航天器电线电缆寿命预测模型研究

1 引 言

电线电缆是航天器电气系统中最常用到的产品之一，航天器内部电子设备种类繁多，不同电子设备之间依靠电线电缆进行功率输送和信号传导，所以电缆数量庞大。而电缆作为不同系统或设备之间交互的重要接口，电缆的正常使用，对航天器电气系统的功能和性能具有重要作用。由于航天器内部空间有限，导致电线电缆的布局存在着弯曲、交叉、叠放等现象；同时航天器运行时受空间环境因素影响，导致电缆产品的逐渐老化，从而减少电缆使用寿命[1,2]。电缆状态不佳将导致各类故障的产生，对航天器正常运行造成不可估量的影响。随着航天器的发展，对航天器在轨时间提出更长的要求，且部分航天器提出可重复发射使用的需求，因此需要精确掌握电线电缆的使用寿命，对电线电缆寿命预测开展研究势在必行。

国内航天器设计时，由于运载火箭属于不可重复使用体制，而在轨运行航天器运行时间有限，没有过多的关注电线电缆的老化及寿命预测研究。部分学者根据航天器研制经验，考虑到热、电、机械等航天器上影响电缆寿命的特性因素，通过简单试验，对单项因素影响情况进行比对测试，摸索电缆寿命老化的规律性，实现了一定程度上电缆寿命预测的理论研究[3]。目前，国内外对于航天器电线电缆寿命预测研究主要集中于基于经验公式的单一应力下的寿命模型，其中针对热、电寿命模型的研究比较多，开展多特征参数耦合寿命模型研究较少。并且模型设计和参数设置多停留在实验室理论研究阶段，对航天器电气系统实际使用环境因素的影响考虑较少，寿命预测模型的准确度较低，难以做到工程应用。

2 电缆寿命预测模式设计方案

2.1 总体设计方案

电缆寿命预测需要完成电缆老化机理、寿命评价指标体系、虚拟仿真试验、寿命模型等几方面研究。首先分析影响航天器电缆寿命的关键因素，结合已有的加速老化试验数据和仿真试验，进行关键因素下电缆的老化机理研究及电缆失效模式分析，并提取能够表征寿命的可测特征参数，建立反映电缆老化特性的评价指标体系；然后搭建有限元仿真模型，开展基于力学、电学、热学的电缆老化虚拟仿真试验方法研究，并搭建虚拟仿真试验平台，取代加速老化试验，用仿真的方法获得电缆老化数据；最后基于参数估计的方法，建立基于力学、电学、热学的单因素寿命模型以及多场耦合的多因素寿命模型，实现对航天器电缆寿命的预测。

航天器电缆寿命模型设计方案如路图1所示。

图1 航天器电缆寿命模型设计方案
Fig.1 Design of spacecraft cable life model

2.2 电缆老化机理及寿命评价指标体系研究

2.2.1 电缆老化关键因素影响分析

航天器电气系统受空间的限制，使得电缆的敷设错综复杂，增加了电缆尤其是绝缘层发生故障的概率。在航天器飞行过程中，由于受到空间中的化学污染、辐射、冷热、电、振动、摩擦、外力等因素的影响，电缆很容易受到损伤，最终导致电缆寿命终止。因此需要对电缆典型的工作环境及其造成的损伤类型进行分析，基于已有加速老化试验和虚拟仿真试验数据，明确关键因素对电缆寿命影响的机理和规律及失效模式，提取能够表征寿命的可测特征参数，并确定具有航天电缆特点的寿命评价指标体系[4]。

香夼矿区发育的隐爆-侵入角砾岩表现为3种产出状态：小岩株穹顶、沿张性裂隙以及灰岩层间；具有明显区别于构造角砾岩的产状和岩石学特征。

航天器在飞行过程中由于电机或其他设备的工作，会产生振动，导致电缆与电缆之间或者是电缆与周围介质材料之间互相摩擦，造成电缆绝缘层摩擦磨损损伤。电缆通过电流后，工作温度偏高，以及在航天器飞行过程中产生的温差导致电缆表面凝结成水雾，在电场作用下很容易沿绝缘层细小裂纹发展成水树枝，在强氧化环境和辐射作用下，会使电缆绝缘材料分解老化速度加快直至绝缘性能丧失[5]。

首先结合电缆实际的敷设情况，选取热应力、电应力和振动应力等多种因素作为设计输入，开展载荷施加情况分析，建立基于热应力、电应力和振动应力等多因素初步仿真模型，从而得到不同环境应力与绝缘电阻、特征阻抗等可测特征参数对应的数据。然后向有限元仿真软件中输入已知的老化反应机理和分子结构参数，或者依据设计经验预估的老化反应机理，结合加速老化试验(包括增加受热温度、施加高压放电、使用高频振动台增大施加振动量级等方式加速电缆寿命老化)，对所建立的多场耦合仿真模型和加速虚拟仿真试验方法进行试验验证，电缆老化的机理和规律研制方法见图2所示。

