星上大功率電纜發(fā)熱對熱設計的影響分析

第31卷第1期天器環(huán)境工程Vol 31. No. 12014年2月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERINGhttp://www.bisee.accnE-mail:htqhjgc(@126.comTel:(010)68116407,68116408,68116544星上大功率電纜發(fā)熱對熱設計的影響分析耿利寅,彭方漢,王甜甜,孟恒輝,李國強,賈宏(北京空間飛行器總體設計部,北京100094)摘要:在目前的整星熱設計中,通常不考慮電纜發(fā)熱的影響,但隨著(zhù)設計實(shí)踐的深入,發(fā)現在一些特定場(chǎng)合下,電纜發(fā)熱對設計結果的影響十分明顯,有時(shí)甚至是決定性的。文章以“海洋二號”衛星某大功率電纜為例,通過(guò)電纜所在艙段內設備溫度計算結果與在軌實(shí)測數據的對比,分析了電纜發(fā)熱對其所在艙段熱設計結果的影響。并以此為基礎,研究了電纜發(fā)熱量與其帶來(lái)的設計偏差之間的關(guān)系,提出了熱設計中估算電纜發(fā)熱對設備溫度影響的方法,以及熱設計中能否忽略電纜發(fā)熱影響的判據關(guān)鍵詞:衛星熱設計;大功率電纜;電纜發(fā)熱;熱分析模型;在軌溫度中圖分類(lèi)號:V416.4文獻標志碼:A文章編號: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引言但是隨著(zhù)設計實(shí)踐的深入,逐漸發(fā)現在一些特定場(chǎng)合下,電纜發(fā)熱對設計結果的影響十分明電纜是航天器必不可少的重要組成部分。以某顯,有時(shí)甚至是決定性的。如在熱平衡試驗的誤遙感衛星為例,整星僅低頻電纜就有194根,重達差分析中,往往需要考慮進(jìn)出衛星的電纜傳導漏11}kg,占整星總重的7%。由于星上絕大多數熱對試驗結果的影響;用于模擬外熱流、熱耗電纜發(fā)熱量很小,可忽略不計;同時(shí)電纜數量多,等的電纜發(fā)熱引起試驗結果偏離真實(shí)值可達10分布范圍廣,連接關(guān)系和安裝狀態(tài)非常復雜,工℃以上,直接影響對熱設計結果的評判;另外,程上為簡(jiǎn)化設計,在整星熱設計中一般也不考慮星上某些大功率能量傳輸電纜(如整星母線(xiàn)電纜電纜的影響。目前,在整星熱分析中,通常會(huì )聲等)工作時(shí)通過(guò)的電流很大,熱耗高達十幾甚至明“忽略設備之間連接電纜的導熱和輻射換熱”;幾十W,其發(fā)熱對所在艙段的設備溫度影響十分且在實(shí)際熱分析模型中,不僅忽略電纜的導熱和輻明顯,如在中國煤化工帶來(lái)不可接射換熱,對其熱容、熱耗等均不予考慮引。受的誤差CNMHG收稿日期:2013-08-20;修回日期:2013-1231天器環(huán)境工程本文以“海洋二號”衛星為例,通過(guò)熱設計切板上。計算結果與在軌飛行數據的對比,分析星上一根相關(guān)艙段的熱設計情況為:因y面向陽(yáng),故y大功率電纜發(fā)熱對其所在小艙設備溫度的影響,小艙僅底面(-x向)外側開(kāi)設有散熱面,+zy小艙并以此為基礎,研究電纜發(fā)熱量與其帶來(lái)的設計僅對地面開(kāi)設散熱面,散熱面類(lèi)型均為OSR。偏差之間的關(guān)系,分析熱設計中電纜發(fā)熱對設備溫度影響的估算方法,以期獲得熱設計中能否忽略電纜發(fā)熱影響的判斷依據。1問(wèn)題的提出1.1大功率電纜所在艙段情況簡(jiǎn)介海洋二號”衛星運行在降交點(diǎn)地方時(shí)為6:00的太陽(yáng)同步近圓軌道上,軌道標稱(chēng)高度圖1大功率電纜的布置與走向Fig 1 Layout and direction of the large power electric cable970.732km、傾角9934015°,軌道周期104456min正常飛行姿態(tài)下,衛星+z軸指向地心,+x軸為飛行方向,+y方向為衛星的背陽(yáng)面。