試驗電纜發(fā)熱對熱設計驗證的影響分析

第22卷第2期航天器工程Vol 22 No. 22013年4月SPACECRAFT ENGINEERING試驗電纜發(fā)熱對熱設計驗證的影響分析彭方漢王甜甜耿利寅李國強(北京空間飛行器總體設計部,北京100094)摘要試驗電纜發(fā)熱是航天器熱平衡試驗中一個(gè)難以消除的附加影響因素,常對熱設計的正常驗證造成很大干擾,分析其影響是保證熱平衡試驗驗證正確有效的一項重要措施。針對試驗電纜發(fā)熱對試驗結果及熱設計驗證的影響,文章以我國海洋-2(HY2)衛星散射計探測頭部熱平衡試驗為例,提出了一種定量分析的方法,并描述了對其影響進(jìn)行分析和予以消除的具體過(guò)程。通過(guò)討論散射計探測頭部熱平衡試驗的特點(diǎn),以及具有類(lèi)似特點(diǎn)的系統級和部件級熱平衡試驗的情形,歸納了試驗電纜發(fā)熱定量分析的具體實(shí)施方式,并總結了適用于定量分析的熱設計驗證試驗的特點(diǎn)。在軌遙測數據表明,定量分析的方式可正確有效地評估試驗電纜發(fā)熱的影響,修正后的計算模型可對在軌溫度進(jìn)行準確的預示關(guān)鍵詞試驗電纜;發(fā)熱;驗證;影響中圖分類(lèi)號:V416.4文獻標志碼:ADO:10.3969/.issn.1673-8748.2013.02.022Analysis of Impact of Electric Cable Heat on Thermal Design TestPENG Fanghan WANG Tiantian GENG Liyin LI Guoqiang(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)Abstract: Heat generated by electric cable is an inevitable influencing factor in thermal balancetest. The heat causes serious interference to the thermal design verification tests. It is importantto analyze and eliminate the effect of the heat to guarantee the tests valid and accurate. Taking itfor an example to describe the effect of electric cable heat on the test result in HY-2 scatterometerheads thermal balance test, this article presents a quantitative analysis method and describes theocess of eliminating the effect of the heat radiation on the results. Also, by analyzing the situa-tion of the scatterometer head's thermal balance and other system or component level thermalbalance tests with the similar problem, this article sums up the characteristics of the thermaldesign verification tests gives the quantitative analysis method and enumerates the steps for usingthe quantitative analysis method. In-orbit telemetry data shows that the quantitative analysismethod can precisely predict the effect of electric cable heat radiationKey words: electric cable; heat radiation; validation; impact驗常采用電加熱回路口和紅外籠23來(lái)進(jìn)行熱耗、外1引言熱流的模擬。電加熱回路設計以加熱器的發(fā)熱量為目標值,連接加熱器的電纜發(fā)熱量是額外增加的熱熱控方案研制過(guò)程中,整星及部件的熱平衡試源。