基于SCDS的載人航天器電纜網自動化設計

周 垚 于 偉 程天然 吳京松 武逸然

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基于SCDS的載人航天器電纜網自動化設計

周 垚1于 偉2程天然1吳京松1武逸然1

（1. 中國空間技術研究院載人航天總體部，北京100094；2. 中國空間技術研究院總體部，北京 100094）

針對載人航天器電纜網設計中大量圖紙、表格的正確性、一致性校核需要耗費大量時間，以及設計和生產制造環節上存在數據傳遞不通暢、極大地制約了設計效率和產品質量的問題，開發了載人航天器電纜網輔助設計系統（SCDS），將設計規范融入到軟件中，實現了設計過程的自動化。本文介紹了載人航天器電纜網設計模式，重點描述了基于電纜網輔助設計系統（SCDS）的載人航天器電纜網自動化設計方法。

載人航天器；電纜網；SCDS；自動化設計

1 引言

航天器電纜網由導線束、電連接器等幾部分構成，是各系統間的電氣、信息交互傳輸的載體網絡，實現單艙或跨艙電子設備供配電和電信號的傳輸。電纜網研制耗時長，歷經設計、生產、驗收、測試多個過程，覆蓋型號方案、初樣、正樣至發射各階段，對型號研制進度至關重要[1，2]。

載人航天器的特點在于能載人、多艙段、能返回。存在電子設備數量龐大、電連接器種類多，電纜網規模龐大的問題（單艙電纜導線根數超過上萬根）。電纜網設計較一般衛星更為復雜，主要體現為：設計環節復雜，功能接口多、設計狀態不易固化，因此，載人航天器傳統依靠設計師人工設計電纜網的方式，已不能適應當前需求。對于動輒幾萬個接點的電纜網，其設計工作量十分巨大，在進度緊張、人員有限的情況下極易由于人為疏忽造成電纜網設計文件錯誤，影響載人航天器研制進度和產品質量。此外，隨著載人航天工程的蓬勃發展，在研載人航天器越來越多，傳統的人工電纜網設計已不能滿足多型號電纜網并行設計的需要，因此，在確保電纜網產品質量的前提下，迫切需要尋找有效、高效的電纜網設計方式。

引入電纜網輔助設計系統（SCDS）的電纜網自動化設計模式，將設計規范融入到軟件中，避免手工操作，實現了設計過程的自動化。同時借助軟件平臺進行統一的數據管理，可實現設計與生產制造的數據共享和信息傳遞。

2 設計內容

載人航天器電纜網設計，需要完成從設備的接口數據單（IDS系統）到設計文件接點信息的轉換和再生成，根據接點表的信息繪制分支圖，進行穿艙、轉接部分接點分配，形成“艙段接點表”和“穿艙接點表”。將接點表分支計算后，轉換成以單根電纜束為單位的設計文件“下廠接點表”，作為電纜生產制造的依據。

主要設計內容為：電纜束分支優化設計、穿艙電連接器及接點設計，以及根據導線工藝要求、屏絞要求、降額準則、供電電纜壓降、熱設計、EMC設計等要求對每根線束進行線型線徑、屏蔽接地設計[1，3]。如果沒有自動化的設計工具，電纜網設計只能依靠人工完成，各設計環節都要消耗大量的人力成本，低層次質量問題層出不窮。而電纜網設計輸出文件多樣，為了保證數據的正確性，必須對不同設計文件之間的接口數據反復確認校對[4]。

引入自動化工具之后，整個電纜網設計流程極大地降低了人工干預程度，提高了設計效率和設計質量；同時，將電纜網設計標準和規范融入到軟件中，通過軟件自動執行，提高了電纜網設計規范化、標準化程度；此外，借助統一的設計平臺，實現了設計數據的自動獲取和轉換，使數據源頭保持一致，變更可控，確保了設計狀態的正確性。

3 SCDS系統介紹

電纜網輔助設計系統（SCDS）能通過WebService在IDS系統內獲取設備電連接器的分支和接點信息。作為具有自主知識產權的設計管理平臺，輔助設計師完成電纜網的自動化設計。通過建立后臺電纜網數據庫，可進行數據自動校核、數據分析計算等工作，實現數據和設計技術狀態的管理。采用自動化、自動化手段能很大程度上減少電纜網設計的工作量，提高設計效率，同時確保設計的正確性。SCDS系統功能框架如圖1所示。

圖1 SCDS系統功能框架圖

4 電纜網自動化設計方法

a.將電纜網各類設計規范、標準、規則固化為軟件算法，結合型號工程經驗搭建電纜網設計知識庫；

b.搭建電連接器、導線等元器件基礎數據庫，將元器件電氣屬性、機械屬性等信息數字化；

c.將電纜網設計結果優化為結構化數據，通過電纜網自動化設計平臺（如圖2所示）實施統一數據源管理，完成數據的計算分析和傳遞，保證數據唯一性和電氣線路設計的正確性、完整性和可追溯性[5]。

圖2 電纜網自動化設計平臺

4.1 圖形化電纜分支優化設計

4.1.1 跨艙段分支自動拆分計算

由于載人航天器具有多個穿艙環節和載人密封艙段特有的結構，設計電纜時應對穿艙電纜進行拆分、接點合并等特殊設計。圖3為含多個艙段的穿艙電纜分支拆分算法。

圖3 穿艙電纜拆分算法

4.1.2 圖形化電纜束分支優化設計

設計師根據電纜走向布局、電纜通道的敷設能力等約束條件，設定電纜分支閾值。當電纜束超過設定閾值分支數時，軟件系統可以圖形化方式自動識別并繪制拓撲圖，并按照不同的布局方案計算出分支分割點，設計師擇優在分割點處加入轉接連接器后，可將復雜大電纜拆分為滿足敷設條件的多束小電纜，實現優化分支的目的。圖4展示了某束復雜電纜W001的分支拓撲優化，通過軟件計算出的兩個分支優化分割點，可將該電纜拆分為圖中所示W001_1～W001_3三束小電纜。

