试验电缆发热对热设计验证的影响分析

第22卷第2期航天器工程Vol 22 No. 22013年4月SPACECRAFT ENGINEERING试验电缆发热对热设计验证的影响分析彭方汉王甜甜耿利寅李国强(北京空间飞行器总体设计部,北京100094)摘要试验电缆发热是航天器热平衡试验中一个难以消除的附加影响因素,常对热设计的正常验证造成很大干扰,分析其影响是保证热平衡试验验证正确有效的一项重要措施。针对试验电缆发热对试验结果及热设计验证的影响,文章以我国海洋-2(HY2)卫星散射计探测头部热平衡试验为例,提出了一种定量分析的方法,并描述了对其影响进行分析和予以消除的具体过程。通过讨论散射计探测头部热平衡试验的特点,以及具有类似特点的系统级和部件级热平衡试验的情形,归纳了试验电缆发热定量分析的具体实施方式,并总结了适用于定量分析的热设计验证试验的特点。在轨遥测数据表明,定量分析的方式可正确有效地评估试验电缆发热的影响,修正后的计算模型可对在轨温度进行准确的预示关键词试验电缆;发热;验证;影响中图分类号:V416.4文献标志码: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验常采用电加热回路口和红外笼23来进行热耗、外1引言热流的模拟。电加热回路设计以加热器的发热量为目标值,连接加热器的电缆发热量是额外增加的热热控方案研制过程中,整星及部件的热平衡试源。对于试验电缆发热的影响,目前普遍采用定性v山中国煤化工收稿日期:201208-02;修回日期:2013-03-07CNMHG作者简介:彭方汉(1982-),男,工程师,从事航天器及有效载荷热设计工作。Emm: penglangnan(gy sina,com114航天器工程22卷分析的方法来评估其对试验的影响45,此种方法适外设备1用于电缆发热量相对较小、且电缆发热分布不集中设备2CoW的通常情况。当试验电缆集中或发热量较大时,局Ow内设备4部试验温度受到的影响,无法通过定性的方式进行有效的识别,而应进行定量分析。外设备3以某遥感卫星为例,初样热平衡试验中星内电中轴加热回路共146路,平均每个回路的电流为0.5A,内设备6电加热回路位于星内的试验电缆平均长度为1.5m,计算得到试验电缆的发热量为5.5W,估算整星温度升高0.1℃~0.2℃,试验电缆发热对试验的影响可忽略。但是如果146路电加热回路中有15路集中在卫星的局部,且通过的电流均大于2A,图2高频箱顶板设备布局则试验电缆发热大于9W,引起整星局部的温度波Fig 2 Layout of apparatuses on top board动则不可忽视,上面这种通过定性分析的方式就无法发现试验电缆发热对试验局部温度的影响。内设备9内设备4内设备5由于试验电缆发热是所有热平衡试验验证过程中存在的一个共性问题,进行系统级或部件级热平衡试验设计时,设计师均应根据试验特点进行试验电缆发热影响的定性或定量分析。本文以我国海内设备8中轴洋-2(HY-2)卫星散射计探测头部的初样热平衡试内设备3验为例,描述试验电缆发热对试验温度造成的显著影响,通过定量分析进行评估,然后对需要进行试验内设备6电缆发热影响定量分析的情形以及定量分析的方法勺设备1内设备2进行讨论,最后总结减小试验电缆发热影响的措施。图3高频箱底板及外侧板设备布局2试验情况ig. 3 Layout of apparatuses on bottom and side board散射计探测头部主要由反射器高频箱组成,电试验通过电加热回路模拟外热流及设备热耗,子设备均安装在高频箱上。高频箱划分为4个小隔通过控温方式模拟温度边界,其它热控状态均与真舱中轴内部安装电机、滑环等,电子设备安装在高实状态相同。频箱外部以及4个小隔舱中,如图1~3所示试验后的预示温度计算时,计算模型根据试验状态进行了修正,主要修正内容包括:温度边界处理,外热流、热耗的加载模式及数值,所有部件的热物性参数,散热面的光学特性参数,结构件之间的导热参数、背景热流的影响等。试验电缆发热的影响进行定性评估,通过估算,试验件的整体温度受电缆发热的影响为1℃左右,其影响加载到结构板上。因此计算模型考虑了各种因素对温度的影响,模型修正完成后,根据每个试验工况的参数进行了各个工况的温度计算。