航天光學遙感器線纜模塊化設計方法

白邈 吳杰 肖越 牛云鵬 朱振興 楊志

(北京空間機電研究所,北京 100094)

航天光學遙感器(簡稱遙感器)是衛星的主要載荷之一，可以快速、全面的獲取大范圍地面景物遙感信息。遙感信息不僅具有極大的軍事價值，同時在農業、地理、海洋和環境資源等領域也有廣闊的應用前景[1]。隨著我國社會的不斷進步與高速發展，國民經濟各部門對于航天遙感信息的需求量不斷增加。因此，如何縮短產品的研制周期，高質高效的完成型號任務是遙感器承制單位生存與發展的關鍵。

以遙感器為代表的復雜航天產品，涉及到光、機、電、熱等多個專業，具有產品結構緊湊、精度要求嚴格、尺寸穩定性要求高、多品種小批量生產等特點[2]，這些都為遙感器的總體裝配帶來了更多的困難與挑戰，而遍布在結構各處的導線與線纜的總裝布線工作則更是存在量大、集中、操作空間有限，占用研制周期主線時間長，降低產品反復裝拆靈活性，增加質量風險與隱患等問題。

本文通過對遙感器總裝布線中遇到的實際問題進行總結與分析，提出一種遙感器線纜模塊化設計的總體設計思路，合理的將線纜進行分級規劃與轉接設置，達到提升產品可裝配性、可維修性等，實現航天遙感器的高質高效裝配。

1 遙感器主體布線存在的問題

遙感器主體上存在的線纜可大體分為兩類：電控線和熱控線。隨著遙感器向更高分辨率、更強功能和更大規模發展，其內部集成的電氣產品不斷增多，線纜的數量、長度也逐步增長，連接關系越來越復雜，分支越來越多，這都導致了在狹小的結構空間中，布線難度大幅增加。遙感器光學產品要求精度高，熱控產品是遙感器結構在太空中嚴酷環境下精度與穩定度的保證。薄膜型電加熱器和溫度傳感器廣泛應用于結構件上，通過粘貼等方式與結構件結合在一起，形成一體。在總裝前，各結構件、部組件所帶的熱控導線為散線，數量從幾根到上百根不等，隨著總裝的進行，熱控散線穿插匯集成束、走線與固定，最終將數百甚至上千根導線焊接至對外電連接器。

當前遙感器線纜的設計模式是從出線部位直接布線連接至主體對外電連接器接口，中間沒有轉接過渡，如圖1所示，在遙感器總裝布線過程中，由于線纜須與結構固定，不可懸空，導致某零部組件上的線纜要經過且固定在其它零部組件上的情況，而熱控散線則存在不同部位的導線匯集在一起，進行綁扎、布線和固定，使得原本可以方便、靈活拆裝的各個零部組件被線纜互聯在一起，如圖2所示。在后續的研制流程中，一些產品或結構零部件需要拆分，則不是單純的機械拆分，增加了線纜的拆卸，而對于匯合在一起的熱控散線，無法從綁扎的線束中分離出來，從而需要進行剪斷處理，后續再恢復焊接，給產品研制增加了工作量和質量風險。

圖1 零部組件所包含線纜的形式Fig.1 Forms of cable contained in Components

圖2 當前遙感器總裝布線形式Fig.2 Current remote sensor assembly and wiring mode

2 面向裝配的線纜設計思想

2.1 模塊化設計思想

模塊化設計是指在設計時按功能或結構組成將某一產品劃分成多個獨立的模塊，每個模塊上集成多個零件或功能單元，根據需求設置各模塊之間機械和電氣聯接接口，在總體裝配過程中以模塊為基礎裝配，組合構成預期的產品。

結構的模塊化設計很好地體現了面向裝配的設計原則。在總體裝配時，沒有數量眾多的單個零件，取而代之的是事先裝配好的各個模塊，模塊之間的聯接設計簡易可靠，裝拆筒單方便，產品的可裝配性將大大提高[3]。