為排除其他因素對研究的影響,本文僅分析星上與大功率電纜相關(guān)的艙段情況。電纜W050是由太陽(yáng)電池陣到電源控制器的功率傳輸通道來(lái)自太陽(yáng)電池陣的所有電能均通過(guò)該電纜輸送到星上。該電纜布置在衛星服務(wù)艙的+zy小艙和y小艙內(見(jiàn)圖1)。其中,+zy小艙內布置了5臺圖2大功率電纜所在艙段內的設備布局設備,y小艙內布置了4臺設備(見(jiàn)圖2)。表Fig 2 Equipment layout in the cabin where large power列出了這些設備的工作熱耗,其中除電源控制electric cable place器布置在+z外壁板內側外,其他設備均安裝在剪表1大功率電纜所在艙段內設備的工作熱耗Table 1 Heat dissipation of the equipment in the cabin where large power electric cables placed序號所在艙段設備代號設備名稱(chēng)工作熱耗/WHYN301主配電器服務(wù)艙HYROI整星加熱控制器y小艙□HYS03遙控單元5.2HYSOI中央處理單元2.6HYK409推力器加溫線(xiàn)路盒HYK408推進(jìn)線(xiàn)路盒服務(wù)艙HYS02A遠置單元1小艙HYC02高穩定時(shí)鐘單元HYN102電源控制器150.010中隔艙HYc06Ds接收機23.51.2設計溫度與在軌溫度間的偏差小艙內設備的在軌溫度與設計溫度之間出現了較“海洋二號”衛星于2011年8月16日在太大的偏差(見(jiàn)表2):在正常工作情況下,上述設原衛星發(fā)射中心發(fā)射入軌,衛星進(jìn)入標稱(chēng)軌道后,備的在軌星上載荷艙全部和服務(wù)艙大部設備的溫度數值與H中國煤化工度高出約10℃,有的甚設計預期高度符合。但位于服務(wù)艙y小艙和+zyCNMHG算誤差允許的范圍。第1期耿利寅等:星上大功率電纜發(fā)熱對熱設計的影響分析表2大功率電纜所在艙段內設備設計溫度與在軌溫度對比Table 2 Comparison between the predicted temperature and flight results of equipment in the cabinwhere large power electric cable placed序號設備代號設備名稱(chēng)設計溫度/℃(初期)在軌溫度/℃(2011030)溫度偏差/℃HYN301主配電器25.511.2HYR0整星加熱控制器0.634.13.5HYS03遙控單元17.43013.0HYSOI中央處理單元1435.7l14HYK409推力器加溫線(xiàn)路盒29.333.13.8HYK408推進(jìn)線(xiàn)路盒77遠置單元130.911.0HYC02高穩定時(shí)鐘單元26.1394HYN102電源控制器42848.75.910HYC06Dois接收機32.46.0注:“設計溫度”一列的數據為正樣熱分析結果,且已根據衛星搭載的涂層監測器所得的衛星入軌一段時(shí)間后的涂層退化數據進(jìn)行了修正2溫度偏差原因分析纜發(fā)熱影響的考慮。1)根據電纜安裝圖和衛星總裝階段的照片記錄,確定電纜的實(shí)際位置,估算分析認為,艙內W050大功率電纜的發(fā)熱可其在兩個(gè)小艙內的長(cháng)度分配(即熱耗分配);2)對能是引起溫度偏差的主要原因,詳細說(shuō)明如下。電纜模型進(jìn)行適當簡(jiǎn)化,主要保證準確模擬電纜2.1大功率電纜參數分析表面積;3)根據電纜的安裝方式,確定忽略電纜“海洋二號”衛星的太陽(yáng)電池陣共有12個(gè)主通過(guò)其固定點(diǎn)向艙板的熱傳導,僅考慮其輻射換陣,根據在軌遙測數據,每個(gè)主陣的工作電流為熱。圖3為修正后的服務(wù)艙熱分析模型。53A。相應地,電纜W050共有12個(gè)傳輸通道,為雙點(diǎn)雙線(xiàn)制,電纜長(cháng)度3m,每個(gè)通道含4根導線(xiàn),線(xiàn)型為0822-20,該線(xiàn)型的實(shí)測單位長(cháng)度電阻為003089m。