對于試驗電纜發(fā)熱的影響,目前普遍采用定性v山中國煤化工收稿日期:201208-02;修回日期:2013-03-07CNMHG作者簡(jiǎn)介:彭方漢(1982-),男,工程師,從事航天器及有效載荷熱設計工作。Emm: penglangnan(gy sina,com114航天器工程22卷分析的方法來(lái)評估其對試驗的影響45,此種方法適外設備1用于電纜發(fā)熱量相對較小、且電纜發(fā)熱分布不集中設備2CoW的通常情況。當試驗電纜集中或發(fā)熱量較大時(shí),局Ow內設備4部試驗溫度受到的影響,無(wú)法通過(guò)定性的方式進(jìn)行有效的識別,而應進(jìn)行定量分析。外設備3以某遙感衛星為例,初樣熱平衡試驗中星內電中軸加熱回路共146路,平均每個(gè)回路的電流為0.5A,內設備6電加熱回路位于星內的試驗電纜平均長(cháng)度為1.5m,計算得到試驗電纜的發(fā)熱量為5.5W,估算整星溫度升高0.1℃~0.2℃,試驗電纜發(fā)熱對試驗的影響可忽略。但是如果146路電加熱回路中有15路集中在衛星的局部,且通過(guò)的電流均大于2A,圖2高頻箱頂板設備布局則試驗電纜發(fā)熱大于9W,引起整星局部的溫度波Fig 2 Layout of apparatuses on top board動(dòng)則不可忽視,上面這種通過(guò)定性分析的方式就無(wú)法發(fā)現試驗電纜發(fā)熱對試驗局部溫度的影響。內設備9內設備4內設備5由于試驗電纜發(fā)熱是所有熱平衡試驗驗證過(guò)程中存在的一個(gè)共性問(wèn)題,進(jìn)行系統級或部件級熱平衡試驗設計時(shí),設計師均應根據試驗特點(diǎn)進(jìn)行試驗電纜發(fā)熱影響的定性或定量分析。本文以我國海內設備8中軸洋-2(HY-2)衛星散射計探測頭部的初樣熱平衡試內設備3驗為例,描述試驗電纜發(fā)熱對試驗溫度造成的顯著(zhù)影響,通過(guò)定量分析進(jìn)行評估,然后對需要進(jìn)行試驗內設備6電纜發(fā)熱影響定量分析的情形以及定量分析的方法勺設備1內設備2進(jìn)行討論,最后總結減小試驗電纜發(fā)熱影響的措施。圖3高頻箱底板及外側板設備布局2試驗情況ig. 3 Layout of apparatuses on bottom and side board散射計探測頭部主要由反射器高頻箱組成,電試驗通過(guò)電加熱回路模擬外熱流及設備熱耗,子設備均安裝在高頻箱上。高頻箱劃分為4個(gè)小隔通過(guò)控溫方式模擬溫度邊界,其它熱控狀態(tài)均與真艙中軸內部安裝電機、滑環(huán)等,電子設備安裝在高實(shí)狀態(tài)相同。頻箱外部以及4個(gè)小隔艙中,如圖1~3所示試驗后的預示溫度計算時(shí),計算模型根據試驗狀態(tài)進(jìn)行了修正,主要修正內容包括:溫度邊界處理,外熱流、熱耗的加載模式及數值,所有部件的熱物性參數,散熱面的光學(xué)特性參數,結構件之間的導熱參數、背景熱流的影響等。試驗電纜發(fā)熱的影響進(jìn)行定性評估,通過(guò)估算,試驗件的整體溫度受電纜發(fā)熱的影響為1℃左右,其影響加載到結構板上。因此計算模型考慮了各種因素對溫度的影響,模型修正完成后,根據每個(gè)試驗工況的參數進(jìn)行了各個(gè)工況的溫度計算。內設備1內設備2在所有工況的計算結果中,預示溫度與試驗溫度差異非常中國煤化工驗溫度和預圖1散射計探測頭部構型示溫度統計見(jiàn)CNMHG試驗溫度比Fig 1 Configuration of the scatterometer head預示溫度平YHa第2期彭方漢等:試驗電纜發(fā)熱對熱設計驗證的影響分析115表1某高溫工況的預示溫度和試驗溫度熱回路與兩個(gè)滑環(huán)通道連接,然后對應的滑環(huán)通道Table 1 Result of calculation and test in a在高頻箱內引出電纜,所有電纜在高頻箱內匯集且high temperature condition固定在滑環(huán)附近較小的區域內設備名稱(chēng)指標/℃試驗溫度/℃預示溫度/℃內設備,50電纜2電加熱回路內設備2-10,50滑環(huán)35.電纜1內設備3[-10,50]47.436.6內設備423.4內設備5[-10,45內設備6-10,45]3.320.4內設備-10,50]45.734.5內設備833.224.7內設備[-10,45]內設備10-10,45]25.5外設備1圖4滑環(huán)與電纜連接示意[-15,60]36.5外設備3[-15,6051.347.1Fig 4 Slip ring and cable connection外設備431.127,9外設備5[-10,45]散射計探測頭部上的試驗電纜固定在高頻箱內「外設備6[-10.4539.735,4部的內設備2旁邊,電加熱回路共16路,如圖5所示。