2.2 面向裝配的設計思想

裝配設計 (DFA)是指在產品設計階段，通過對產品裝配過程進行深入分析，使得產品具有良好的可裝配性，達到裝配工序簡單、裝配效率高、裝配質量好、裝配成本低等目的。而產品的模塊化設計便是實現這一目的的有效方法之一。

裝配設計的原則：第一要把裝配零件的數量降低到最少；第二要考慮零件裝拆的簡易性；第三要考慮最優的連接方式等。裝配設計理論認為，裝配總成本是零件數量、裝配簡易性以及再定位數目的函數，如果能夠減少裝配的零件數量，產品裝配的總成本會相應下降[4]。

2.3 線纜的模塊化設計思想

在復雜電纜設計裝配中,電氣設計與機械走向協同不夠,電纜網分支及接點設計難以最優,電氣工程師在進行電纜網分支及接點設計時,不能將電纜網幾何走向充分考慮在內,不能實現并行設計[5]。在進行系統集成總裝時出現相互干涉、相互影響、協調性差等問題。

線纜的模塊化設計思想與結構模塊化設計思想相同，也是將產品上存在的電控、熱控線纜等，依照結構相關性或功能相關性，與光學元件、機械零件、電氣元件組合成獨立的模塊，形成裝配獨立的個體，將穿插在整個總裝過程中的散線、線纜布線工作化整為零，分散到各個模塊的裝配過程中；通過對每個模塊進行合理的線纜轉接規劃，設計主體轉接電纜，又將總裝過程中連續的布線操作，切分成獨立模塊布線和整機轉接電纜布線。即由原來在總裝過程中進行熱控散線匯集與布線，轉化到模塊布線時進行散線匯集，總裝時僅進行轉接電纜的布線，實現散線、線纜布線的化零為整。

3 具體設計實施方案

3.1 產品的裝配設計方案

由于遙感器結構復雜，具有甩出線纜的部組件眾多，故每個部組件均設置轉接電連接器則增加的轉接電連接器過多，增加產品質量，提高研制成本，且占用結構空間較大，較難實現。因此，對于出線根數較少，或裝配關系密切的多個部組件進行合并劃分，整合成一個模塊，降低裝聯及返修復雜性的同時減少轉接電連接器的設置。線纜分級規劃的原則一般是電氣元件、熱控元件線纜到部組件轉接電連接器為一級，然后設置一級轉接電纜實現部組件轉接電連接器與對外電連接器的電氣連接，減少轉接環節降低電纜網的復雜程度，減少設計與實施難度。轉接電纜的設計規劃盡量簡單，避免分支過多組成的電纜網。電纜的布置應在遙感器結構件外表面，避免結構件間或結構件內部的穿插布線，便于總裝過程中電纜的安裝固定與拆卸。

根據上述的線纜規劃思想，針對圖2所示的產品形式，在設計階段對產品的裝配關系、功能相關性等方面進行模塊化設計分析，同時進行線纜的模塊化設計規劃，通過設置轉接電連接器、使用轉接電纜將不同部位引出的熱控、電控信號傳遞至最終接口位置，便可形成圖3所示的裝配規劃方案。

圖3 模塊劃分和線纜分級規劃Fig.3 Module division and cablehierarchical planning

根據圖3，遙感器線纜模塊化設計和分級規劃后的產品裝配關系如圖4所示，可以看出總體裝配關系更加簡單，先進行各部組件的裝配，再進行總體裝配，最終安裝轉接電纜，相比于之前的邊裝配零部組件，邊進行線纜布線的情況，裝配難度顯著降低，減少了零散的機電穿插工作，使總裝流程更加流暢。