图2 电缆寿命影响机理和规律研究方法
Fig.2 Research method of mechanism and rule of cable life

航天器电缆老化机理研究就是借助已有的加速老化试验数据(通过现有文献或者电缆生产厂家老化数据库获得)和基于物理模型的仿真分析，并结合电缆绝缘材料性质的理论研究，分析关键因素对电缆老化的影响机理和规律。基于物理模型的仿真分析过程：通过对航天电缆敷设结构和方式的分析，在ANSYS中建立有限元仿真模型，分别施加热应力、电应力和振动应力载荷，通过仿真得到在三种应力的不同应力水平作用下，电缆的绝缘电阻、特征阻抗等可测特征参数的变化规律。

2.2.3 表征寿命的可测特征参数的确定及提取方法

通过对关键因素影响电缆老化机理分析，对比得到能够明显表征电缆老化状态的可测特征参数，“可测”即要求能够在实际工作环境下实现对电缆寿命状态的检测，并依靠可测特征参数的数值，进一步判断电缆的剩余寿命。

考虑到航天器电缆实际的工作环境特点，拟选择电缆的绝缘电阻和特征阻抗作为表征寿命的可测特征参数，在电缆的实际使用过程中，不对电缆产生破坏就可以对绝缘电阻和特征阻抗进行测量：利用兆欧表可以得到电缆的绝缘电阻，利用反射法可以得到电缆的特征阻抗。根据加速老化试验及基于物理模型的仿真分析结果，对可测特征参数进行增加或者调整。

2.2.4 电缆寿命评价指标体系研究

寿命评价指标一般可分为以下几种：(1)力学性能指标：绝缘材料的力学性能是评价材料在变形和破坏情况下其特性变化的重要指标，主要包括断裂伸长率、拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等；(2)物理性能指标：物理性能指标是最直观评价试样老化程度的指标，主要包括表观性能变化、光学性能等；(3)电学性能指标：电学性能指标是用来表征电缆绝缘材料电学性能的特征量，如：绝缘电阻、介质损耗、泄漏电流、电缆的电容、电感、载流量等。

基于航天器电缆复杂的敷设和工作环境，将关键因素对电缆寿命的影响分解成多个子问题，分析每种环境因素对应的一个或者多个寿命评价指标，采用基于多元寿命退化机理的自回归融合研究方法，建立关键因素影响下的电缆寿命评价指标体系，能够综合全面的反映出各关键因素对电缆老化的影响，提供老化终止判定条件。

研究不同评价指标内部或者外部变量之间的逻辑关系以及数据关系，采用回归分析的方法进行统计分析，如公式(1)所示。

y=f(x1,x2,x3…xn)+ε

(1)

式中：y——电缆寿命评价指标体系为因变量；f(x1,x2,x3…xn)——测量函数；x1,x2,x3…xn——分别为每种环境因素所对应的寿命评价指标，为自变量(如温度、电场强度、振动强度等指标)；ε——试验误差。

航天器电缆老化机理及寿命评价指标体系研究技术路线如图3所示。

图3 航天器电缆老化机理及寿命评价指标体系研究技术路线
Fig.3 Technical route of research on aging mechanism
and life evaluation index system of spacecraft cables

2.3 基于多场耦合的电缆老化虚拟仿真试验方法研究

通过对航天器电缆敷设结构和方式的分析，在ANSYS中建立有限元仿真模型，分别施加热应力、电应力和振动应力载荷，通过仿真得到在三种应力的不同应力水平作用下，电缆的绝缘电阻、特征阻抗等可测特征参数的变化情况。

在大多数情况下，当多个应力存在时，需要考虑多个应力同时对电缆的作用影响情况，因此建立多场耦合的多因素仿真模型。考虑到热应力是广泛存在于不同应力耦合模型中，所以针对多场耦合的多因素影响的模型研究中，主要考虑以下三种类型：热—振动应力耦合模型、热—电应力耦合模型和热—电—振动应力耦合模型，基于单因素、多因素仿真模型如图4所示[6]。

图4 基于单因素、多因素仿真模型
Fig.4 Single-factor, multi-factor simulation model

至此，可以通过仿真得到热应力、电应力、振动应力在不同应力水平单独作用时，电缆的绝缘电阻、特征阻抗等可测特征参数变化情况；也可以得到热—振动应力、热—电应力和热—电—振动应力的多应力同时作用时，电缆的绝缘电阻、特征阻抗等可测特征参数变化情况。这里的可测特征参数根据加速老化试验结果可以进行调整和增加。