內設備93試驗結果分析內設備4內設備53.1原因分析Ow比較試驗狀態(tài)與真實(shí)狀態(tài),差異如下:①溫度邊內設備8界,試驗件采用模擬艙板來(lái)模擬真實(shí)狀態(tài)的整星艙板,模擬艙板通過(guò)控溫的方式保證邊界溫度與真實(shí)內設備3狀態(tài)相同;②外熱流、熱耗模擬,試驗件采用電加熱/ow器發(fā)熱來(lái)模擬外熱流以及熱耗,模擬值與真實(shí)狀態(tài)內設備6相同,但由于電加熱器需要通過(guò)電纜連接,電纜將有內設備1內設備2定的發(fā)熱量,試驗狀態(tài)無(wú)法消除;③設備狀態(tài),試驗中散射計探測頭部只有中軸內部的電機、滑環(huán)為圖5試驗電纜固定位置Fig. 5 Test cable fixed position電性件,其它設備均為結構件。雖然試驗后的計算模型根據試驗狀態(tài)進(jìn)行了修每個(gè)電加熱回路包含兩根電纜,每根電纜由滑正,確保計算模型與試驗狀態(tài)一致。但比較預示溫環(huán)和引線(xiàn)兩部分組成。根據實(shí)測,滑環(huán)導線(xiàn)阻值不度與試驗溫度,兩者的差異超出了正常的計算偏差小于0.1,引線(xiàn)阻值不小于0.059,因此每個(gè)電加范圍,說(shuō)明在計算模型中設備溫度的影響因素未考熱回路的電纜阻值不小于0.3a慮全面高溫工況的試驗外熱流為544W,設備模擬熱復核結果表明,計算模型除了試驗電纜的發(fā)熱耗為150W,每個(gè)電加熱回路電纜阻值取保守值量為估算值、且加載區域與真實(shí)狀態(tài)不同之外,其它0.39,根據試驗電流得到試驗電纜總發(fā)熱量為狀態(tài)均和試驗狀態(tài)一致。因此,試驗溫度偏高可能16.1W是由于試驗電纜發(fā)熱引起,試驗電纜發(fā)熱并非如試散射計探測頭部正樣狀態(tài)為:所有設備通過(guò)滑驗前定性評估那樣小,需要進(jìn)行詳細的定量分析。環(huán)上的9個(gè)回路供電,所有供電回路并聯(lián),即通過(guò)每3.2試驗電纜影響分析個(gè)供電回路的電流相同;每個(gè)供電回路包含兩根電由于轉動(dòng)的限制,散射計探測頭部上的所有電纜,每根電纜由滑環(huán)和引線(xiàn)兩部分組成,每個(gè)供電回加熱回路均需要通過(guò)中軸上的滑環(huán)與外部連接,電路的電纜阻中國煤化工纜與滑環(huán)的連接狀態(tài)見(jiàn)圖4。外部電纜的每個(gè)電加散射計CNMHG滑環(huán)的總電流116航天器工程22卷為5.1A,每個(gè)供電回路電纜阻值取保守值0.4Ω,計同時(shí)也說(shuō)明了試驗前僅通過(guò)定性分析不能發(fā)現試驗算得到電纜的總熱耗為1.2W電纜發(fā)熱對試驗溫度造成的較大影響。根據計算結果,試驗中電纜附加發(fā)熱量為14.9W。表3在軌溫度及預示溫度統計由于工作時(shí)高頻箱內部設備熱耗總和為43.5W,電纜Table 3 Temperatures in orbit and calculated所在小隔艙的總熱耗為9W,因此高頻箱內部試驗電在軌預示設備在軌預示纜的發(fā)熱量占高頻箱內部設備熱耗的比例為34%,是01/設備名溫度/℃溫度/℃名稱(chēng)溫度/℃溫度/℃10月外設備1|42.443.1內設備121.920.5所在小隔艙熱耗的1.7倍。16日「外設備2|34.132.2內設備2|28.229.3根據以上分析結果,復核后的計算模型根據試數據外設備32323:1內設備521272外設備426.62.5內設備619.420.3驗中電纜的位置、固定方式、發(fā)熱量等參數增加了電1年外設備138.93.7內設備129.0287纜的計算模型。修正后的溫度計算結果與試驗結果1月外設備246547.3內設備23.636.2的比較見(jiàn)表2,兩者吻合3日[外設備333632.5內設備528627.6分析表明,高頻箱內部設備受試驗電纜發(fā)熱的數據「外設備44.4457內設備632.7339影響,試驗溫度均比實(shí)際溫度高,特別是電纜所在小隔艙的內設備2的溫度受到的影響最大,內設備24討論的試驗溫度比計算溫度高18.5℃。高頻箱外部設備直接向空間輻射散熱,受電纜發(fā)熱的影響較小。