圖4 線纜模塊化設計后裝配關系圖Fig.4 Assembly diagram of cable modular design

3.2 轉接電連接器設計選用原則

部組件上設置的轉接電連接器的設計選用應遵循以下原則。

(1)必須選用帶法蘭安裝面的插座式電連接器，一般建議選用板前安裝式插座，以便與結構上設置的固定支架進行機械安裝固定。

(2)必須選用具有尾罩的電連接器，以減少線纜機械振動應力對電連接器焊點的影響，及對于多余物的防護，提高產品質量和可靠性。

(3)必須選用具有機械鎖緊的電連接器，以防止電纜插接后，受到力學作用出現松動或脫落情況。

(4)必須選用具有防插反措施的電連接器，以防止由于低級失誤導致的質量問題。

(5)需本著剩余空點最少的原則，一般電連接器的接點越少，其外形尺寸越小，質量越小，有利于減少空間占用和產品質量。

(6)需在滿足設計和降額需求的情況下冗余最小的原則，一般電連接器的性能參數越高，其外形尺寸越大。

(7)對于傳輸高頻信號、微小信號和敏感信號電纜，不建議設置轉接線纜，以保證信號傳輸性能實現最佳、滿足需求。

(8)從現場實施的工藝便捷性和供配電安全性角度考慮，大功率導線、線纜的轉接推薦選用壓接型電連接器。

3.3 轉接電纜的工藝參數

1)轉接電連接器工藝參數

通過對航天產品常用電連接器及航天器件選用目錄中眾多電連接器的性能參數、使用要求及裝聯工藝要求等方面的對比分析，J14A系列、J36A系列等矩形低頻電連接器，具有圓角防插反設計和雙保險鎖緊機構，體積小、質量輕、可靠性高等優點，已在航天產品上成熟、廣泛使用，可以滿足遙感器熱控電纜等低頻線纜的轉接使用要求。

以J14A系列電連接器為例，在進行轉接電纜設計選用時，需關注以下工藝參數。其工作溫度為-55 ℃～+125 ℃，額定工作電流為3 A，機械壽命為500次，具有9、15、20、26、38、51、62、74、101等9種不同芯數規格。

J14A系列矩形電連接器需選用端接形式為焊杯式的電連接器，其焊杯直徑為0.6 mm，按照 “焊接導線直徑與電連接器焊杯直徑比為0.6～0.9”的要求，此類電連接器僅允許焊接線芯直徑0.36 mm～0.54 mm的導線。

J14A系列矩形電連接器的外形尺寸及匹配關系詳見圖5和表1。

表1 J14A系列電連接器尺寸參數及匹配關系表Table 1 Summary table of dimension parameters and matching relationship of J14A series electrical connectors

注：L表示對接后長度，A表示連接器最大寬度，B表示連接器最大高度，a表示建議開口長度，b表示建議開口寬度，D表示安裝孔間距，d表示安裝孔直徑。圖5 J14A系列電連接器外形尺寸示意圖Fig.5 Outline dimension diagram of J14A series electrical connectors

2)導線工藝參數

轉接線纜選用的導線、線纜應與產品自帶或前端使用的導線保持一致，對于導線的設計選用，不能僅關注其性能參數，還需關注其工藝參數、焊接要求，包括導線的線芯材質、組成、直徑、導線外徑、質量以及顏色等。

3)線纜直徑工藝參數

針對遙感器結構復雜、裝配空間狹小、布線區域緊張等問題，在設計轉接電纜時，線纜的直徑是設計人員尤為關注的工藝參數。由于遙感器轉接線纜規模大，長短不一，導線組成數量不統一，線纜的最小轉彎半徑等工藝要求與線纜直徑參數直接相關，因此，了解線纜直徑精確的工藝參數是線纜設計乃至產品設計都有著重要的意義[6]。

由于線束是由多根單線合成的，線纜的直徑受到綁扎等因素的影響會有微小變化，根據《電線電纜手冊》[7]第七章電線電纜的結構計算，有如下公式，可以計算出多根導線的外徑。

(1)