2.4 航天器电缆寿命模型研究

结合航天器电缆的典型工作环境，以及不同环境因素对航天电缆寿命影响的机理分析，建立基于热学、电学和力学的单因素和多场耦合的多因素寿命模型。在大多数情况下，当多个应力存在时，电缆的寿命模型并不是多个应力模型的叠加，由于不同的应力之间存在相互的影响，在多场耦合情况下需要建立新的寿命模型。

电缆在温度和振动综合应力作用下的实际退化过程并不是在温度和振动单独作用下的简单相加，而是相互促进的过程。在振动应力引起的微动磨损过程中，会产生大量的热，使绝缘层表面温度不断升高，从而加快了氧化物的生成；同时，绝缘层生成的氧化物，经振动的相对运动不断加大微动磨损的摩擦系数，促进磨屑的加速生成。

在温度与电场的联合作用下，电缆绝缘材料遭受更为严重的破坏，绝缘老化失效进程较快，绝缘材料中的局部放电、介质损耗和绝缘材料本身的化学结构都会受到高温的影响，同时，温度的变化也与绝缘中的化学反应速率密切相关，影响绝缘材料结构状态变化，进而影响绝缘的电气性能。

在温度、电场和振动三场耦合的影响下，多因素下的协同效应更加明显，对电缆绝缘材料的老化影响也更加恶劣，所以同时考虑热应力、电应力及振动应力的多场耦合作用对电缆老化剩余寿命模型的影响有重要的意义。

采用与单因素寿命模型对应的方法，分别建立热—振动应力、热—电应力和热—电—振动应力影响因素与表征寿命的可测特征参数之间的数学模型以及可测特征参数与电缆寿命之间的数学模型，从而建立三种耦合应力影响下电缆多场耦合的多因素寿命模型，多因素耦合寿命模型技术路线如图5所示[7]。

图5 多因素耦合寿命模型技术路线
Fig.5 Technical route of multi-factor coupled life model

3 寿命预测模型功能实现

由于通过航天器空间在轨运行实测验证代价过高，故采用实验室模拟多因素耦合方式进行寿命预测模型功能验证，选用常规模式下的电应力、热应力和振动应力等主流因素进行测试。电缆线选用国内生产的55A标准产品，镀锡，规格为AWG 20#线，线径为1.27mm，芯数为7芯，所选电缆截面图和三维图如图6所示。

图6 电缆截面图和三维图
Fig.6 Sectional and three-dimensional drawings of cables

选定工作电流为1A，工作温度为40℃，将计算机仿真数据库中对应数据导入寿命预测模型，不同应力下的输出结果如图7所示。

图7 不同应力的下的输出结果
Fig.7 Output under different stresses

振动应力导致了电缆间发生摩擦，振动应力载荷施加的结果导致了电缆绝缘层的磨损。所以这里选用不同绝缘层磨损量级反映振动应力程度。同时选取分布电容作为评估不同老化情况下的特征参量，建立电应力、热应力和振动应力的多因素仿真模型，得到电缆绝缘层磨损量af与分布电容Cf(老化特征量)之间的关系，多因素耦合与电缆损伤(寿命)关系如图8所示。

图8 多因素耦合与电缆损伤(寿命)关系
Fig.8 Multifactor coupling and cable damage (Life)

针对以加速老化试验为基础的剩余寿命预测方法的时间成本损耗大、模型的准确度受试验环境的影响等问题，提出基于有限元仿真的电缆老化虚拟仿真试验方法，建立多场耦合仿真模型，对振动、电和热应力下电缆的老化规律进行仿真研究[8]。

借助有限元仿真软件，得到多因素耦合情况下振动磨损老化的数据，通过数据库对比分析找出与电缆寿命的对应数据值，通过同条件下的实物验证，电缆寿命预测值基本与实际应用情况相符，模型误差不超过5%，具体内容见表1。

表1 电缆网寿命预测模型验证情况

Tab.1 Verification of cable network life prediction model

4 结束语

航天器电线电缆寿命预测模型有效解决了多因素耦合情况下的电缆寿命预测，减少了电缆故障带来的安全隐患以及电缆绝缘故障引起的不良后果，能够满足航天器长期在轨使用以及航天器重复发射使用的测试需求。同时，寿命预测模型中特征参数提取直观，特征参数与电缆老化相关性分析准确有效，寿命预测模型测试覆盖性全面，具有测试数据精度高和多维度因素耦合的技术优势，采用计算机仿真的方式降低了测试成本，同时便于测试结果的保存和传输处理。总之，采用航天器电线电缆寿命预测模型，开展航天器电缆寿命预测仿真分析，对全面监测航天器电气系统使用状态，确保航天器顺利飞行具有重要意义。