真空环境下航天器电缆温升模型试验研究.pdf

第3 0 卷第3 期航天器环境工程 2 0 1 3 年6 月S P A C E C R A F TE N V I R O N M E N TE N G I N E E R I N G 2 3 5 真空环境下航天器电缆温升模型试验研究 张沛，吴乐群，姜东升，张翼 ( 北京空间飞行器总体设计部，北京1 0 0 0 9 4 ) 摘要：航天器电缆温度过高会造成电缆的损毁，影响整星供电安全。文章中设计并进行了真空环境下电缆 温升试验。参考电缆的辐射温升公式对试验数据进行了分析，并采用最小二乘法对试验数据进行辨识得到了电 缆温升模型。仿真表明模型预计电缆温度与试验温度相差较小，可应用于航天器电缆网的优化设计、航天器在 轨负载平衡以及航天器功率电缆的反时限保护。 关键词：航天器电缆；温升模型；模型辨识 中图分类号：V 4 1 4文献标志码：A文章编号： 1 6 7 3 1 3 7 9 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 2 3 5 0 5 D o I ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 3 - 1 3 7 9 2 0 1 3 0 3 0 0 3 O 引言 在负载较大的情况下，航天器的电缆温度明显 高于舱内环境温度。由于电缆分段捆扎固定，捆扎 位置的电缆散热环境会更加恶劣。若供电设备发生 短路或微短路使电缆电流增大，会造成电缆短时间 内迅速温升，严重时可能造成电缆的损毁。航天器 功率电缆为整星设备供电，负载电流大，电缆湿度 高，因此特别需要研究功率电缆通电后的温升变化 过程，以便监测电缆状态，防止故障发生。 粘贴热敏电阻是航天器普遍使用的温度测量 方法，但这种方法不适用于航天器功率电缆的温度 测量。首先，粘贴热敏电阻的方法适合于有较大表 面的设备，而航天器电缆束外径小，不易于热敏电 阻的良好接触；其次，航天器功率电缆常常穿舱， 测温点距离测温设备较远，热敏电阻的引线会给整 星电缆网的设计带来影响，因此需要通过间接手段 对电缆温度进行测量。 功率电缆的温度主要受其导线电流的影响。目 前航天器遥测下传信息中一般含有功率电缆的电 流信息，因此若得到电缆温升和电流之间的关系， 则可以通过监测电缆电流来间接获得电缆温度，当 电缆温度过高时采取措施对电缆进行保护。 针对电缆的温升，国内外已经开展了大量的 研究，但已有的研究主要关注地面电力系统的电 缆 1 。5 】，文献 1 = ； 以地面单根导线为研究对象建 立了导线的温升模型。文献 4 和 5 对地面电机转 子线圈的热模型进行了分析。地面电缆的散热方式 是对流，而航天器的电缆处在真空环境中，主要依 靠辐射散热，散热：吓境较地面电缆更为恶劣。此外 电缆的捆扎、敷设和端接方式都会影响到电缆的散 热模型，其温升难以用现有的理论模型来计算。因 此，文章设计并进行了真空环境下电缆温升试验， 并利用试验数据辨识得到了电缆温升模型。 1电缆温升试验及数据分析 以某航天器的一根功率电缆为试验对象，在真空 罐中进行试验，真空罐环境温度2 5 。试验电缆选 用瑞侃2 2 号线规的导线，导线截面积0 3 2 4 3 删符。 将单根导线反复折：叠后模拟有1 2 根导线的电缆 束，模拟电缆的长度约1 5 0 c m 。电缆悬挂安装，与 舱壁不接触，每隔3 0 c m 捆扎1 次，共有4 个捆扎 点。在第2 个和第3 个捆扎点之间的电缆束内，以 及第3 个电缆捆扎点内分别安装4 线制铠装铂热电 阻进行测温。导线电流每隔1h 改变1 次，从试验 起始到试验结束，导线电流依次为0 2 6 2A 、O 51 3A 、 0 7 6 1A 、1 0 1 1A 、1 2 6 2A 。电缆温升试验连接示 意如图1 所示。试验中每1m i n 记录1 次测点温度， 两个电缆测温点的温度变化如图2 所示。 