内设备1内设备2在所有工况的计算结果中,预示温度与试验温度差异非常中国煤化工验温度和预图1散射计探测头部构型示温度统计见CNMHG试验温度比Fig 1 Configuration of the scatterometer head预示温度平YHa第2期彭方汉等:试验电缆发热对热设计验证的影响分析115表1某高温工况的预示温度和试验温度热回路与两个滑环通道连接,然后对应的滑环通道Table 1 Result of calculation and test in a在高频箱内引出电缆,所有电缆在高频箱内汇集且high temperature condition固定在滑环附近较小的区域内设备名称指标/℃试验温度/℃预示温度/℃内设备,50电缆2电加热回路内设备2-10,50滑环35.电缆1内设备3[-10,50]47.436.6内设备423.4内设备5[-10,45内设备6-10,45]3.320.4内设备-10,50]45.734.5内设备833.224.7内设备[-10,45]内设备10-10,45]25.5外设备1图4滑环与电缆连接示意[-15,60]36.5外设备3[-15,6051.347.1Fig 4 Slip ring and cable connection外设备431.127,9外设备5[-10,45]散射计探测头部上的试验电缆固定在高频箱内「外设备6[-10.4539.735,4部的内设备2旁边,电加热回路共16路,如图5所示。内设备93试验结果分析内设备4内设备53.1原因分析Ow比较试验状态与真实状态,差异如下:①温度边内设备8界,试验件采用模拟舱板来模拟真实状态的整星舱板,模拟舱板通过控温的方式保证边界温度与真实内设备3状态相同;②外热流、热耗模拟,试验件采用电加热/ow器发热来模拟外热流以及热耗,模拟值与真实状态内设备6相同,但由于电加热器需要通过电缆连接,电缆将有内设备1内设备2定的发热量,试验状态无法消除;③设备状态,试验中散射计探测头部只有中轴内部的电机、滑环为图5试验电缆固定位置Fig. 5 Test cable fixed position电性件,其它设备均为结构件。虽然试验后的计算模型根据试验状态进行了修每个电加热回路包含两根电缆,每根电缆由滑正,确保计算模型与试验状态一致。但比较预示温环和引线两部分组成。根据实测,滑环导线阻值不度与试验温度,两者的差异超出了正常的计算偏差小于0.1,引线阻值不小于0.059,因此每个电加范围,说明在计算模型中设备温度的影响因素未考热回路的电缆阻值不小于0.3a虑全面高温工况的试验外热流为544W,设备模拟热复核结果表明,计算模型除了试验电缆的发热耗为150W,每个电加热回路电缆阻值取保守值量为估算值、且加载区域与真实状态不同之外,其它0.39,根据试验电流得到试验电缆总发热量为状态均和试验状态一致。因此,试验温度偏高可能16.1W是由于试验电缆发热引起,试验电缆发热并非如试散射计探测头部正样状态为:所有设备通过滑验前定性评估那样小,需要进行详细的定量分析。环上的9个回路供电,所有供电回路并联,即通过每3.2试验电缆影响分析个供电回路的电流相同;每个供电回路包含两根电由于转动的限制,散射计探测头部上的所有电缆,每根电缆由滑环和引线两部分组成,每个供电回加热回路均需要通过中轴上的滑环与外部连接,电路的电缆阻中国煤化工缆与滑环的连接状态见图4。外部电缆的每个电加散射计CNMHG滑环的总电流116航天器工程22卷为5.1A,每个供电回路电缆阻值取保守值0.4Ω,计同时也说明了试验前仅通过定性分析不能发现试验算得到电缆的总热耗为1.2W电缆发热对试验温度造成的较大影响。根据计算结果,试验中电缆附加发热量为14.9W。表3在轨温度及预示温度统计由于工作时高频箱内部设备热耗总和为43.5W,电缆Table 3 Temperatures in orbit and calculated所在小隔舱的总热耗为9W,因此高频箱内部试验电在轨预示设备在轨预示缆的发热量占高频箱内部设备热耗的比例为34%,是01/设备名温度/℃温度/℃名称温度/℃温度/℃10月外设备1|42.443.1内设备121.920.5所在小隔舱热耗的1.7倍。