星上大功率电缆发热对热设计的影响分析

第31卷第1期天器环境工程Vol 31. No. 12014年2月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERINGhttp://www.bisee.accnE-mail:htqhjgc(@126.comTel:(010)68116407,68116408,68116544星上大功率电缆发热对热设计的影响分析耿利寅,彭方汉,王甜甜,孟恒辉,李国强,贾宏(北京空间飞行器总体设计部,北京100094)摘要:在目前的整星热设计中,通常不考虑电缆发热的影响,但随着设计实践的深入,发现在一些特定场合下,电缆发热对设计结果的影响十分明显,有时甚至是决定性的。文章以“海洋二号”卫星某大功率电缆为例,通过电缆所在舱段内设备温度计算结果与在轨实测数据的对比,分析了电缆发热对其所在舱段热设计结果的影响。并以此为基础,研究了电缆发热量与其带来的设计偏差之间的关系,提出了热设计中估算电缆发热对设备温度影响的方法,以及热设计中能否忽略电缆发热影响的判据关键词:卫星热设计;大功率电缆;电缆发热;热分析模型;在轨温度中图分类号:V416.4文献标志码:A文章编号:1673-1379(2014)01-008305Do:10.3969iss.1673-1379201401.016Analysis of the impact of high-power electric cable heating on satellite thermal designGeng Liyin, Peng Fanghan, Wang Tiantian, Meng Henghui, Li Guoqiang, Jia Hong( Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)Abstract: The heat generated by the electric cable is not regularly considered in the satellite thermal designHowever, with the development of the thermal design, in some particular instances, the heat generated by the electriccable is found to be an important or even decisive influencing factor in the thermal design program. With the high powerelectrical cable in the Haiyang-2 satellite as an example, this paper compares the calculated temperature results and thein-orbit temperature data of some equipments in a cabin, and analyzes the influence of the cable's heat on the satellite'sthermal design. Based on the analysis, a relationship between the heat of the electrical cable and the thermal design differencebrought by it is obtained. An estimation method of the impact of the cable 's heat on the equipment,'s temperature is proposed,together with a criterion to determine whether the cable's heat can be ignored or not in the same satellite thermal design.Key words: thermal design for satellite; high-power electrical cable; cable heating; thermal analysis model0引言但是随着设计实践的深入,逐渐发现在一些特定场合下,电缆发热对设计结果的影响十分明电缆是航天器必不可少的重要组成部分。以某显,有时甚至是决定性的。如在热平衡试验的误遥感卫星为例,整星仅低频电缆就有194根,重达差分析中,往往需要考虑进出卫星的电缆传导漏11}kg,占整星总重的7%。由于星上绝大多数热对试验结果的影响;用于模拟外热流、热耗电缆发热量很小,可忽略不计;同时电缆数量多,等的电缆发热引起试验结果偏离真实值可达10分布范围广,连接关系和安装状态非常复杂,工℃以上,直接影响对热设计结果的评判;另外,程上为简化设计,在整星热设计中一般也不考虑星上某些大功率能量传输电缆(如整星母线电缆电缆的影响。目前,在整星热分析中,通常会声等)工作时通过的电流很大,热耗高达十几甚至明“忽略设备之间连接电缆的导热和辐射换热”;几十W,其发热对所在舱段的设备温度影响十分且在实际热分析模型中,不仅忽略电缆的导热和辐明显,如在中国煤化工带来不可接射换热,对其热容、热耗等均不予考虑引。受的误差CNMHG收稿日期:2013-08-20;修回日期:2013-1231天器环境工程本文以“海洋二号”卫星为例,通过热设计切板上。计算结果与在轨飞行数据的对比,分析星上一根相关舱段的热设计情况为:因y面向阳,故y大功率电缆发热对其所在小舱设备温度的影响,小舱仅底面(-x向)外侧开设有散热面,+zy小舱并以此为基础,研究电缆发热量与其带来的设计仅对地面开设散热面,散热面类型均为OSR。偏差之间的关系,分析热设计中电缆发热对设备温度影响的估算方法,以期获得热设计中能否忽略电缆发热影响的判断依据。