收稿日期：2 0 1 3 0 2 2 1 ；修回日期：2 0 1 3 0 5 1 0 作者简介：张沛( 1 9 8 2 一) ，男，硕士学位，从事航天器供配电分系统设计工作。E m a i l ：z p c l i f f 1 6 3 c o m 。 万方数据 航天器环境工程 第3 0 卷 捆扎电I州扎瓿2 口 八尘 j 裂 电源 妙电旷 口 刀入 捆扎点3捆扎苣4 图1 电缆温升试验连接示意 F i g 1 T h eb l o c kd i a g r a mo f c a b l et e m p e r a t u r er i s et e s ts y s t e m 啊卟1 j m i ” 图2 真空环境下的电缆温度变化( 2 5 环境温度) F i g 2 C a b l et e m p e r a t u r eu n d e rv a c u u mc o n d i t i o n ( e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ei s2 5 ) 理想情况下真空环境中的导线通过辐射方式 散热，散热模型如下【6 1 ： ，| 下 ，2 R 一6 h t r A ( T 4 一礞境) = c ，卵= 。 ( 1 ) Q f 式中：，为导线电流，A ；尺为导线单位长度的电 阻，Q ；锄为导线绝缘皮外表面的半球红外发射率 ( 无量纲数) ，对白色绝缘皮一般取0 8E 6 】；盯为斯 忒蕃- 玻耳兹曼常量，为5 6 7 1 0 一；A 为导线单位 长度上的表面积，m 2 ；T 为导线温度，K ；丁环境为 导线所处的真空辐射环境( 舱板内表面和周边设备 等) 温度，K ；q 为导线材料的比热容，J ( 埏K ) ； m 为导线的单位长度质量，k g ；f 为时间，s 。 需要说明的是，公式( 1 ) 适用于只有辐射散热 的电缆。对于试验电缆而言，虽然对其进行捆扎使 得导线之间有接触导热，但接触导热仅会使电缆束 中各导线之间热传递加强，对整个电缆束而言，其 散热方式仍然以辐射散热为主，公式( 1 ) 适用。 由图2 可以看到，当输入电流一定时，电缆温 度会逐渐升高到恒定值。根据公式( 1 ) ，电缆发热 量廊为常值，随着电缆温度升高，电缆温度与环 境温度间的差值增大，辐射散热量s 刎( 7 4 一r 舞境) 增加，导致温升速率d T d t 降低。当温升速率降低 到0 时，电缆温度达到稳定。 试验中，非捆扎点的温度明显低于电缆捆扎点 的温度，给出两个测温点的温差随时间变化的曲 线 图3 测温点温差随时间变化曲线( 2 5 环境温度) F i g 3T e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea tt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t p o i n t s ( e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ei s2 5 ) 由图3 可以看到，捆扎点内与非捆扎点的温差 随着导线电流的增大而增大。这是由于捆扎点内部 的导线被外部导线遮挡，导线辐射的热量在电缆内 部不断反射和聚集，向外部空间辐射的热量较少， 导致导线温度较高。而非捆扎点的导线较为分散， 导线间的热辐射遮挡较少，导线对空间的辐射角系 数比捆扎点的要大，以热辐射形式向外排散的热量 较捆扎点的要多，因而导线温度较低。导线电流越 大，这种内部导线热辐射的反射聚集作用也越强， 两个测温点的温差也就越明显。 在轨航天器外热流变化会影响舱内环境温度， 不同舱段的环境温度也不同，因此还需要研究环境 温度对功率电缆温升的影响。将真空罐内的环境温 度调整为4 5 和5 5 ，分别进行温升试验。电 流大小、通电次序和通电时间均与2 5 环境温度 下的试验过程相同。定义电缆温升量为通电后捆扎 点内测温温度减去捆扎点内起始温度，对3 种环境 温度下捆扎点的温升量变化曲线进行比较，见图4 。 