衛星用綜合電纜的設計與制造

喬偉男 王亞賓 高福剛 楊德亮 閔 峻 邱小萍

（1、中科院微小衛星創新研究院，上海201210 2、江蘇創仕瀾傳輸科技有限公司，江蘇 常州213017）

隨著近些年我國航空航天領域的高速發展，衛星發射已經逐漸產業化商業化，發射密度持續增大，在衛星的研制生產過程中，對衛星制造和裝配效率提出了更高的要求。同時衛星內部電氣設備越來越多，性能要求也越來越高，所需要的電纜種類也日漸豐富。常規的電纜已經無法滿足現有的需求，因此我們需要研制一款新的衛星用發射地面測試綜合電纜。此電纜在滿足屏蔽性能好、環境性能優異的基礎上，還具備集成化特點-同時具備電源、信號、數據傳輸能力，在衛星裝配效率具有顯著優勢，同時還能減小了重量和外徑。

1 性能要求

該電纜在使用功能上要求簡單統一，安裝便捷；在結構特點上，要求電纜具備集成性，同時具備電源、信號、數據傳輸能力，使得整體結構合理穩定，外徑最小，還需要根據實際使用情況進行預分支處理；同時還要滿足電纜對復雜惡劣環境的適應，要求電纜具有優良的阻燃性能、低毒或無毒氣體釋放、具備優異的耐磨性能；還需要具備良好的電磁屏蔽性能，保證信號傳輸的可靠性；此外還需要保證電纜的功率傳輸單元的散熱能力。

2 結構設計

在認真解讀需求的基礎上對電纜進行了合理化設計。

2.1 FTF46PJ-96 主纜的設計

電纜結構設計的關鍵在于保證電纜性能優異的同時，還要求能達到最小電纜外徑，并且保證產品質量以及能夠降低電纜制造成本。

FTF46PJ-96 綜合電纜由三種規格的單元電纜組成。如表1所示。

表1 物料表

其中A 單元為FF46-2 2×19×0.16；B 單元為FF46P21-2 2×19×0.16；C 單元為FF46-2 2×19×0.26，通過計算仿真設計，最終確定了FTF46PJ-96 電纜的結構，如圖1 所示。也就是將4 根A 單元線芯絞合成纜后放在電纜中心；11 根A 單元線芯緊貼中心絞合，將剩余14 根C 單元線芯放在纜芯外圈層層包裹，由于C 單元采用19×0.26 的線芯，較AB 單元而言外徑更大，放置于中心則不利于散熱，故此應放在外層；為了防止電磁屏蔽干擾，所以在B 單元成纜后增加了鍍銀銅絲編織屏蔽，可以減少相互摩擦，破壞相鄰電纜，且放置于最外層有利于散熱，與剩下的C 單元交叉排列，確保工作溫度合理。這樣的排布使得電纜最終成為一個規整的圓，圓形結構可以使電纜使用率最大,傳輸電流最多, 耐壓,容易保護,方便彎曲，并且可減小電纜外徑，易于加工從而達到降低電纜制造成本的目的。在考慮屏蔽性能時，我們將雙絞信號線做單獨屏蔽，整根電纜做整體屏蔽再加護套，這樣的結構可以保證電纜中信號穩定的傳輸，使得電纜性能更佳，有效的隔絕了部分外來因素的影響。

圖1 綜合電纜的結構

在護套材料選用上，采用了聚氨酯材料作為外護套的電纜：一方面由于次電纜為地面測試用電纜，環境惡劣，使用要求較高所以護套材料需要防水防潮，且聚氨酯長期使用后不會老化變硬具備高耐磨損性能，不會使電纜性能降低，也可在低溫環境中也能正常運行；另一方面是由于聚氨酯材料與PVC、PE等橡膠材料性能相似，可熔融擠出且不需硫化，可以通過調整擠出時的溫度來達到不同的材料性能。綜合考慮以上要求，我們采用了聚氨酯材料作為外護套的電纜。