1问题的提出1.1大功率电缆所在舱段情况简介海洋二号”卫星运行在降交点地方时为6:00的太阳同步近圆轨道上,轨道标称高度图1大功率电缆的布置与走向Fig 1 Layout and direction of the large power electric cable970.732km、倾角9934015°,轨道周期104456min正常飞行姿态下,卫星+z轴指向地心,+x轴为飞行方向,+y方向为卫星的背阳面。为排除其他因素对研究的影响,本文仅分析星上与大功率电缆相关的舱段情况。电缆W050是由太阳电池阵到电源控制器的功率传输通道来自太阳电池阵的所有电能均通过该电缆输送到星上。该电缆布置在卫星服务舱的+zy小舱和y小舱内(见图1)。其中,+zy小舱内布置了5台图2大功率电缆所在舱段内的设备布局设备,y小舱内布置了4台设备(见图2)。表Fig 2 Equipment layout in the cabin where large power列出了这些设备的工作热耗,其中除电源控制electric cable place器布置在+z外壁板内侧外,其他设备均安装在剪表1大功率电缆所在舱段内设备的工作热耗Table 1 Heat dissipation of the equipment in the cabin where large power electric cables placed序号所在舱段设备代号设备名称工作热耗/WHYN301主配电器服务舱HYROI整星加热控制器y小舱□HYS03遥控单元5.2HYSOI中央处理单元2.6HYK409推力器加温线路盒HYK408推进线路盒服务舱HYS02A远置单元1小舱HYC02高稳定时钟单元HYN102电源控制器150.010中隔舱HYc06Ds接收机23.51.2设计温度与在轨温度间的偏差小舱内设备的在轨温度与设计温度之间出现了较“海洋二号”卫星于2011年8月16日在太大的偏差(见表2):在正常工作情况下,上述设原卫星发射中心发射入轨,卫星进入标称轨道后,备的在轨星上载荷舱全部和服务舱大部设备的温度数值与H中国煤化工度高出约10℃,有的甚设计预期高度符合。但位于服务舱y小舱和+zyCNMHG算误差允许的范围。第1期耿利寅等:星上大功率电缆发热对热设计的影响分析表2大功率电缆所在舱段内设备设计温度与在轨温度对比Table 2 Comparison between the predicted temperature and flight results of equipment in the cabinwhere large power electric cable placed序号设备代号设备名称设计温度/℃(初期)在轨温度/℃(2011030)温度偏差/℃HYN301主配电器25.511.2HYR0整星加热控制器0.634.13.5HYS03遥控单元17.43013.0HYSOI中央处理单元1435.7l14HYK409推力器加温线路盒29.333.13.8HYK408推进线路盒77远置单元130.911.0HYC02高稳定时钟单元26.1394HYN102电源控制器42848.75.910HYC06Dois接收机32.46.0注:“设计温度”一列的数据为正样热分析结果,且已根据卫星搭载的涂层监测器所得的卫星入轨一段时间后的涂层退化数据进行了修正2温度偏差原因分析缆发热影响的考虑。1)根据电缆安装图和卫星总装阶段的照片记录,确定电缆的实际位置,估算分析认为,舱内W050大功率电缆的发热可其在两个小舱内的长度分配(即热耗分配);2)对能是引起温度偏差的主要原因,详细说明如下。电缆模型进行适当简化,主要保证准确模拟电缆2.1大功率电缆参数分析表面积;3)根据电缆的安装方式,确定忽略电缆“海洋二号”卫星的太阳电池阵共有12个主通过其固定点向舱板的热传导,仅考虑其辐射换阵,根据在轨遥测数据,每个主阵的工作电流为热。图3为修正后的服务舱热分析模型。53A。相应地,电缆W050共有12个传输通道,为双点双线制,电缆长度3m,每个通道含4根导线,线型为0822-20,该线型的实测单位长度电阻为003089m。根据以上数据可以计算出电缆的自身热耗为31lWw,如果该电缆有1/5的长度布置在y小舱,图3修正后的服务舱热分析模型则电缆在该小舱内的发热量超过6W约为该舱内Fg3 The modified thermal analysis model of service module其他设备总热耗(117W)的1/2。显然,在这种用修正后的热分析模型重新计算大功率电缆情况下忽略电缆的热耗将带来不可接受的偏差。所在舱段内设备的设计预期温度,再与在轨温度数2.2热分析模型修正据进行比较(见表3),可以看出计算结果与在轨数据能够很好地符合,说明大功率电缆W050的发热体影响,对原有热分析模型进行修正,加入对电的确是造成相关设备温度偏差的主要原因。表3大功率电缆所在舱段内设备设计温度与在轨温度对比(使用修正模型)Table 3 Comparison between the predicted temperature(by modified model) and flight results of equipment in the cabinwhere large power electric cable placed序号设备代号设备名称设计温度/℃(初期)「在轨温度/℃(2011030)温度偏差/℃HYN301主配电器35.736.7hYTYROL整星加热控制器331341HYS03遥控单元27.63042.8HYSO1中央处理单元26.2-0.55HYK409推力器加温线路盒32.9HYK408推进线路盒HYS02A远置单元18HYC02高稳定时钟单元36.0tYH中国煤化工—29CNMHG 34HYNI02电源控制器47.848.710mYc06Dors接收机38.8384第3卷3电缆发热影响分析再将式(1)带入式(3),得p=(71-7)3.1理论分析(72+73)(T1+)(7-x)上述偏差原因分析说明,在特定条件下,电对通常的星上环境来说,T0约为300K,同缆发热因素会对热设计结果产生明显的影响,不时考虑到因电缆热耗增加的温度相对T0来说为能忽略。