衛星電纜網數字化安全設計及應用

朱效杰 李慶 孟憲超 顧永坤 周靜

(上海衛星工程研究所,上海 200240)

隨著衛星技術的快速發展,各種現代化設計方法都應用于衛星設計當中,衛星的種類也多種多樣,如通信衛星、氣象衛星、地球資源衛星等[1]。不論是哪種類型的衛星,電纜網都是衛星的重要組成部分,將衛星的各個單機設備連接在一起,使其成為一個完整的整體,各自有序地運行。因此,衛星的正常運轉離不開電纜網。然而,電纜網的安全問題也越來越突出,不容忽視。目前,電纜網的安全問題主要存在于設計安全、工藝安全、操作安全、數據安全這4個方面。對于這4個方面的安全問題,國內外相關單位現有的解決方法是通常從操作方面著手,不能從多方面、多角度地綜合解決電纜網的安全問題。

為了提高電纜網設計的安全性,本文對電纜網的安全問題進行了分析,從設計安全性、工藝安全性、操作安全性、數據安全性方面提出了相應的解決方法,并且驗證了電纜網安全設計方法的可行性。

1 衛星電纜網數字化安全設計

衛星電纜網數字化安全設計包括設計安全、工藝安全、操作安全及數據安全4個方面,如圖1所示。

圖1 電纜網數字化安全設計主要組成部分

1.1 設計安全性

衛星電纜網設計安全性主要包括:導線的選型、電磁兼容性、導線壓降與散熱要求、電連接器的選型、艙外轉動電纜安全設計以及電纜長度余量設計這幾個方面。

(1)導線的選型是需要考慮的一個重要方面。選擇的導線應滿足:①空間輻射環境的要求;②所用導線應從航天器用元器件選用目錄中選擇;③導線的線徑應與電連接器的焊杯或壓接端子相適應;④應選擇外部有絕緣層的屏蔽電纜。

(2)電磁兼容性是衛星電纜網數字化安全設計需要考慮的一個重要方面,應根據型號具體要求進行電子、電器設備的電磁兼容性設計,并且要盡量減少使用屏蔽線[2],而且所有的屏蔽線應該有絕緣護套,防止自由接地。具體如下:①對于上升或下降時間很短的數字電路,應采用屏蔽體多點接地,其它電路采用單端屏蔽接地;②接地線要盡可能短,可以使用一根導線一端焊接在焊片上,另一端與屏蔽體焊接;③利用插頭尾罩出線夾的螺釘,把焊片與尾罩搭接,通過插頭、插座與航天器結構地搭接。

(3)衛星電纜網的功率線設計,需要考慮其導線壓降以及散熱要求。供電回路的線路壓降應符合設計要求,功率線應盡可能短,以減小導線壓降。單根功率線負載電流容量應考慮散熱因素,包括真空環境、導線數量、工作溫度等[3]。主要散熱要求有以下幾點:①應進行熱設計分析,明確功率線的溫升;②功率正負信號的隔離設計;③應將功率線敷設在表面,利于散熱;④在航天器真空環境試驗中,應測量功率線的工作溫度。

(4)電纜端電連接器的選型也是電纜網數字化安全設計需要考慮的另一個重要因素。主要從以下幾個方面考慮:①要滿足不同環境的使用要求;②在比較惡劣的環境中優先選用壓接型電連接器;③供電的電連接器應與其它電連接器型號或規格區別開來;④供電的電連接器應按照相關標準進行降額設計;⑤有剩磁要求的,優先選用無磁電連接器[4]。

(5)艙外轉動電纜安全設計考慮要素:①對于艙外的電纜,應根據熱控仿真結果和離子防護要求進行防護;②艙外電纜工作溫度應在-100～+120℃之間;③艙外電纜經受的離子能量最大應不超過5eV;④艙外電纜經受的輻射總劑量應不大于5×108rad;⑤艙外轉動電纜安裝時,應避開轉動部件運動包絡區域;⑥電纜在穿過活動部位時應留有適當余量,不得使電纜受損或影響活動部件正常工作;⑦若活動部件附近的電纜綁扎段之間有松散現象,應采取加密綁扎;⑧活動部件周邊電纜需進行防勾掛檢查。