2.2 FTF46PJ-96 分支的設計

在主纜設計完成后，我們進行了分支電纜的設計，如圖2。預分支電纜是在生產主干電纜時按設計圖紙預制分支線的電纜，是近年來的一項新技術產品，具有防水防潮、降低安裝成本、便于施工等性能。

圖2 綜合電纜分支的結構

首先，將電纜的外護套1 米處剝離，將該段編織層翻轉至未剝離的電纜一側，在將分支中的電纜束好，套入編織套與主體有效的連接，并將各分支用熱縮管束好。使用“一分三”手指套套入分支和主體電纜，在主體電纜處用高壓防水自粘膠帶綁扎至合適尺寸，然后將手指套熱縮并在相應的位置做好相應的記號。

在熱縮套管的處理上，我們選用了環保型PET“一分三”手指套熱收縮套管。一方面是為了完整將主纜過度到分支線；另一方面是PET 熱縮管不管是從耐熱性、電絕緣性能、機械性能上都大大超過傳統的PVC 熱收縮套管，且在使用上與統的PVC熱收縮套管并無區別；更主要的是PET 熱收縮套管更為環保，具有無毒性，易于回收，對人體和環境不會產生毒害影響；最后PET 熱縮管材質輕盈、成本低廉、具有優異的清晰度且極其牢固、吸水性弱。

綜合考慮上述要求，我們采用了環保型PET“一分三”手指套熱收縮套管來做分支線的處理，也可以有效的達到防水防潮的特點。如圖3 所示。

圖3 綜合電纜實物示意圖

FTF46PJ-96 綜合電纜是長電纜模式，采用壓降處理可多顆衛星并行測試- 同時具備電源、信號、數據傳輸能力，在衛星裝配效率具有顯著優勢。

3 關鍵工序工藝要點

圖4 FTF46PJ-96 綜合電纜的生產工藝流程

根據所設計的FTF46PJ-96 綜合電纜的結構制定了電纜生產工藝流程，如圖4 所示。

3.1 絕緣擠出

FEP 材料具有穩定的分子結構，有著極好的化學穩定性和電氣性能，加工工藝性能佳，所以選用FEP 作為電纜的絕緣層。

在材料擠出前需要將線芯預熱，一方面可以去除線芯上的雜質，使其變得堅硬一些，更容易通過擠塑模具，另一方面預熱過的線芯擠出時更容易使FEP 材料均有的附著在線芯上。絕緣擠出采用半擠管式模芯模套，在導體上直接進行。由于FEP 材料的熔融粘度和優異的拉伸性能，所以采取擠管式模具。一般來說模芯模套的拉伸平衡比DRB 通常在1.05（0.9-1.1）左右。確定正確的配模比和拉伸比，可以使得擠出錐度達到理想長度。熔融錐體長度太長將導致較大的擠出線變化；熔融錐體太短，將會導致錐體的斷裂；過大的配模比會產生大的剪切速率，使電纜表面粗糙、無光澤、線徑外觀凹凸不平；過小的配模則過導致電纜線徑不穩定。結合我們的長期實踐經驗，通過拉伸比和拉伸平衡計算公式優化選取模芯模套，達到提高生產率的目的。

綜上所述采用模芯選用φ1.5/φ3.0，模套選用φ5.0。實際擠出過程中的錐度如圖5 所示。

為了保證芯線的絕緣強度和耐電壓性能，芯線絕緣的同心度應不小于85%，合適的同心度可以有效防止偏芯或擊穿的發生，芯線同心度如圖6 所示。

3.2 成纜繞包

電線采用同心絞合成纜，相鄰層同向絞合，最外層反向絞合即右向絞合。成纜時不使用填充，并且在絕緣線芯成纜后包繞布帶，使線纜更為圓整：保證了電纜使用率最大并且可減小電纜外徑，易于加工節省成本。