根據以上數據可以計算出電纜的自身熱耗為31lWw,如果該電纜有1/5的長(cháng)度布置在y小艙,圖3修正后的服務(wù)艙熱分析模型則電纜在該小艙內的發(fā)熱量超過(guò)6W約為該艙內Fg3 The modified thermal analysis model of service module其他設備總熱耗(117W)的1/2。顯然,在這種用修正后的熱分析模型重新計算大功率電纜情況下忽略電纜的熱耗將帶來(lái)不可接受的偏差。所在艙段內設備的設計預期溫度,再與在軌溫度數2.2熱分析模型修正據進(jìn)行比較(見(jiàn)表3),可以看出計算結果與在軌數據能夠很好地符合,說(shuō)明大功率電纜W050的發(fā)熱體影響,對原有熱分析模型進(jìn)行修正,加入對電的確是造成相關(guān)設備溫度偏差的主要原因。表3大功率電纜所在艙段內設備設計溫度與在軌溫度對比(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序號設備代號設備名稱(chēng)設計溫度/℃(初期)「在軌溫度/℃(2011030)溫度偏差/℃HYN301主配電器35.736.7hYTYROL整星加熱控制器331341HYS03遙控單元27.63042.8HYSO1中央處理單元26.2-0.55HYK409推力器加溫線(xiàn)路盒32.9HYK408推進(jìn)線(xiàn)路盒HYS02A遠置單元18HYC02高穩定時(shí)鐘單元36.0tYH中國煤化工—29CNMHG 34HYNI02電源控制器47.848.710mYc06Dors接收機38.8384第3卷3電纜發(fā)熱影響分析再將式(1)帶入式(3),得p=(71-7)3.1理論分析(72+73)(T1+)(7-x)上述偏差原因分析說(shuō)明,在特定條件下,電對通常的星上環(huán)境來(lái)說(shuō),T0約為300K,同纜發(fā)熱因素會(huì )對熱設計結果產(chǎn)生明顯的影響,不時(shí)考慮到因電纜熱耗增加的溫度相對T0來(lái)說(shuō)為能忽略。那么,究竟在什么情況下可以忽略電纜小量(即T1≈T0),則式(4)可整理簡(jiǎn)化為發(fā)熱的影響,什么情況下不可忽略?△T=p.為研究這一問(wèn)題,將星上一段隔艙簡(jiǎn)化為個(gè)簡(jiǎn)單的封閉系統,具體假設為:1)該系統為輻式中△77,是因引入電纜熱耗造成的系統溫升射散熱,不考慮它與其他部分的導熱耦合;2)系3.2理論分析驗證統熱量包括內熱耗和外熱流兩部分;3)僅考察電為驗證以上理論分析的正確性,可以按照纜對系統整體溫度的影響,不考慮系統內部不同式(5)對“海洋二號”衛星大功率電纜所在的y小部分的溫差。則此系統的熱量平衡方程為艙和+zy小艙的設備溫度情況進(jìn)行驗算,并與在2=Aoc To軌溫度數據進(jìn)行對比(見(jiàn)表4)。表4中的“系統式中:Q為系統熱源,包括內部設備熱耗和外熱熱源”為設備熱耗和小艙外側散熱面吸收的熱量流吸收;A為系統散熱面的面積,m2;∞為斯忒之和;“電纜熱耗”按照電纜在兩個(gè)小艙內的長(cháng)度藩-玻耳茲曼常量;s為系統散熱面的半球紅外發(fā)比例進(jìn)行分配;“平均溫度”按小艙內設備溫度的射率;T為系統初始熱平衡溫度,K算術(shù)平均值計算;“電纜帶來(lái)的理論溫升”是按照當考慮電纜發(fā)熱量影響時(shí),設新增的電纜熱式(5)計算得到的小艙內設備平均溫升;“實(shí)際溫耗為系統熱源Q的p倍,則新的熱量平衡方程為升”為在軌飛行實(shí)測溫度較熱設計預期溫度值上pQ+Q=A0E1。(2)升的平均幅度。式中T1為考慮電纜發(fā)熱后的系統熱平衡溫度K。從表4結果看,按照式(5)計算得到的大功率式(2)式(1),得:電纜發(fā)熱引起的理論溫升與實(shí)際溫升能較好地符pQ=404(-);(3)合,證明了31節理論分析推導的正確性。