16日「外设备2|34.132.2内设备2|28.229.3根据以上分析结果,复核后的计算模型根据试数据外设备32323:1内设备521272外设备426.62.5内设备619.420.3验中电缆的位置、固定方式、发热量等参数增加了电1年外设备138.93.7内设备129.0287缆的计算模型。修正后的温度计算结果与试验结果1月外设备246547.3内设备23.636.2的比较见表2,两者吻合3日[外设备333632.5内设备528627.6分析表明,高频箱内部设备受试验电缆发热的数据「外设备44.4457内设备632.7339影响,试验温度均比实际温度高,特别是电缆所在小隔舱的内设备2的温度受到的影响最大,内设备24讨论的试验温度比计算温度高18.5℃。高频箱外部设备直接向空间辐射散热,受电缆发热的影响较小。散射计探测头部热平衡试验的主要特点是:工表2修正后计算结果与试验结果比较统计作时快速转动,试验电缆需通过滑环集中引出;试验Table 2 Comparison between calculated and tested tempera外热流和热耗总和近700W,所有试验电缆通过的匚设备名称指标/℃试验温度/℃修正温度/℃电流大于1A,部分试验电缆通过的电流超过3A,内设备1[-10.50使试验电缆自身的发热量较大。在以上双重因素的内设备2[-10,5051.653.6内设备3[-10,5047,4影响下,试验温度受到了较大的干扰。内设备431.5散射计探测头部正样状态中,滑环的供电通道外设备5[-10.50136.138.5为9个,全部用于设备供电。初样热平衡试验中,滑外设备6[-10,50]内设备7[-105044.345.7环可用于供电的通道为16个,由于通道数量的限内设备8[-10,5033.2制,用于设备热耗模拟回路供电的通道只有2个(设内设备9036.9备主份和备份的热耗模拟回路分别占用2个通道),内设备10[-10,5032.631.7外设备1[-15,6045.0外热流模拟回路占用12个通道。由于初样热平衡外设备215,60]试验中滑环通道增加了外热流模拟的供电,同时减外设备3[-15.6051少了设备热耗模拟的供电通道数量,因此,试验中滑外设备4-15,60]32.231.15环附近的试验电缆发热量远大于正样状态的电缆内设备内设备6[-10,5030.3发热。在系统级或设备级的热平衡试验中,试验电缆3.3在轨验证集中和试验电流较大的情形经常遇到。试验电缆集HY2卫星发射入轨后,散射计探测头部获得中的情形经常出现在以下试验中:整星级试验的局了部分设备的温度数据。根据初样试验修正后的分部区域,尺寸较小且回路较多的设备级试验需要转析模型计算的温度预示值与在轨温度数据统计见动的设备级试验表试验电流较大可由试验外热流或模拟热耗弓在轨温度及预示温度的分析表明,设备在轨温起。对于尺寸较大的天线,例如HY2卫星的散射度良好,说明散射计探测头部采用的热控方案正确、计探测头部的反射器、辐射计探测头部的反射器、雷合理;预示温度与在轨温度吻合较好,说明修正后的达高度计天线,某卫星星载SAR天线,在高温工况计算模型状态与实际状态一致需要模拟的外热流均超过了500W;卫星部分设备在轨温度数据分析表明,初样热平衡试验温度或组件工作V中国煤化工卫星星载SAR异常是由于电缆发热引起的原因分析是正确的,通天线单块面CNMHG件在工作时总过定量分析评估试验电缆发热影响的效果非常好,热耗达到2954W,环境减灾-C(HC)卫星的固第2期彭方汉等:试验电缆发热对热设计验证的影响分析117态发射机工作时的热耗达到790W,以上设备在工参考文献( References作时将导致试验电缆通过的电流非常大。因此,进行系统级或设备级热平衡试验设计时,[1]国防科学技术工业委员会.GJB103342005航天器热应对试验特点进行分析,确定试验电缆发热的影响平衡试验方法[S].北京:国防科学技术工业委员会是否需要进行定量分析。进行试验电缆发热影响的2006:3-10定量分析时,主要步骤如下:Commission of Science, Technology and Industry for(1)问题定位,分析试验电缆的发热特点,确定National Defence. GJB1033A-2005 thermal balance testlethod for spacecraft [S]. Beijing: Commission of进行定量分析的必要性;cience, Technology and Industry for National Defence(2)参数收集,根据试验电缆的设计组成、详细2006: 3-10(in Chinese)布局、试验电流等信息,计算试验电缆在每个工况的[2]邵兴国,刘自军,潭沧海,等.