空間對接機構(gòu)螺旋電纜設(shè)計

高 爽，吳源兵，邵濟明，柏合民

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

對接機構(gòu)是空間兩飛行器實現(xiàn)交會對接的關(guān)鍵設(shè)備。在對接過程中，對接環(huán)要進行推出、拉回的相對運動實現(xiàn)捕獲、鎖緊等功能，其捕獲鎖等電氣元件與對接框及系統(tǒng)間通過電纜進行電信號往來，故需要一種連接在對接環(huán)框間，能適應(yīng)伸縮運動、實現(xiàn)信號交互功能的電纜。螺旋電纜共3根，分別安裝在對接環(huán)導(dǎo)向板下的絲杠聯(lián)系機構(gòu)與對接框內(nèi)的安裝支架間，每根50芯，導(dǎo)體載流量0.2～3.0A。每根螺旋電纜的下端處安裝托杯，對螺旋電纜起防護和導(dǎo)向作用。螺旋電纜的工作方式為在外力作用下由初始并圈狀態(tài)緩慢拉伸，拉伸時間不大于5min，拉伸速度不大于3mm／s，隨后在外力下緩慢壓縮至并圈狀態(tài)。隨著對接環(huán)運動到不同位置高度，要求螺旋電纜在有限的范圍內(nèi)能伸縮運動，上下螺旋環(huán)同軸，運動時不發(fā)生偏移，回縮時不發(fā)生彎折，可完全收回托杯中。當運動至對接位置和極限位置時，要求螺旋電纜的拉力均不大于30N，反向壓力不大于25N，同時在對接位置和極限位置的停留時間應(yīng)能分別滿足24，1h，停留后需具有良好的回復(fù)性和保型性。若出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，與其他部件發(fā)生干涉，可能發(fā)生芯線斷裂、部件損壞等意外，對對接機構(gòu)甚至飛船的正常工作造成嚴重威脅。另外，裝有對接機構(gòu)的飛船和未來的空間站均運行于距地球表面約400km的低地軌道（LEO），螺旋電纜在艙外會直接暴露于復(fù)雜的低地軌道空間環(huán)境中，需考慮各種空間環(huán)境效應(yīng)，特別是真空紫外輻照（VUV）和原子氧（AO）效應(yīng)［1］。調(diào)研發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外航天線纜生產(chǎn)廠家無完全符合使用要求的現(xiàn)有產(chǎn)品。為此，本文對空間對接機構(gòu)螺旋電纜的設(shè)計與研制進行了研究。

1 螺旋電纜的設(shè)計研制

1.1 材料選擇

螺旋電纜可分為導(dǎo)線、絕緣層和護套層三部分。導(dǎo)線和絕緣層的功能主要是傳輸電信號，分別選用鍍銀銅多股絞線和乙烯－四氟乙烯共聚物（ETFE）材料。線纜的彈性和拉伸壓縮力與護套層有關(guān)。比較兩種常用護套材料。

a）聚酯彈性體的強度、柔軟性、耐熱老化性能優(yōu)異，長期工作溫度可達135℃，低溫柔軟性好，彎曲模量隨溫度降低的變化小，抗紫外輻照能力良好。

b）ETFE有較高的機械強度，長期工作溫度可達200℃，可薄壁擠出，從而減輕電纜的尺寸和重量，抗紫外輻照性能極佳，抗老化和耐原子氧能力優(yōu)異。

對兩種材料的護套進行了對比試驗分析，發(fā)現(xiàn)多次反復(fù)拉伸后ETFE護套的彈性保持性優(yōu)于聚酯彈性體。另外，若護套層材料與絕緣層相同，則可同時定型，優(yōu)化工藝。因此，選擇ETFE為護套材料。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

螺旋電纜采用螺旋狀外形實現(xiàn)拉伸與壓縮運動，類比圓柱螺旋彈簧對其進行定性分析。根據(jù)機械設(shè)計原理，圓柱螺旋彈簧載荷滿足關(guān)系

式中：P為螺旋負載；G為材料剪切彈性模量；d為線纜外徑；D為螺旋中徑；λ為螺旋單圈形變量。螺旋電纜可與其類比。

由式（1）可知：當材料、螺旋中徑已知時，線纜外徑和單圈形變量是影響拉伸壓縮力的主要因素，且線纜外徑越小，螺旋圈數(shù)就越多（在螺旋段長度不變條件下），單圈變形量就越小，故控制成品線纜外徑是關(guān)鍵。