圖4 圖形化電纜分支拓撲優化

4.2 線型線徑自動化設計

導線選型含導線類型和線徑規格兩方面的設計。導線類型指屏蔽性能、雙絞要求、單雙層絕緣等，線徑規格主要取決于導線的載流量[1]，如果一根導線需要承載的電流較大，則需要選擇較粗的導線，以滿足導線的載流、壓降及散熱需求，而小電流信號采用較細導線傳輸即可。因此線徑的設計與導線載流量形成一種規律的規則。由設計師結合導線模型及元器件降額原則、EMC要求和工藝匹配要求形成導線選型規則，軟件按照該規則自動完成導線配置。

線型線徑自動化設計流程如圖5所示。首先根據屏絞要求確定導線類型，再依據導線兩端連接器型號的工藝匹配原則初步確定線徑范圍，再進一步根據元器件降額準則，進行線徑降額設計，最終實現導線線型及線規的配置[6，7]。

圖5 線型線徑自動設計流程

4.3 電纜網自動校核方法

圖6 電纜網自動校核

基于電連接器、導線基礎數據庫之上，借助SCDS與IDS系統的數據接口，對電連接器工藝、導線規格、降額設計、屏絞設計正確性自動校核，如圖6所示。同時，可對電纜網設計輸入與輸出數據、不同設計文件之間的接口數據、設計部門與生產制造部門數據的一致性與設計正確性自動校驗和檢查。

4.4 數據自動化管理

借助SCDS建立電纜網數據管理平臺，對IDS（設備接口與表單數據）、輔助設計數據、電纜網數據、更改控制數據、日常維護數據統一管理。利用與IDS系統的WebService接口，將設備電連接器、接點信息、接點連接關系自動識別、關聯和匹配核對，同時自動識別設備布局位置，按航天器艙段結構，分段管理電纜網數據。

通過對電纜網數據的自動化管理，可以保證設計數據版本唯一，實現不同文件之間的數據共享。電纜網設計多份文件都基于共同的數據平臺之上，接點數據發生更改時，只需要對其中的一份文件更改操作，然后通過軟件的自動查詢更新功能，可以將相關聯的文件狀態更新。通過對數據的自動化管理，可以確保電纜網數據狀態的正確性。

4.5 數據分析與計算

為滿足不同階段的型號任務需求，將電纜網數據進行結構化處理，借助軟件從不同經緯度獲取重量、電連接器接點排布、電連接器數量及型號配套、電纜長度、供電電纜束壓降等基礎數據，并按照設計師提供的規則計算和分析。

圖7 電纜長度重量數據分析

圖7為通過元器件基礎數據庫中的重量信息獲取的某型號單根電纜長度及重量數據。

4.6 技術優勢

基于SCDS的載人航天器電纜網自動化設計方法與傳統設計方法優勢比較如表1所示。該方法充分利用自動化、信息化、數字化手段，實現電纜分支優化設計，線型線徑自動設計，數據自動校核、管理和分析計算等功能，在多個載人航天器上推廣應用，準確、高效地實現了電纜網設計，具有傳統電纜網設計方法無可比擬的優勢。

表1 基于SCDS電纜網自動化設計方法優勢比較

5 結束語

經多個載人航天器在軌飛行驗證，基于SCDS的載人航天器電纜網自動化設計方法在提升設計效率的同時，能夠極大程度地提高電纜網產品質量。技術優勢明顯，對于提升航天器電纜網總體設計水平，具有重要意義。

1 王穎艷，黃業平.航天器低頻電纜網的設計[J].航天器環境工程，2013，30(2)：200～202

2 譚維熾，胡金剛.航天器系統工程[M].北京：中國科學技術出版社，2009

3 王美靖.基于CHS 與Pro/E_cabling電氣系統線纜線束數字化設計[J].車輛與動力技術，2013(3)：112～114

4 郝冬晶. 基于CHS 軟件的飛機線束設計應用[J].科技資訊，2013，16：19～20

5 陳卓. 民用飛機電氣線路的設計流程[J]. 航空科學技術，2012(6)：101～103

6 NHB 5300. 4(3G) Requirements for interconnection cables, harnesses, and wring [S]. 1985. 4

7 Q/W 1236—2010航天器布線束設計、制造及驗收技術要求[S].2010-04-30

Automatic Design of Manned Spacecraft Cables Based on SCDS

Zhou Yao1Yu Wei2Cheng Tianran1Wu Jingsong1Wu Yiran1

(1. Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094;2. Institute of Manned Space System Engineering, Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100190)

The manned spacecraft cable design system (SCDS) is developed to solve the problems of the long time needed to complete the correctness and consistency check of a lot of drawings and forms in manned spacecraft cables design, and the unsmooth data transmission existing in design and manufacturing links which greatly restricted the efficiency and quality. The specification is integrated into the software and the automation of the design process is achieved. The design mode is introduced and the automated design method of manned spacecraft cables based on SCDS is described in detail.

manned spacecraft；cable；SCDS；automatic design

周垚（1985），碩士，電氣工程專業；研究方向：航天器供配電設計。

2017-06-29