(6)電纜長度設計時,應根據衛星上各單機實際布局空間以及整星重量要求留出適當的余量。此外,還要考慮電連接器插拔操作空間長度和電纜彎曲長度,避免導線與電連接器拉得太緊,導致受到機械拉力,但也不要過度松弛,造成安裝不牢固。電纜長度余量計算公式為

(1)

式中:L為含余量的電纜長度;L1為電纜長度;p為余量比例;L2為單位長度;λ為修正系數。

1.2 工藝安全性

工藝安全性是電纜網數字化安全設計的重要方面。衛星電纜網中最主要產品焊接禁(限)用工藝為每個焊杯內導線芯線的數量應限制在能與焊杯內壁整個高度都相接觸為宜,不宜超過3根,導線芯線總線徑與焊杯內徑之比一般為0.6～0.9[5],如圖2所示。若不滿足則將使得焊接部位易產生焊接缺陷,影響衛星的可靠性。這里在電纜網設計輸入的電纜接點表中增加校驗規則,通過獲取接點表中兩個端口的電連接器規格,匹配電連接器限用規格表中的導線限用信息規格,若不滿足給予信息提示。這就使得電纜工藝的檢查工作前移,避免后續設計的返工,影響型號質量和進度。

圖2 兩端單機不同線徑比示意圖

壓接工藝是導線連接的另一種重要工藝。壓接工藝的安全性要特別注意:①端子單側最多允許壓接2根導線;②導線芯線尺寸、壓接端子尺寸以及壓接工具型號,三者必須匹配正確;③將絞合后的線芯插入到相應規格的壓接端子中,不得有任何彎折;④禁止采用折疊導線芯線的方法來增加導線截面,禁止將一些芯線留在壓線筒外或修剪芯線的方法來減小導線截面積;⑤按壓壓接鉗手柄完成一個壓接全周期,禁止重復壓接和重疊壓痕。使用壓接鉗來壓接端子的過程如圖3所示,壓接完成后的端子如圖4所示。

圖3 端子的壓接示意圖

圖4 壓接完成后的端子

1.3 操作安全性

在衛星電纜從設計、工藝到加工、總裝的整個過程中,操作安全性是一個不可忽視的方面。衛星電纜網數字化設計必須考慮方便操作,衛星布局有時單機會布局在中間,單機上的電連接器方向朝里,操作人員在外側看不到電連接器的位置,因而當操作人員將電纜端電連接器接插到單機的電連接器上時,會造成盲插,導致單機或電纜端電連接器接觸件損壞,甚至導致單機損壞。

衛星是一個涉及供配電分系統、推進分系統、熱控分系統、結構分系統、數傳分系統等多個分系統的綜合產品,在進行電纜網數字化設計時,必須考慮與其它分系統是否干涉[6]。例如,如果設計的電纜路徑與熱控分系統的加熱片干涉了,加熱片會不斷產生熱能,會導致電纜在加熱片逐步累積的熱量中受到損傷,甚至失去功能。

電纜生產加工后,在敷設電纜時要考慮電纜敷設的熱設計、熱防護以及電纜網防止短路敷設。電纜敷設時的熱設計與熱防護,主要考慮電纜的熱控包扎,如無特殊要求,功率線外部不應包扎熱控材料;電纜應與發動機、火工裝置保持適當距離,并采取防熱措施;電纜應避開裝有腐蝕性液體或氣體、易燃液體或氣體的單機設備或管路;電纜與產生高溫的設備之間必須有足夠的距離,以避免由于溫度過高,造成電纜的損傷[7]。電纜敷設時防止短路的措施主要有:冗余的分系統之間的電纜應分開敷設,或采取隔離措施,以避免出現一個分系統的電纜損傷而影響另一個分系統的現象;電纜在穿艙時,應在電纜外側包扎絕緣層,并且穿艙孔也要進行絕緣保護以防止損傷電纜;電纜與尼龍底座卡箍接觸面的形狀,應該與電纜的形狀一致,而且電纜表面不能出現絕緣層損傷等現象;電纜不能與單機設備、管路等有明顯突出尖角的部分接觸,以防止刮傷電纜。