為避免芯線錯位破壞結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電纜不能回復(fù)，在滿足載流量要求條件下采取減少芯線種類、多層規(guī)則排列的方法，有效控制電纜外徑，提高了其圓整性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設(shè)計螺旋電纜外形時，根據(jù)電纜回復(fù)高度范圍及電纜外徑取值，合理設(shè)計螺旋環(huán)圈數(shù)；多層絞合時小節(jié)距成纜，每層成纜后均繞包F4薄膜，起分隔保護作用，使結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定；采用絕緣層與護套層材料同時定型的工藝手段，增加電纜彈性，加強伸縮性能。螺旋電纜設(shè)計外形如圖2所示。

圖1 螺旋電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure diagram of helical cable

圖2 螺旋電纜（并圈狀態(tài)）外形Fig.2 Helical cable outline（retracted state）

根據(jù)使用需求，對螺旋電纜整束成纜狀態(tài)的載荷進行設(shè)計計算。取d＝10mm，D＝60mm，λ＝60mm，G＝23.3MPa（經(jīng)驗數(shù)據(jù)），計算可得螺旋電纜P≈8.1N。在實際產(chǎn)品的常溫性能測試中測得拉伸力約11.2N，壓縮力約6.9N，且電纜中導(dǎo)線均各自連續(xù)，分別導(dǎo)通，相互絕緣。滿足拉伸力和壓縮力要求。

當電纜的導(dǎo)線成束時，電流通過導(dǎo)線將產(chǎn)生較大溫升，對導(dǎo)線載流量進行了可靠性設(shè)計，一束導(dǎo)線中每根導(dǎo)線的最大電流

式中：Isw為單獨一根導(dǎo)線的最大電流；N為一束導(dǎo)線的導(dǎo)線數(shù)。結(jié)果可得成纜狀態(tài)下的載流量為0.65～3.25A，滿足0.2～3.0A的使用要求。

1.3 生產(chǎn)制造

螺旋電纜的生產(chǎn)制造工藝流程如圖3所示。其中：定型直接關(guān)系電纜的綜合性能，為關(guān)鍵工藝。定型溫度和時間需精確控制，溫度過高、時間過長會使電纜芯線出現(xiàn)粘連；溫度過低、時間過短會造成電纜定型不足，彈性較差。另外，定型時的溫度均勻性亦非常重要，定型溫度不均會造成電纜內(nèi)部應(yīng)力不均衡，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)、形狀的變化。

圖3 螺旋電纜生產(chǎn)制造工藝流程Fig.3 Technological process of helical cable

2 螺旋電纜性能試驗

2.1 材料蠕變試驗

螺旋電纜在軌拉伸停留時間有特殊要求。固體材料在應(yīng)力作用下的時間超過材料的最終松弛時間時，會出現(xiàn)形變不可恢復(fù)的蠕變現(xiàn)象，可能造成電纜不能正?；乜s，同時蠕變變形量隨恒定拉力作用時間的增加而增大，隨溫度增高而增長［2］。為此，分析了常溫（23℃）和高溫（45℃）下ETFE材料的蠕變特性。

a）進行單軸拉伸性能試驗，所得常溫和高溫下第一、二屈服點的應(yīng)力及應(yīng)變值見表1。

b）根據(jù)材性試驗獲得的特征數(shù)據(jù)，構(gòu)建有限元模型，分析電纜被拉伸至一定長度時的應(yīng)力，用于后續(xù)蠕變試驗。有限元分析采用ETFE材料空心護套圓柱形螺旋彈簧的三折線彈塑性本構(gòu)模型，如圖4、5所示。雖然實心電纜拉伸所需作用力應(yīng)比僅計算空心護套時偏大，但護套與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間為非連續(xù)性連接，相互約束作用較小，因此忽略了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，認為采用空心護套模型進行應(yīng)力分析是合理的。

對護套兩端進行水平加載拉伸至極限位置長度，計算常溫、高溫環(huán)境下拉伸過程中的拉力值及材料的應(yīng)力分布。所得為拉力－變形曲線如圖6所示，護套的Von Mises應(yīng)力值見表2，相應(yīng)的應(yīng)力云如圖7、8所示。由表2可知：ETFE材料護套拉伸至極限位置的應(yīng)力在常溫和高溫下差別較小，均值約10.5MPa，確定后續(xù)蠕變試驗應(yīng)力10.5MPa。

表1 ETFE材料常溫和高溫下第一、二屈服點的應(yīng)力及應(yīng)變值Tab.1 Stress and strain of the first and second yield point under room and high temperature of ETFE