散射計探測頭部熱平衡試驗的主要特點(diǎn)是:工表2修正后計算結果與試驗結果比較統計作時(shí)快速轉動(dòng),試驗電纜需通過(guò)滑環(huán)集中引出;試驗Table 2 Comparison between calculated and tested tempera外熱流和熱耗總和近700W,所有試驗電纜通過(guò)的匚設備名稱(chēng)指標/℃試驗溫度/℃修正溫度/℃電流大于1A,部分試驗電纜通過(guò)的電流超過(guò)3A,內設備1[-10.50使試驗電纜自身的發(fā)熱量較大。在以上雙重因素的內設備2[-10,5051.653.6內設備3[-10,5047,4影響下,試驗溫度受到了較大的干擾。內設備431.5散射計探測頭部正樣狀態(tài)中,滑環(huán)的供電通道外設備5[-10.50136.138.5為9個(gè),全部用于設備供電。初樣熱平衡試驗中,滑外設備6[-10,50]內設備7[-105044.345.7環(huán)可用于供電的通道為16個(gè),由于通道數量的限內設備8[-10,5033.2制,用于設備熱耗模擬回路供電的通道只有2個(gè)(設內設備9036.9備主份和備份的熱耗模擬回路分別占用2個(gè)通道),內設備10[-10,5032.631.7外設備1[-15,6045.0外熱流模擬回路占用12個(gè)通道。由于初樣熱平衡外設備215,60]試驗中滑環(huán)通道增加了外熱流模擬的供電,同時(shí)減外設備3[-15.6051少了設備熱耗模擬的供電通道數量,因此,試驗中滑外設備4-15,60]32.231.15環(huán)附近的試驗電纜發(fā)熱量遠大于正樣狀態(tài)的電纜內設備內設備6[-10,5030.3發(fā)熱。在系統級或設備級的熱平衡試驗中,試驗電纜3.3在軌驗證集中和試驗電流較大的情形經(jīng)常遇到。試驗電纜集HY2衛星發(fā)射入軌后,散射計探測頭部獲得中的情形經(jīng)常出現在以下試驗中:整星級試驗的局了部分設備的溫度數據。根據初樣試驗修正后的分部區域,尺寸較小且回路較多的設備級試驗需要轉析模型計算的溫度預示值與在軌溫度數據統計見(jiàn)動(dòng)的設備級試驗表試驗電流較大可由試驗外熱流或模擬熱耗弓在軌溫度及預示溫度的分析表明,設備在軌溫起。對于尺寸較大的天線(xiàn),例如HY2衛星的散射度良好,說(shuō)明散射計探測頭部采用的熱控方案正確、計探測頭部的反射器、輻射計探測頭部的反射器、雷合理;預示溫度與在軌溫度吻合較好,說(shuō)明修正后的達高度計天線(xiàn),某衛星星載SAR天線(xiàn),在高溫工況計算模型狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)一致需要模擬的外熱流均超過(guò)了500W;衛星部分設備在軌溫度數據分析表明,初樣熱平衡試驗溫度或組件工作V中國煤化工衛星星載SAR異常是由于電纜發(fā)熱引起的原因分析是正確的,通天線(xiàn)單塊面CNMHG件在工作時(shí)總過(guò)定量分析評估試驗電纜發(fā)熱影響的效果非常好,熱耗達到2954W,環(huán)境減災-C(HC)衛星的固第2期彭方漢等:試驗電纜發(fā)熱對熱設計驗證的影響分析117態(tài)發(fā)射機工作時(shí)的熱耗達到790W,以上設備在工參考文獻( References作時(shí)將導致試驗電纜通過(guò)的電流非常大。因此,進(jìn)行系統級或設備級熱平衡試驗設計時(shí),[1]國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì ).GJB103342005航天器熱應對試驗特點(diǎn)進(jìn)行分析,確定試驗電纜發(fā)熱的影響平衡試驗方法[S].北京:國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì )是否需要進(jìn)行定量分析。進(jìn)行試驗電纜發(fā)熱影響的2006:3-10定量分析時(shí),主要步驟如下:Commission of Science, Technology and Industry for(1)問(wèn)題定位,分析試驗電纜的發(fā)熱特點(diǎn),確定National Defence. GJB1033A-2005 thermal balance testlethod for spacecraft [S]. Beijing: Commission of進(jìn)行定量分析的必要性;cience, Technology and Industry for National Defence(2)參數收集,根據試驗電纜的設計組成、詳細2006: 3-10(in Chinese)布局、試驗電流等信息,計算試驗電纜在每個(gè)工況的[2]邵興國,劉自軍,潭滄海,等.