表4電纜發(fā)熱影響理論分析與在軌實(shí)測數據對比Table 4 Comparison between theoretical analysis and flight results for cable heating impact小艙系統熱源/W電纜熱耗/平均溫度/電纜帶來(lái)的實(shí)際溫升/代號「設備熱耗散熱面吸收熱流W理論溫升/℃19.513.1163.6107.8224.931.17.08.33.3討論3)式(5)也可作為熱分析建模時(shí)是否考慮電纜分析式(5)可以得到以下推論:發(fā)熱影響的判斷依據。如某艙段不考慮電纜發(fā)熱1)對于星上相對獨立的艙段,電纜發(fā)熱引起的整體溫度為27℃(300K),若以電纜熱耗引起的艙段整體溫升正比于電纜熱耗與該艙段整體熱的溫升不超過(guò)3℃為判斷標準,則根據式(5)計算,源(包括內熱耗和外熱流)之比P。在艙段整體應不大于004。假設該艙段整體熱源為50W,則艙段內電纜的熱耗不大于2W時(shí)可不考慮電纜熱源不同的情況下,同樣的電纜熱耗引起的溫升發(fā)熱的影響,反之則須考慮電纜發(fā)熱的影響是不同的——艙段整體熱源越大,電纜熱耗引起的溫升越小。4結論中國煤化工2)電纜熱耗引起的溫升與艙段整體絕對溫度CNMHGT成正比,艙段整體溫度越高,同樣的電纜熱耗通過(guò)本文的分析和討論,可形成如下基本結論:帶來(lái)的溫升越大1)在整星熱設計、熱分析中,對電纜發(fā)熱不第1期耿利寅等:星上大功率電纜發(fā)熱對熱設計的影響分析能一概忽略,應區別處理。某些大功率的能源傳用M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2007:351-353輸電纜對其周邊設備的溫度有明顯影響,必須考4]劉紹然,許忠旭,張春元,等.“希望一號”衛星熱慮電纜發(fā)熱的影響,否則可能帶來(lái)無(wú)法接受的設平衡試驗的誤差分析[航天器環(huán)境工程,2012,29(5):51452計偏差。Liu Shaoran, Xu Zhongxu, Zhang Chunyuan, et al. The2)通過(guò)建模分析可知,對于整星的某個(gè)艙段error analysis of satellite thermal balance test電纜發(fā)熱引起的整體溫升與電纜熱耗和該艙段整Xiwang-l satellite[J]. Spacecraft Environ體熱源(包括內熱耗和外熱流)的比值,以及該Engineering,2012,29(5):514521艙段整體絕對溫度成正比。[5]彭方漢,王甜甜,耿利寅,等.試驗電纜發(fā)熱對熱設3)熱分析模型中是否可以忽略電纜發(fā)熱的影計驗證的影響分析門(mén)航天器工程,2013,22(2)113-117響,可根據事先確定的溫升控制指標及本文給出Peng Fanghan, Wang Tiantian, Geng Liyin, et al的方法進(jìn)行初步估算判斷。Analysis on the impact of electric cable heat in thermal參考文獻( References)design test[]. Spacecraft Engineering, 2013, 22(2)[]閔桂榮,郭舜.航天器熱控制M2版.北京:科學(xué)113-117出版社,1998:313-317[6]王穎艷,黃業(yè)平.航天器低頻電纜網(wǎng)的設計門(mén)航[2] Gilmore D. Spacecraft thermal control handbook[M天器環(huán)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,胡金剛.航天器熱控制技術(shù):原理及其應Environment Engineering, 2013, 30(2): 200-202編輯:張艷艷)V凵中國煤化工CNMHG作者簡(jiǎn)介:耿利寅(1974一),男,高級工程師,主要從事航天器及其有效載荷的熱設計工作。 E-mail: gengyin@126com