那么,究竟在什么情况下可以忽略电缆小量(即T1≈T0),则式(4)可整理简化为发热的影响,什么情况下不可忽略?△T=p.为研究这一问题,将星上一段隔舱简化为个简单的封闭系统,具体假设为:1)该系统为辐式中△77,是因引入电缆热耗造成的系统温升射散热,不考虑它与其他部分的导热耦合;2)系3.2理论分析验证统热量包括内热耗和外热流两部分;3)仅考察电为验证以上理论分析的正确性,可以按照缆对系统整体温度的影响,不考虑系统内部不同式(5)对“海洋二号”卫星大功率电缆所在的y小部分的温差。则此系统的热量平衡方程为舱和+zy小舱的设备温度情况进行验算,并与在2=Aoc To轨温度数据进行对比(见表4)。表4中的“系统式中:Q为系统热源,包括内部设备热耗和外热热源”为设备热耗和小舱外侧散热面吸收的热量流吸收;A为系统散热面的面积,m2;∞为斯忒之和;“电缆热耗”按照电缆在两个小舱内的长度藩-玻耳兹曼常量;s为系统散热面的半球红外发比例进行分配;“平均温度”按小舱内设备温度的射率;T为系统初始热平衡温度,K算术平均值计算;“电缆带来的理论温升”是按照当考虑电缆发热量影响时,设新增的电缆热式(5)计算得到的小舱内设备平均温升;“实际温耗为系统热源Q的p倍,则新的热量平衡方程为升”为在轨飞行实测温度较热设计预期温度值上pQ+Q=A0E1。(2)升的平均幅度。式中T1为考虑电缆发热后的系统热平衡温度K。从表4结果看,按照式(5)计算得到的大功率式(2)式(1),得:电缆发热引起的理论温升与实际温升能较好地符pQ=404(-);(3)合,证明了31节理论分析推导的正确性。表4电缆发热影响理论分析与在轨实测数据对比Table 4 Comparison between theoretical analysis and flight results for cable heating impact小舱系统热源/W电缆热耗/平均温度/电缆带来的实际温升/代号「设备热耗散热面吸收热流W理论温升/℃19.513.1163.6107.8224.931.17.08.33.3讨论3)式(5)也可作为热分析建模时是否考虑电缆分析式(5)可以得到以下推论:发热影响的判断依据。如某舱段不考虑电缆发热1)对于星上相对独立的舱段,电缆发热引起的整体温度为27℃(300K),若以电缆热耗引起的舱段整体温升正比于电缆热耗与该舱段整体热的温升不超过3℃为判断标准,则根据式(5)计算,源(包括内热耗和外热流)之比P。在舱段整体应不大于004。假设该舱段整体热源为50W,则舱段内电缆的热耗不大于2W时可不考虑电缆热源不同的情况下,同样的电缆热耗引起的温升发热的影响,反之则须考虑电缆发热的影响是不同的——舱段整体热源越大,电缆热耗引起的温升越小。4结论中国煤化工2)电缆热耗引起的温升与舱段整体绝对温度CNMHGT成正比,舱段整体温度越高,同样的电缆热耗通过本文的分析和讨论,可形成如下基本结论:带来的温升越大1)在整星热设计、热分析中,对电缆发热不第1期耿利寅等:星上大功率电缆发热对热设计的影响分析能一概忽略,应区别处理。某些大功率的能源传用M].北京:中国科学技术出版社,2007:351-353输电缆对其周边设备的温度有明显影响,必须考4]刘绍然,许忠旭,张春元,等.“希望一号”卫星热虑电缆发热的影响,否则可能带来无法接受的设平衡试验的误差分析[航天器环境工程,2012,29(5):51452计偏差。Liu Shaoran, Xu Zhongxu, Zhang Chunyuan, et al. The2)通过建模分析可知,对于整星的某个舱段error analysis of satellite thermal balance test电缆发热引起的整体温升与电缆热耗和该舱段整Xiwang-l satellite[J]. Spacecraft Environ体热源(包括内热耗和外热流)的比值,以及该Engineering,2012,29(5):514521舱段整体绝对温度成正比。[5]彭方汉,王甜甜,耿利寅,等.试验电缆发热对热设3)热分析模型中是否可以忽略电缆发热的影计验证的影响分析门航天器工程,2013,22(2)113-117响,可根据事先确定的温升控制指标及本文给出Peng Fanghan, Wang Tiantian, Geng Liyin, et al的方法进行初步估算判断。Analysis on the impact of electric cable heat in thermal参考文献( References)design test[]. Spacecraft Engineering, 2013, 22(2)[]闵桂荣,郭舜.航天器热控制M2版.北京:科学113-117出版社,1998:313-317[6]王颖艳,黄业平.航天器低频电缆网的设计门航[2] Gilmore D. Spacecraft thermal control handbook[M天器环境工程,2013,302:200-2022nd ed. El Segundo: The Aerospace Press, 2002Wang Yingyan, Huang Yeping. The low frequency537-539electric cable network design for satellite[J]. Spacecraft[3]侯增祺,胡金刚.航天器热控制技术:原理及其应Environment Engineering, 2013, 30(2): 200-202编辑:张艳艳)V凵中国煤化工CNMHG作者简介:耿利寅(1974一),男,高级工程师,主要从事航天器及其有效载荷的热设计工作。 E-mail: gengyin@126com