式中：Z為線纜根數，d為單根導線直徑。

表2列舉了幾種常用線型的單根導線外徑，10根、20根導線組成的線纜的理論計算和實際測量直徑。

表2 導線綁扎后線纜直徑Table 2 Cable diameter after wire binding

3.4 線纜數字化設計的應用

目前，我國以航天為代表的復雜產品制造企業在其產品開發中，大量依靠物理樣機和人的經驗進行總裝工藝規劃，結構、線纜的布局設計和性能測試等工作，研制理念和輔助工具較為落后[8]。線纜數字化設計是實現線纜模塊化設計的技術保障，計算機輔助設計是總體結構、電氣、熱控、裝配以及布線開展并行設計的一個平臺和切入點。

線纜數字化設計技術是根據線纜電氣連接關系圖和三維結構模型，通過在產品三維模型上進行線纜仿真設計與布線，可以提前對產品總裝、布線進行詳細規劃和可行性分析，能夠較早發現產品生產裝配過程中可能出現的問題，預先規劃走線路徑，在路徑合理位置上設置機械固定點，減少實際生產中隨機使用膠液固定的數量，提高產品線纜固定質量和外觀質量，三維線纜模型可以更直觀的指導操作生產，減少工藝人員跟產時間，避免由于對二維工藝文字描述理解上差異帶來的操作實施與工藝設計不統一的情況，也節省了之前需要投產物理樣機，依賴人員經驗和反復試制、修改所耗費的人力物力。實現了產品線纜布線的最優化工藝設計，提高了產品的質量和可靠性[9]。

3.5 實踐效果驗證

某型號遙感器設計論證階段，產品共包含熱控導線1200根，電控導線2000余根，且主體結構復雜，測試狀態與正式狀態變化大，不同的測試狀態需要產品轉換裝配狀態。面對上述情況與問題，型號隊伍分析，如照搬既往的型號研制經驗與模式，一次遙感器總裝布線或測試狀態轉換等環節，就需要大量的導線焊接、剪斷、再焊接等工作，所需工作周期不少于15天，對于緊張的研制周期是無法接受的。后續通過對于線纜模塊化設計的詳細設計與運用，減少總裝過程中熱控插座焊接工作約90%，通過轉接電纜、轉接電連接器的應用，在后續測試狀態轉換、排故等環節，徹底消除傳統模式產品拆分所帶來的剪線、焊線等工作，縮短總裝布線周期10余天，減少電裝布線工作近75%以上，保證了型號的研制進度。

4 結束語

本文通過對遙感器總裝布線過程現存問題進行分析，提出了面向產品裝配的遙感器主體線纜模塊化設計方法，采用轉接電纜布線的設計方案，并歸納了轉接電纜的設計工藝性要求、工藝參數和實施途徑，成功在某型號遙感器上設計應用，顯著縮短了總裝時間，提升了產品的可裝配性和可維修性。面向裝配的總裝和線纜設計具有以下優勢：①降低產品設計難度，運用模塊化設計方法，可以對結構復雜的產品在設計階段進行科學、合理的分割，化繁為簡，使各部分間的關系更加簡單、明朗，從而達到簡化設計、減少出錯概率、縮短產品的研發時間；②提升產品“設計四性”(可制造性、可裝配性、可測試性和可維修性)，通過面向裝配的航天遙感器結構、線纜模塊化設計，在設計階段做到了對復雜產品的組件裝配、裝調測試、總裝集成和返修維護等多方面提前考慮，使得產品“設計四性”顯著提升；③優化產品研制流程，實現產品設計的規范化，組合式的構成模式可以改變產品以往的僵硬，使產品的設計和生產等方式變得靈活適應。通過將總裝過程中的布線、裝配等工作分解到模塊生產裝配過程中，從而實現總裝工藝流程的精簡與優化。通過減少總裝過程中的工藝接口，達到減少部門間、工種間的穿插工作，實現產品研制流程的優化；④提高產品總體效益，通過縮短產品研發周期、提高生產效率，改善產品的設計水平、產品質量和項目管理水平，以取得更好的總體經濟效益。