星上帶電電連接器操作安全:衛星斷電后,蓄電池組仍處于帶電狀態,對蓄電池組的功率輸出、單體電壓采樣、均衡電路、火工品母線等功能連接電纜上的電連接器操作為帶電操作。鑒于星上帶電插拔操作的風險性,在絕大多數情況下禁止帶電操作,但某些操作不得不在帶電情況下進行。為了確保蓄電池組帶電操作不會給星上帶來安全性隱患,應采取如下的保護措施:①蓄電池組操作人員操作前須仔細閱讀蓄電池使用說明書,熟悉安全操作注意事項;②操作人員在對蓄電池組操作或在電池組所在的艙段操作時,應避免用尖、銳等金屬工具碰及電池殼體、電池極柱等;③安裝和拆卸等過程中使用的工具,須采取絕緣處理措施;④對蓄電池組的帶電電纜進行裝拆操作時,應遵循“電池端電連接器最先拔下、最后插上”的原則,對于正、負分開的電池電連接器,遵循“先插負,先拔正”的原則;⑤蓄電池組電連接器操作前,檢查電連接器插頭與插座編號,需一一對應,并確認電連接器內無多余物;⑥蓄電池裝星后,需加保護罩對每個結構塊進行保護;⑦蓄電池裝星前,需仔細檢查電池外殼表面、極柱等處的白漆、膠是否完好,如有脫落,不得裝星使用;⑧長時間不電測時,建議電池從星上拆除,拆除時,需注意避免電纜插頭、散線等金屬物品觸碰電池外殼、極柱等區域,不從星上拆除時,需定期監測蓄電池電壓并對蓄電池進行補充充電,確保電池不過放。

1.4 數據安全性

數據安全性設計是衛星電纜網數字化安全設計的另一個重要方面。在衛星供配電分系統中,所用的電纜主要有大功率電纜、普通信號電纜、火工品電纜等類型[8]。大功率電纜電流比較大、通電時間比較久,普通信號電纜電流較小,火工品電纜產生瞬時大電流。因此,在設計時要將它們分開走向,以避免不同類型電纜之間的電磁干擾。

在電纜卡箍的模型屬性中標記卡箍的最大電纜通量的信息,當生成的電纜經過卡箍或穿艙孔時,分別計算出每束電纜的直徑信息,根據設計經驗公式,判斷該卡箍經過的電纜網的直徑是否超差,從而避免卡箍固定太多電纜而出現脫落的現象[9]。電纜卡箍處校驗公式為

N≥2×

(2)

式中:N為限制通量,單位為mm;Dhar1為第一束電纜的直徑;Dhar2為第二束電纜的直徑;Dharn為第n束電纜的直徑;α為電纜數量。

隨著整星功率的逐步增大,電纜電磁兼容性也越來越重要。對于電纜線束的捆扎,除了要求捆扎簡單可靠、便于拆除,捆扎材料要耐高溫,捆扎寬度一般為3～8mm,捆扎間隔一般200～300mm等基本要求外,還需要對大功率電纜、普通信號電纜、火工品電纜等進行區分和識別,如綁扎線采用顏色標識以區分功率電纜、普通信號電纜、火工品電纜等(見表1)。

表1 電纜綁扎線顏色要求

電纜總裝部分的工藝主要涉及電纜捆扎時輔料明細表的生成,電纜走向的確定和捆扎順序,功率電纜和艙外電纜的捆扎防護等。

導線載流能力是線徑選擇最主要的考慮因素,次之為電壓。導線載流能力與單根導線截面積、絕緣層的額定溫度和線纜捆扎的導線數量有關[10]。表2為單根導線額定溫度200 ℃的長期電流通常降額準則,對絕緣導線額定溫度為150 ℃、135 ℃和105 ℃的情況,應在表2所示降額值的基礎上再分別降額80%、70%、50%。