图4 不同环境温度下的捆扎点温升变化对比 F i g 4 C a b l et e m p e r a t u r er i s ei nd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t s 由图4 可以看到，较低环境温度下电缆温升量 大，并且随着电流的增大，这种趋势越发明显。根 万方数据 第3 期张沛等：真空环境下航天器电缆温升模型试验研究 2 3 7 据公式( 1 ) ，可以得到电缆温度稳定后的温升量为 卜珞境2 面万筹高丽。( 2 ) 由公式( 2 ) 可以看到，电缆的温升量与导线电 流之间为正相关关系，而与环境温度之间为负相关 关系。即导线电流不变时，环境温度越高，电缆温 升量越小；随着导线电流的增大，电缆温升量增加。 在轨航天器舱内环境温度一般在2 5 左右， 短时间内会因为负载设备的发热而升高。根据前面 的分析，在进行电缆温升模型辨识和温度预计时， 为了确保预计结果能包络电缆最高温度，应以较低 环境温度的试验数据作为输入进行模型辨识。 2 电缆温升模型 电缆的温升变化取决于电缆电流和通电时间， 假设电缆温升模型为一个单输入单输出系统，输入 为电缆电流，输出为电缆温升量，把对电缆温升模 型的辨识转化为对一个单输入单输出传递函数的 参数辨识。 捆扎点的温度明显高于非捆扎位置，是电缆温度 环境最恶劣的位置，因此应以对捆扎点温升数据辨识 得到的温升模型为准进行电缆的温升预计。 对传递函数的参数辨识常采用最小二乘法【7 】。 假设一个单输入单输出系统的阶次为刀，则其离散 模型为 G ( z ) ：塑：生鸶生型冬。 ( 3 ) 、 U ( z 、1 + a l z “+ L + a n Z ” 式中：y 0 ) 为系统输出( 电缆温升量) ；) 为系统 输入( 电缆电流) 。 相应的差分方程为 y ( k ) + q y ( k 一1 ) + L + q y ( | | 一门) = 6 b ”( 尼) + 岛“( 七一1 ) + L + 玩“( 七一玎) 。( 4 ) 或令6 b 口l c b6 0 6 。 1 ，尸陟( 行+ 1 ) y ( n + 2 ) y ( 忉】，P = P ( 门+ 1 ) P ( 刀+ 2 ) P ( 忉】， X = 一y ( 1 ) “0 + 1 ) - y ( 2 )u ( n + 2 ) - y ( N n )“( 则传递函数可表示为 Y = X O + e 。 ( 5 ) 令户口。P ，则对模型的辨识可以转化为已知J ， 和X ，求0 使- ，最小。令坐：0 ，可得到0 的最 a 目 小二乘估计为 矽= ：( X 1 x ) 一X Y 。 ( 6 ) 从而可以获得被测系统的模型，即电缆的温升 模型G 亿) 。 3 模型验证 假定模拟电缆温升过程的传递函数为3 阶，离 散模型为 G = 怒= 筹1a毫瓮警。lz a 2 z 、7 U ( z ) +q + 吐+ 口3 z 。 、7 在m a t l a b 中用最小二乘法对数据进行辨识， 得到传递函数 Gi(z)：塑：29403-一05099z1-10572z2-10572Z3。(8) 川z 1 I 一0 9 3 62 z - 0 8 2 36 z - Z 对辨识得到的模型进行验证。模型输入为2 5 环境温度下试验过程中的导线电流数据，将模型预 计的电缆温升值与试验数据进行对比，结果见图5 ， 图中红色曲线为预计值，蓝色为试验数据。 时I i l m i n 图5电缆l 扫n T l 升预计值与试验数据对比 F i g 5C o m p a r i s o no f c a b l et e m p e r a t u r er i s eb e t w e e nt e s t d a t aa n de s t i m a t e dr e s u l t s 用试验数据减去温升预计值，计算辨识模型的 温升预计误差，见图6 。 时间r a i n 图6 辨识模型的温升预计误差 F i g 6 D i f f e r e n c eo ft