高原環境對測控裝備影響及適應性改造

63762部隊 仲偉敬 楊彥偉 金術良 宋飛杰 趙志強

測控裝備首次在海拔3500m以上執行嫦娥五號返回段任務。本文論述了低壓、低溫、缺氧及強太陽輻射環境等高原環境特點，結合測控裝備構造特性和關鍵效能發揮，提出了測控裝備高原適應性改造措施，圍繞改造過程，采用理論分析、改造和加裝元器件實踐相結合的方法，有效解決了高原環境對測控裝備各系統、元器件的影響，這些措施經過5個月以上高原環境考驗及完成任務驗證，證明是有效的。

根據嫦娥五號任務測控系統布局，某部車載測控裝備需要位于西藏阿里地區執行任務，西藏阿里平均海拔4300m。原任務書中該測控裝備是在海拔高度不大于3500m條件下設計制造的，高原環境惡劣會制約裝備效能發揮，各項技戰術指標能否滿足任務要求有待考驗，由此需要核實高原環境下裝備工作能力，并采取有效措施降低高原環境帶來的任務風險。

1 執行任務環境估算

結合海拔高度與溫度、大氣壓力、空氣密度、氧含量關系，并查閱近幾年西藏阿里地區全年氣象數據，估算執行任務環境。任務在12月中旬夜間凌晨執行，按照平均海拔4300 m估算，其溫度約為-15～-20℃；其氣壓值約為550kPa，為海平面的54.5%；其空氣密度約為0.794 kg/m3，為海平面的64.8%；氧含量約為12.1%，為海平面的58.2%；其太陽輻射照度約為1200 W/m2，是同緯度海平面的1.2倍，測控裝備于2020年8月進駐阿里，裝備及所屬室外線纜暴曬長達5個月。

2 高原環境對測控裝備的影響

2.1 對電氣設備的影響

測控裝備由大量電氣設備組成，所以要重點分析高原環境對電氣設備的影響。（1）空氣壓力和密度降低對電氣設備的影響：引起固體絕緣材料表面放電能力降低；隨著空氣壓力和密度的降低，電氣間隙的擊穿電壓將隨之降低；引起開關電器滅弧性能降低、通斷能力下降，海拔高度越高其影響越大；空氣介質冷卻效應降低，會使溫升增加，測控裝備高功放為大功率設備，可能會產生過熱或電打火現象，所以要做好高功放設備通風、散熱性能經常性檢查與監視；（2）溫度變化增大對電氣設備的影響：高原空氣溫度的日溫差較大，會使裝備外殼容易龜裂和變形、密封結構容易破裂。

2.2 對電機的影響

同電氣設備主要影響基本一致，高海拔對絕緣等級要求增加，引起電機功率降低，對電機的穩定運行會帶來較大影響。高原環境對電機的主要影響為：電暈起始電壓降低，容易引起火花放電，對電機的絕緣造成損壞；電氣間隙擊穿電壓下降；空氣介質冷卻效應降低，散熱能力下降，溫升增加；直流電機換向不利。電機驅動天線展開、轉動，同時天線對跟蹤性能要求較高，所以對裝備電機要重點防護。

2.3 對天線卷繞筒保溫性能的影響

測控裝備天線卷繞桶主要包括天線線纜、電機等，卷繞桶內采用下部中空通風結構，由于高原地區早晚溫差大、天線座卷繞桶保溫性能較差，會造成天線卷繞桶內溫度變化較大。考慮到高原地區特有的極端天氣氣候，可能會導致天線卷繞桶內線纜以及電機發生結冰等硬化損傷。

2.4 對電子設備（尤其是機械硬盤）的影響

高海拔下的低氣壓會影響機械硬盤正常工作，4300m海拔高度大氣壓只有550kPa，機械硬盤工作時氣流產生的推力不足以托起磁頭，磁頭撞碟導致共震或寫偏，機械硬盤無法正確讀寫。

2.5 執行任務時艙內含氧量分析

高原低壓缺氧，車載測控裝備電子方艙空間有限，面積僅為14m2，在執行任務時艙門為緊閉狀態，15～20人處于方艙內，因此需要為參試人員供應充足的氧氣，滿足長時間工作需要。

3 高原適應性改造

為保證任務順利完成，需對裝備不適應高原工作的部分進行改造，選擇高原型元器件，同時對薄弱部分增加備份，以提高系統可靠性，具體如下。

3.1 天線車調平系統和天線倒伏系統改造

高原環境下，為增強元器件使用的安全性，需要將元器件進行替換和備份，使元器件的電壓等級、電氣特性等滿足要求。針對性措施：更換斷路器、調平控制箱變頻器，并對液壓系統進行維護、保養。主要改造如下：（1）將天線車調平系統和天線倒伏系統中13個斷路器全部更換為施耐德品牌，以提高電源等級；（2）將調平控制箱內原裝4個2.2KW變頻器更換為3.7KW變頻器，解決因海拔升高引起的設備功率下降等問題；（3）將天線車起臥油缸液壓油統一更換為低溫液壓油，保證設備在嚴寒條件下易于啟動；（4）對液壓系統進行檢查、保養和維護，保證設備正常運轉。

