等多因素初步仿真模型，從而得到不同環境應力與絕緣電阻、特征阻抗等可測特征參數對應的數據。然后向有限元仿真軟件中輸入已知的老化反應機理和分子結構參數，或者依據設計經驗預估的老化反應機理，結合加速老化試驗(包括增加受熱溫度、施加高壓放電、使用高頻振動臺增大施加振動量級等方式加速電纜壽命老化)，對所建立的多場耦合仿真模型和加速虛擬仿真試驗方法進行試驗驗證，電纜老化的機理和規律研制方法見圖2所示。

圖2 電纜壽命影響機理和規律研究方法Fig.2 Research method of mechanism and rule of cable life

航天器電纜老化機理研究就是借助已有的加速老化試驗數據(通過現有文獻或者電纜生產廠家老化數據庫獲得)和基于物理模型的仿真分析，并結合電纜絕緣材料性質的理論研究，分析關鍵因素對電纜老化的影響機理和規律。基于物理模型的仿真分析過程：通過對航天電纜敷設結構和方式的分析，在ANSYS中建立有限元仿真模型，分別施加熱應力、電應力和振動應力載荷，通過仿真得到在三種應力的不同應力水平作用下，電纜的絕緣電阻、特征阻抗等可測特征參數的變化規律。

2.2.3 表征壽命的可測特征參數的確定及提取方法

通過對關鍵因素影響電纜老化機理分析，對比得到能夠明顯表征電纜老化狀態的可測特征參數，“可測”即要求能夠在實際工作環境下實現對電纜壽命狀態的檢測，并依靠可測特征參數的數值，進一步判斷電纜的剩余壽命。

考慮到航天器電纜實際的工作環境特點，擬選擇電纜的絕緣電阻和特征阻抗作為表征壽命的可測特征參數，在電纜的實際使用過程中，不對電纜產生破壞就可以對絕緣電阻和特征阻抗進行測量：利用兆歐表可以得到電纜的絕緣電阻，利用反射法可以得到電纜的特征阻抗。根據加速老化試驗及基于物理模型的仿真分析結果，對可測特征參數進行增加或者調整。

2.2.4 電纜壽命評價指標體系研究

壽命評價指標一般可分為以下幾種：(1)力學性能指標：絕緣材料的力學性能是評價材料在變形和破壞情況下其特性變化的重要指標，主要包括斷裂伸長率、拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度等；(2)物理性能指標：物理性能指標是最直觀評價試樣老化程度的指標，主要包括表觀性能變化、光學性能等；(3)電學性能指標：電學性能指標是用來表征電纜絕緣材料電學性能的特征量，如：絕緣電阻、介質損耗、泄漏電流、電纜的電容、電感、載流量等。

基于航天器電纜復雜的敷設和工作環境，將關鍵因素對電纜壽命的影響分解成多個子問題，分析每種環境因素對應的一個或者多個壽命評價指標，采用基于多元壽命退化機理的自回歸融合研究方法，建立關鍵因素影響下的電纜壽命評價指標體系，能夠綜合全面的反映出各關鍵因素對電纜老化的影響，提供老化終止判定條件。

研究不同評價指標內部或者外部變量之間的邏輯關系以及數據關系，采用回歸分析的方法進行統計分析，如公式(1)所示。

y=f(x1,x2,x3…xn)+ε

(1)

式中：y——電纜壽命評價指標體系為因變量；f(x1,x2,x3…xn)——測量函數；x1,x2,x3…xn——分別為每種環境因素所對應的壽命評價指標，為自變量(如溫度、電場強度、振動強度等指標)；ε——試驗誤差。

航天器電纜老化機理及壽命評價指標體系研究技術路線如圖3所示。

圖3 航天器電纜老化機理及壽命評價指標體系研究技術路線Fig.3 Technical route of research on aging mechanism and life evaluation index system of spacecraft cables

2.3 基于多場耦合的電纜老化虛擬仿真試驗方法研究

通過對航天器電纜敷設結構和方式的分析，在ANSYS中建立有限元仿真模型，分別施加熱應力、電應力和振動應力載荷，通過仿真得到在三種應力的不同應力水平作用下，電纜的絕緣電阻、特征阻抗等可測特征參數的變化情況。

在大多數情況下，當多個應力存在時，需要考慮多個應力同時對電纜的作用影響情況，因此建立多場耦合的多因素仿真模型。考慮到熱應力是廣泛存在于不同應力耦合模型中，所以針對多場耦合的多因素影響的模型研究中，主要考慮以下三種類型：熱—振動應力耦合模型、熱—電應力耦合模型和熱—電—振動應力耦合模型，基于單因素、多因素仿真模型如圖4所示[6]。

圖4 基于單因素、多因素仿真模型Fig.4 Single-factor, multi-factor simulation model

至此，可以通過仿真得到熱應力、電應力、振動應力在不同應力水平單獨作用時，電纜的絕緣電阻、特征阻抗等可測特征參數變化情況；也可以得到熱—振動應力、熱—電應力和熱—電—振動應力的多應力同時作用時，電纜的絕緣電阻、特征阻抗等可測特征參數變化情況。這里的可測特征參數根據加速老化試驗結果可以進行調整和增加。