圖4 ETFE材料有限元分析模型Fig.4 ETFE finite element analysis model

圖5 彈塑性本構(gòu)模型Fig.4 ETFE finite element analysis model

圖6 ETFE材料護套拉伸變形－荷載曲線Fig.6 Displacement－force curve of ETFE sheath

表2 ETFE材料護套拉伸至極限位置時Von Mises應(yīng)力Tab.2 Von Mises stress of ETFE sheath stretched to limit position

圖7 常溫下拉伸至極限位置的應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of the limit position under room temperature

圖8 高溫下拉伸至極限位置的應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram of the limit position under high temperature

c）在常溫及高溫下對ETFE材料進行了短周期（1d）和長周期（14d）的蠕變及回復(fù)試驗。試驗過程為加載—10.5MPa恒載1d或14d—卸載—0.1 MPa恒載1d。試驗測得的應(yīng)變量見表3。

試驗結(jié)果表明：在常溫和高溫下短周期及長周期的蠕變試驗后ETFE材料仍可回復(fù)，不會出現(xiàn)蠕變斷裂。因此，常溫和高溫下ETFE材料的最終松弛時間均大于14d，滿足螺旋電纜拉伸后正?；乜s的使用要求。

表3 常溫和高溫下ETFE材料的應(yīng)變量Tab.3 Strain values of ETFE under room and high temperature

2.2 伸縮性能試驗

選用10根螺旋電纜試樣，進行高低溫（45，－25℃）條件下的拉伸試驗，研究電纜在不同位置的最長停留時間及拉伸一定時間后能否正?；貜?fù)。試驗結(jié)果見表4。

試驗結(jié)果表明：螺旋電纜在對接位置、極限位置的最長停留時間分別為4d，120min，滿足24h和1h的使用要求。

表4 螺旋電纜伸縮性能試驗結(jié)果Tab.4 Results of telescopic performance test of helical cable

2.3 空間環(huán)境試驗

飛船與目標飛行器的對接軌道高度約400km。當飛船以速度約8km／s在該軌道運行時，大氣中的原子氧與其表面撞擊的束流密度非常高。原子氧的能量足以使空間材料的化學(xué)鍵斷裂并發(fā)生氧化；同時真空紫外輻射等其他環(huán)境效應(yīng)很可能與原子氧等因素發(fā)生復(fù)合效應(yīng)，造成材料質(zhì)量損耗、表面剝蝕和性能退化［3］。

為驗證螺旋電纜是否具備承受耐空間原子氧和紫外輻照的能力，進行了真空原子氧及紫外輻照綜合試驗。試驗條件為真空壓力2.3×10－5Pa，紫外光積分照度1.14×104J／cm2，原子氧累積通量1.878 7×1019atom／cm2，原子氧能量5eV，試驗過程中樣品溫度為常溫。螺旋電纜在綜合輻照前后的表面形貌如圖9所示。

圖9 螺旋電纜原子氧和紫外輻照綜合試驗前后的表面形貌Fig.9 Surface configuration of helical cable before and after AO and VUV tests

試驗結(jié)果表明：螺旋電纜在綜合輻照后的剝蝕率為1.627 7×10－23cm3／atom，滿足空間環(huán)境的使用要求。

3 結(jié)束語

本文對空間對節(jié)機構(gòu)螺旋電纜的設(shè)計進行了研究。2011年11月3日，神舟八號飛船與天宮一號目標飛行器成功實現(xiàn)了首次交會對接。螺旋電纜隨著對接環(huán)的推出拉回正確傳遞信號，完成對接。除圓滿完成神八、神九和神十飛船飛行任務(wù)外，在飛行測試中，螺旋電纜還隨對接環(huán)推出并保持在對接位置約1d，之后順利回縮，充分說明螺旋電纜功能性能達到了設(shè)計要求。螺旋電纜在飛行任務(wù)中的良好應(yīng)用表明設(shè)計的螺旋電纜的結(jié)構(gòu)緊湊、伸縮性能良好，滿足低軌空間環(huán)境，其設(shè)計與應(yīng)用為航天器艙外電線電纜的研制積累了經(jīng)驗。

［1］ 湛永鐘，張國定.低地球軌道環(huán)境對材料的影響［J］.宇航材料工藝，2003（1）：1－5.

［2］ 吳明兒，慕 仝，劉建明.ETFE薄膜循環(huán)拉伸試驗及徐變試驗［J］.建筑材料學(xué)報，2008，11（6）：690－694.

［3］ 沈志剛，趙小虎，邢玉山，等.空間材料Kapton的真空紫外與原子氧復(fù)合效應(yīng)研究［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2003，29（11）：984－987.