3.2 天線自動展開及鎖緊系統改造

高原環境下電機輸出功率下降，天線自動展開及鎖緊系統可靠性降低，為降低風險需要對電機重新選型并更換。針對性措施：更換液壓系統大功率電機，對液壓系統進行維護、保養。主要改造如下：（1）將原液壓系統電機功率1.5KW更換至2.2KW，以提供有效的功率來滿足系統穩定運行需要；（2）整體更換液壓系統在用電機、齒輪泵、聯軸器、防護罩等，電機功率提高，聯軸器穩定性、可靠性提高；（3）清洗液壓油箱，對液壓系統進行檢查、保養和維護，保證設備正常運轉。

3.3 伺服系統改造

伺服系統電機輸出功率下降，可能導致天線轉動速度變慢，極端情況下可能無法正常工作。針對性措施：對部分器件進行更換，同時配備一些備件。主要改造如下：（1）將ACU主、備工控機機械硬盤更換為固態硬盤，并配備一些多功能數據采集備線；（2）備份1個電機、2個直流電源模塊、1個減速器、1個伺服監控板和1個軸角編碼板。

3.4 天線卷繞桶加裝保溫層，安裝加溫器

高原環境下，尤其在冬季，較大的溫差變化容易對天線卷繞桶內線纜及電機造成損傷。針對性措施：加裝保溫層，安裝加溫器。主要改造如下：（1）加裝天線卷繞筒保溫層：聚氯乙烯保溫材料具有良好的保溫性、隔熱性，將聚氯乙烯材料粘貼在卷繞桶表面后，通過減慢溫度變化來保護裝備安全，使其不受高原極端天氣影響；（2）卷繞桶內安裝加溫器：在卷繞桶內加裝8個加溫器，使其能夠在規定時間之內達到指定溫度，在工作狀態下能夠保持恒定溫度，有效防止因高原溫度過低造成的線纜結冰、硬化損傷等問題。

3.5 更換機械硬盤為固態硬盤

測控裝備計算機在設計制造時采用的均為機械硬盤，將監控、DTE、ACU、自動測試、矢量網絡分析儀等13臺設備的機械硬盤統一更換為固態硬盤，以適應高原環境。

3.6 備份重要部件

為增強系統可靠性、降低任務風險，需對其他重要部件進行備份，包括收發陣面電源2個、標校光端機1個、工控機電源模塊4個。其中，工控機電源模塊屬于通用模塊，可供基帶分系統、波控分系統工控機使用，基帶分系統A/B機、波控分系統A/B機共4套工控機，每個工控機由2個電源模塊供電。

3.7 室外線纜環境防護

針對阿里地區紫外線強、沙塵天氣多、任務時段氣溫低的實際情況，使用線纜槽、PVC管、保溫棉分別對室外艙間線纜及光纜進行針對性防護；采用密封膠對密封結構進行密封，并做好每日巡檢；增長開機預熱時間，待室溫達到儀器開機要求后再啟動儀器儀表。

3.8 電子方艙加裝制氧裝置

裝配兩臺制氧裝置，可滿足約20人的吸氧需求。制氧裝置產生的氧氣由電子方艙前部開口引入艙內，艙壁上部前中后分布安裝6個氧氣輸出端，配套鼻吸軟管及氧氣彌散口。安裝完畢后，經過長時間測試，方艙內氧氣濃度能夠保持均勻分布，提高了接收車方艙內部供氧能力。

3.9 備份油機高原改造

測控裝備配套油機為200KW高原油機，可滿足高原參試要求。為提升高原參試供電保障可靠性，對另一臺200KW油機進行高原改造作為備份油機，具體改造內容為：增加水套加熱器、空氣預熱器、手動應急控制屏。（1）增加水套加熱器，低溫環境下對油機預先加熱，避免出現發動機啟動困難或無法啟動現象；（2）發動機進氣口增加空氣預熱器，預先對空氣加熱，避免出現發動機啟動困難或無法啟動現象；（3）增加手動應急控制屏，避免高原環境下電子元器件失效造成發動機無法啟動。

4 高原改造適應性測試

參試分隊于2020年8月中旬抵達西藏阿里，在裝備展開后，于8月下旬開展了裝備高原改造項目功能測試及驗收，測試驗證內容包括：天線起臥、自動展開、車輛調平、測試標校、跟蹤性能及系統工作流程測試等，經測試驗證，裝備改造后系統軟硬件性能良好，精度滿足要求，各系統功能正常；并于8至12月期間開展了裝備操作訓練，裝備性能始終保持穩定、可靠。

2020年12月17日凌晨1時許，測控裝備在海拔4300 m的藏北高原，作為嫦娥五號返回器飛入我國上空的第一站，返回器第一次出黑障后,在極其有限的時間內快速完成目標捕獲，并成功實施返回器遙測數據接收及上行遙控任務，確保了返回器順利“回家”，任務完成十分圓滿。

結語：本文緊貼測控裝備高原執行任務實際，全面深入分析了高原環境對測控裝備電子器件及機械部件損傷機理，詳細介紹了測控裝備高原適應性改造措施及改造方法，經過高原適應性改造，有效降低了高原環境帶來的任務風險。本研究為其他測控裝備在高原環境下長期駐留執行任務提供了難得的適應性改造方法和維護經驗，具有重要推廣應用價值。由于測控裝備只在高原環境下駐留了5個月，高原環境復雜，極端天氣較多，還不能有效的對裝備可靠性進行評估，還有待長時間的驗證與考究。