電纜繞包可有效的防止纜芯在彎曲時松散或變形、露出部分纜芯，以確保纜芯的圓整和緊密。因此，就要求繞包帶具有較高的抗張強度和較低的伸長率。而無紡布與PVC 帶相比，具有高抗張強度、低伸長率、性能穩定、價格便宜等優點，能極大程度的降低了成本還能保證產品的性能，因此本項目選用無紡布作為成纜后的最終繞包帶材料，一般繞包搭蓋率為25%～35%。

圖5 擠出錐度

圖6 同心度

3.3 編織

本項目采用鍍銀銅絲編織：為使電纜具有防電磁干擾的屏蔽作用、消除電纜表面電位的屏蔽作用以及安全保護的屏蔽作用。

編織密度是指被線股遮蓋的表面與整個被編織電線電纜產品表面之比。當編織密度過小時，編織層則出現縫隙，密度越小，縫隙的寬度也就越大；選取合適的密度，編織層將無縫隙。一般情況，編織密度范圍在50%～90%之間。根據我們實踐經驗應選擇編織密度≥85%，且編織屏蔽可以接頭，但接頭應不影響成品電纜的尺寸和性能。在編織層的任何點，不能有多于1 錠的拼接。且屏蔽線應排列均勻、整齊，無扭結、無漏編、磨損、刮傷；屏蔽線鍍層應光滑、連續；屏蔽層應無鼓包、銹蝕和氧化。

P=（2×p-p2）×100

=（2×0.62-0.622）×100

=85.36%

其中：P：編織總密度

p：單向覆蓋率（編織系數）

編織角度：股線的方向與電纜軸線方向的夾角；一般要求在18-40°之間，根據編制角度計算公式計算出選用合理的編織工藝和角度，實際編織角度示意圖如圖7 所示。

α=arctg[h/(D0+2dπ)×180/π

=arctg[15.85/(2.64+2×0.1π)×180/π

=29.5°

其中：α：編織角度

h：編織節距

D0：編織前徑

d：編織單絲

圖7 編織角度

3.4 護套擠出

電線電纜的外護套的主要作用是保護電纜避免使其受到環境破壞，從而影響性能以及使用壽命。之前已經確定了外護套采用聚氨酯材質。

由于聚氨酯材料具有很強強的吸水性，極易受潮，直接擠塑會導致電纜表面出現毛孔，氣泡等，問題最終導致電纜出現故障，為了確保產品的質量，需要確保聚氨酯材料直接暴露在空氣中，然后在護套擠塑前需要對聚氨酯材料進行預烘干處理。

聚氨酯材料粘度高，流動性差，摩擦生熱快，且對溫度需要精準的控制：

溫度過高會導致材料熔融破裂，難以加工；溫度過低會導致材料塑化不均勻，線徑表面粗糙。擠出時選用了大長徑比、低壓縮比的螺桿，能夠保證聚氨酯材料在腔體均勻流動。為避免護套表面出現毛刺氣孔不光滑等質量問題，電纜擠出后需要立刻水冷，且護套的同心度應不小于70%，顏色為黑色。

4 電纜的主要性能及成品試驗

電纜的主要性能見表2 電氣性能指標、表3 機械性能指標和圖8 電纜機械性能指標。

表2 電氣性能指標

表3 機械性能指標

圖8 電纜機械性能

根據上述設計的結構方案制作出了這款FTF46PJ-96 綜合電纜，并對其性能指標進行了測試，測試結果表明全部滿足表1、表2 和表3 中的設計指標要求。

5 結論

本電纜是一款結構新穎的電纜，通過對整體結構的設計，滿足了電源、信號、數據傳輸能力以及散熱要求，通過編織層設計，滿足了電磁屏蔽性能要求，通過外護套的設計，滿足了纜對復雜環境的要求，同時通過預分支工藝，滿足了裝配效率的要求，解決了用戶使用中防水防潮問題，與分散連接的多路電纜相比，安裝簡便，集成度高，使用靈活，性能可靠。經過最終檢驗，電纜的電性能、機械性能、環境性能等也均滿足使用要求，有較高的實用價值，可滿足衛星地面綜合布線實際使用環境的使用要求。