航天器热试验外热流实施发热量及分布;和测试探索[.航天器工程,2007,16(4):9498(3)模型转化,根据试验电缆的材料、安装状Shao Xingguo, Liu Zijun, Tan Canghai, et al. Research态、表面特性,将试验模型转换为计算模型,保证计on heat flux measurement and simulation in thermal bal-算模型的光学特性、热特性及接触换热特性与实际ance test of spacecraft [J]. Spacecraft Engineering状态相同;2007,16(4):94-98( in Chinese)(4)数值计算,根据试验电缆在每个工况的发3]耿利寅,李国强,相机真空热试验的红外笼模拟方法研热量,计算各个工况的温度,通过与试验温度比较,究[刀.航天器工程,2008,17(3):62-68eng Liyin, Li Guoqiang A new type IR array used确定计算模型的准确性;space camera thermal test[J]. Spacecraft Engineering(5)定量评估,依据设计的试验状态对计算模型进行调整,去除试验电缆发热的影响,计算各个工[们]闵桂荣郭舜航天器热控制[M].2版北京:科学出版况的温度,通过与试验温度比较,得出试验电缆发热社,1998对试验结果影响的量值Min Guirong, Guo Shun. Spacecraft thermal control[M].2nd ed. Beijing Science Press, 1998(in Chinese)5结论[5]闵桂荣,张正纲.卫星热控制技术[M].北京:中国宇航出版社,1991在初样热平衡试验中,电子设备常采用结构件Min guirong, Zhang Zhenggang. Satellite thermal con替代,设备热耗采用电加热回路模拟。而在初样及trol technology[m]. Beijing: China Astronautics Press1991 (in Chinese)正样热平衡试验中,外热流常采用电加热回路模拟°[6]侯增祺,胡金刚,航天器热控制技术—原理及其应用因此,相比正样状态,试验验证中试验电缆是额外增M].北京:中国科学技术出版社,2007加的部件,试验电缆发热是额外增加的热源,无法Hou Zengqi, Hu Jingang. Spacecraft thermal control回避technology-theory and application[M]. Beijing: China对于航天器系统级及设备级热平衡试验,如果Science and Technology Press, 2007(in Chinese)试验具备以下的任何一个特点,应该采取定量分析7何知朱.新型热控材料器件及应用[M].北京:中国宇的方式来详细计算试验电缆发热的影响:①试验电航出版社,1988缆集中;②试验电流大。He Zhizhu. New type thermal materials and apparatus如果试验设计无法避免试验电缆集中或试验电and their application[M]. Beijing: China AstronauticsPress, 1988(in Chinese)流较大的问题,则应采取以下措施来减小试验电缆[8] Gilmore D. Spacecraft thermal control handbook [Z]发热对试验正常验证造成的影响:①试验电缆固定2nd ed. California: The Aerospace Press El Segundo在多层外部或对试验温度影响很小的区域;②试验电缆与试验件之间采用多层进行热隔离;③计算模(编辑:张小琳)型修正时按照实际状态加入试验电缆的影响H中国煤化工CNMHG