航天器熱試驗外熱流實(shí)施發(fā)熱量及分布;和測試探索[.航天器工程,2007,16(4):9498(3)模型轉化,根據試驗電纜的材料、安裝狀Shao Xingguo, Liu Zijun, Tan Canghai, et al. Research態(tài)、表面特性,將試驗模型轉換為計算模型,保證計on heat flux measurement and simulation in thermal bal-算模型的光學(xué)特性、熱特性及接觸換熱特性與實(shí)際ance test of spacecraft [J]. Spacecraft Engineering狀態(tài)相同;2007,16(4):94-98( in Chinese)(4)數值計算,根據試驗電纜在每個(gè)工況的發(fā)3]耿利寅,李國強,相機真空熱試驗的紅外籠模擬方法研熱量,計算各個(gè)工況的溫度,通過(guò)與試驗溫度比較,究[刀.航天器工程,2008,17(3):62-68eng Liyin, Li Guoqiang A new type IR array used確定計算模型的準確性;space camera thermal test[J]. Spacecraft Engineering(5)定量評估,依據設計的試驗狀態(tài)對計算模型進(jìn)行調整,去除試驗電纜發(fā)熱的影響,計算各個(gè)工[們]閔桂榮郭舜航天器熱控制[M].2版北京:科學(xué)出版況的溫度,通過(guò)與試驗溫度比較,得出試驗電纜發(fā)熱社,1998對試驗結果影響的量值Min Guirong, Guo Shun. Spacecraft thermal control[M].2nd ed. Beijing Science Press, 1998(in Chinese)5結論[5]閔桂榮,張正綱.衛星熱控制技術(shù)[M].北京:中國宇航出版社,1991在初樣熱平衡試驗中,電子設備常采用結構件Min guirong, Zhang Zhenggang. Satellite thermal con替代,設備熱耗采用電加熱回路模擬。而在初樣及trol technology[m]. Beijing: China Astronautics Press1991 (in Chinese)正樣熱平衡試驗中,外熱流常采用電加熱回路模擬°[6]侯增祺,胡金剛,航天器熱控制技術(shù)—原理及其應用因此,相比正樣狀態(tài),試驗驗證中試驗電纜是額外增M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2007加的部件,試驗電纜發(fā)熱是額外增加的熱源,無(wú)法Hou Zengqi, Hu Jingang. Spacecraft thermal control回避technology-theory and application[M]. Beijing: China對于航天器系統級及設備級熱平衡試驗,如果Science and Technology Press, 2007(in Chinese)試驗具備以下的任何一個(gè)特點(diǎn),應該采取定量分析7何知朱.新型熱控材料器件及應用[M].北京:中國宇的方式來(lái)詳細計算試驗電纜發(fā)熱的影響:①試驗電航出版社,1988纜集中;②試驗電流大。He Zhizhu. New type thermal materials and apparatus如果試驗設計無(wú)法避免試驗電纜集中或試驗電and their application[M]. Beijing: China AstronauticsPress, 1988(in Chinese)流較大的問(wèn)題,則應采取以下措施來(lái)減小試驗電纜[8] Gilmore D. Spacecraft thermal control handbook [Z]發(fā)熱對試驗正常驗證造成的影響:①試驗電纜固定2nd ed. California: The Aerospace Press El Segundo在多層外部或對試驗溫度影響很小的區域;②試驗電纜與試驗件之間采用多層進(jìn)行熱隔離;③計算模(編輯:張小琳)型修正時(shí)按照實(shí)際狀態(tài)加入試驗電纜的影響H中國煤化工CNMHG