表2 導線通常降額準則

2 電纜網安全設計應用實例

在衛星實際研制過程中,運用本文所提出的電纜網安全設計方法,可以較好地實現電纜網的安全設計,具體設計應用實例如下所述。

本實例中,在設計安全方面,電連接器以及導線的選型按照1.1節設計安全性的原則,選擇符合要求的廠家及其產品,根據導線傳輸的功能,選擇單線、雙絞線、三絞線、單屏蔽線或者雙屏蔽線等。導線傳輸的是普通信號內容,所以采用單線。

在工藝安全方面,按照1.2節工藝安全性的原則,不使用禁限用工藝(見表3)。導線與電連接器焊杯的焊接狀態,如圖5所示,導線與電連接器的焊杯相匹配,焊點均勻、光滑,工藝安全性良好。導線的壓接狀態,如圖6所示,左側為單線,右側為雙線,導線的所有線芯均已整齊的插入壓接端子中,導線在壓接部位不存在斷頭或畸形,壓接部位導線無松動。

表3 導線焊接與壓接禁限用工藝

圖5 導線與電連接器焊杯焊接狀態

圖6 導線的壓接狀態

在操作安全方面,電纜敷設時,星上操作人員注意按照電纜設計路徑,避開熱控加熱片、推進管路以及尖銳的部位,以避免損傷電纜絕緣層。如圖7所示,黃色部分是加熱片,白色部分是電纜,電纜從加熱片中間穿過,避開了加熱片。如圖8所示,灰色圓形管路是推進管路,白色部分是電纜,電纜從管路一側走線,避免與管路干涉。

圖7 電纜避開加熱片

圖8 電纜避開管路

電纜的電連接器插拔時,星上操作人員應特別注意不要盲插。如圖9所示,側板上的單機接插件有朝向里側的不方便插拔,如果在合艙的狀態插拔,那么會出現盲插,可能會導致電連接器接觸件損壞。為避免盲插,可以將側板拉開200～300mm,將電纜端電連接器與單機端電連接器連接,然后再合上艙板。

圖9 單機電連接器避免盲插

星上操作時,操作人員還要特別注意不要帶電插拔。衛星斷電后,蓄電池仍然處于帶電狀態,星上操作人員必須注意不要帶電插拔。如果確實需要帶電插拔時,要求帶電電連接器的電纜端均需系上黃絲帶或纏繞黃膠帶,作為帶電操作警示,如圖10所示。

圖10 蓄電池避免帶電插拔操作

為了確保鋰離子蓄電池組帶電操作不會給星上帶來安全性隱患,還要采取如下的保護措施:①鋰離子蓄電池組操作人員須熟悉安全操作注意事項;②操作人員在對鋰離子蓄電池組操作或在電池組所在的艙段操作時,應避免用尖、銳等金屬工具碰及電池殼體;③安裝和拆卸等過程中使用的工具,須采用絕緣處理;④對蓄電池組的帶電電纜進行裝拆操作時,應遵循“電池端電連接器最先拔下、最后插上”的原則。

在數據安全方面:將大功率電纜、普通信號電纜、火工品電纜分開布線,如圖11所示。

圖11 不同功能電纜分開布線

圖11中綠色電纜所在路徑為火工品電纜敷設路徑,紅銅色電纜所在路徑為大功率電纜敷設路徑,灰色電纜所在路徑為小信號電纜敷設路徑,分為3條路徑敷設,而且彼此之間間隔要求為20～30mm。固定電纜的兩卡箍之間距離要求為200～300mm。

3 結束語

衛星電纜網的設計是一個非常龐大的、復雜的過程,不但涉及衛星供配電、遙測遙控、熱控等方面,而且還涉及衛星的總裝、測試等方面。安全設計是電纜網設計的重要內容,也是確保電纜網設計成功的前提條件。本文所提出的電纜網安全設計方法,可以應用于各種類型的衛星,為電纜網的安全設計及敷設提供了理論依據。