2.4 航天器電纜壽命模型研究

結合航天器電纜的典型工作環境，以及不同環境因素對航天電纜壽命影響的機理分析，建立基于熱學、電學和力學的單因素和多場耦合的多因素壽命模型。在大多數情況下，當多個應力存在時，電纜的壽命模型并不是多個應力模型的疊加，由于不同的應力之間存在相互的影響，在多場耦合情況下需要建立新的壽命模型。

電纜在溫度和振動綜合應力作用下的實際退化過程并不是在溫度和振動單獨作用下的簡單相加，而是相互促進的過程。在振動應力引起的微動磨損過程中，會產生大量的熱，使絕緣層表面溫度不斷升高，從而加快了氧化物的生成；同時，絕緣層生成的氧化物，經振動的相對運動不斷加大微動磨損的摩擦系數，促進磨屑的加速生成。

在溫度與電場的聯合作用下，電纜絕緣材料遭受更為嚴重的破壞，絕緣老化失效進程較快，絕緣材料中的局部放電、介質損耗和絕緣材料本身的化學結構都會受到高溫的影響，同時，溫度的變化也與絕緣中的化學反應速率密切相關，影響絕緣材料結構狀態變化，進而影響絕緣的電氣性能。

在溫度、電場和振動三場耦合的影響下，多因素下的協同效應更加明顯，對電纜絕緣材料的老化影響也更加惡劣，所以同時考慮熱應力、電應力及振動應力的多場耦合作用對電纜老化剩余壽命模型的影響有重要的意義。

采用與單因素壽命模型對應的方法，分別建立熱—振動應力、熱—電應力和熱—電—振動應力影響因素與表征壽命的可測特征參數之間的數學模型以及可測特征參數與電纜壽命之間的數學模型，從而建立三種耦合應力影響下電纜多場耦合的多因素壽命模型，多因素耦合壽命模型技術路線如圖5所示[7]。

圖5 多因素耦合壽命模型技術路線Fig.5 Technical route of multi-factor coupled life model

3 壽命預測模型功能實現

由于通過航天器空間在軌運行實測驗證代價過高，故采用實驗室模擬多因素耦合方式進行壽命預測模型功能驗證，選用常規模式下的電應力、熱應力和振動應力等主流因素進行測試。電纜線選用國內生產的55A標準產品，鍍錫，規格為AWG 20#線，線徑為1.27mm，芯數為7芯，所選電纜截面圖和三維圖如圖6所示。

圖6 電纜截面圖和三維圖Fig.6 Sectional and three-dimensional drawings of cables

選定工作電流為1A，工作溫度為40℃，將計算機仿真數據庫中對應數據導入壽命預測模型，不同應力下的輸出結果如圖7所示。

圖7 不同應力的下的輸出結果Fig.7 Output under different stresses

振動應力導致了電纜間發生摩擦，振動應力載荷施加的結果導致了電纜絕緣層的磨損。所以這里選用不同絕緣層磨損量級反映振動應力程度。同時選取分布電容作為評估不同老化情況下的特征參量，建立電應力、熱應力和振動應力的多因素仿真模型，得到電纜絕緣層磨損量af與分布電容Cf(老化特征量)之間的關系，多因素耦合與電纜損傷(壽命)關系如圖8所示。

圖8 多因素耦合與電纜損傷(壽命)關系Fig.8 Multifactor coupling and cable damage (Life)

針對以加速老化試驗為基礎的剩余壽命預測方法的時間成本損耗大、模型的準確度受試驗環境的影響等問題，提出基于有限元仿真的電纜老化虛擬仿真試驗方法，建立多場耦合仿真模型，對振動、電和熱應力下電纜的老化規律進行仿真研究[8]。

借助有限元仿真軟件，得到多因素耦合情況下振動磨損老化的數據，通過數據庫對比分析找出與電纜壽命的對應數據值，通過同條件下的實物驗證，電纜壽命預測值基本與實際應用情況相符，模型誤差不超過5%，具體內容見表1。

表1 電纜網壽命預測模型驗證情況

4 結束語

航天器電線電纜壽命預測模型有效解決了多因素耦合情況下的電纜壽命預測，減少了電纜故障帶來的安全隱患以及電纜絕緣故障引起的不良后果，能夠滿足航天器長期在軌使用以及航天器重復發射使用的測試需求。同時，壽命預測模型中特征參數提取直觀，特征參數與電纜老化相關性分析準確有效，壽命預測模型測試覆蓋性全面，具有測試數據精度高和多維度因素耦合的技術優勢，采用計算機仿真的方式降低了測試成本，同時便于測試結果的保存和傳輸處理。總之，采用航天器電線電纜壽命預測模型，開展航天器電纜壽命預測仿真分析，對全面監測航天器電氣系統使用狀態，確保航天器順利飛行具有重要意義。