核动力航天器耐高温传输线缆设计研究

0引言

我国近年相继启动了载人登月、深空探测、空间激光武器、微小卫星群、卫星导航星座等系列空间计划,这对高能量密度的空间电源系统提出了更高的要求。空间核动力系统凭借功率密度高、寿命长、环境适应性强的优势,成为深空探测和长周期任务的首选电源。空间核电源电缆的性能和可靠性是确保核动力航天器长期有效运行的关键要素。

核动力航天器与普通航天器的主要区别在于:核动力航天器由核反应堆、负载以及连接二者的展收机构组成(图1),系统需在极端环境下保持功能性能,并实现机械展收,需要特别考虑核反应堆的散热和辐射对元器件的影响。核反应堆与负载之间距离较远,通常大于20 m,通过可折叠、收放的电缆连接起来。核反应堆与负载之间的电缆主要承担核电能量传输、核反应堆内部检测信号传输以及控制信号传输的功能。因此,空间核电源电缆的选型与设计主要包含两个方面:信号传输线缆设计和电力传输线缆设计。

1展收结构信号传输线缆设计

设计需要考虑要素:

1)核反应堆监测的信号主要包括中子剂量感应电流、温度传感信号电流以及反应堆内部压力传感信号等。此类信号特点是电流极其微弱、电压小、信噪比低,极易被外在电磁场干扰,且核反应堆本身产生的中子、丫射线轰击材料以及太阳风暴产生的带电粒子都会诱发强烈的电磁干扰,包括瞬态辐射感应电导率效应和位移损伤等,因此必须对核电信号电缆进行抗核加固设计,确保信号传输的完整性。

2)反应堆端的环境温度在400℃以上,而且处于强辐照的空间环境。高分子绝缘电缆长期使用温度通常不高于300℃,且在辐照下易发生绝缘老化、脆化、分解和气体析出,导致电气性能劣化甚至失效。因此,反应堆端(高温区)不能选用有机高分子电缆,须选用具有高耐温等级(>400℃)和优异耐辐照性能的无机矿物绝缘电缆。此类电缆采用耐高温、耐辐照的无缝铜作为护套,护套与内导体之间是一层经紧密压实的无机矿物绝缘层(高纯二氧化硅)。由于电缆为刚性结构,不能弯曲伸展,需在伸展机构远离反应堆的低温端采用具有弯曲伸展性的高分子绝缘电缆。刚性—柔性过渡区域的连接可靠性与热匹配则是链路设计主要的技术难点。

信号传输电缆按两段式设计:距离反应堆较近处采用耐高温刚性无机矿物绝缘电缆,距离反应堆较远处采用有机高分子绝缘电缆。高分子绝缘电缆在辐照下屏蔽性能退化,需进行多层屏蔽铠装。卫星处于收缩状态时,柔性段缠绕于收线盘。当卫星展开时,收线盘转动,柔性段随之伸展开。

刚性部分:采用一芯、二芯、四芯和六芯二氧化硅绝缘的半钢电缆(每根芯的导体截面为1 mm2)。二氧化硅绝缘具有极高的熔点(>1 700℃)、优异的绝缘强度、良好的耐辐照性能和高度的化学稳定性,是高温高辐照区域的理想选择。

根据信号的敏感度、带宽和隔离要求选用电缆,如信号最弱、最易受干扰的中子感应信号采用1芯核测电缆,实现物理隔离,最大限度降低串扰,如图2所示。传感温度信号采用6芯核测组件传输多个传感器信号,提高集成度并节省空间,如图3所示。将4根6芯、3根4芯、2根2芯和1根1芯核测组件捆绑在一起,可制成一个41芯的信号传输器件组。基于各组件的直径和最小捆扎间隙计算,一个41芯的信号传输器件组的最小理论直径为37.1 mm。考虑到刚性组件固定、连接器装配空间以及必要的热膨胀间隙和机械容差,一个41芯的信号传输器件组截面为直径75 mm的圆,如图4所示。

传输100个检测信号需要200芯的线路,就要求设计5个41芯的信号传输器件组。

柔性部分:采用41芯的抗核加固传输线。柔性电缆需满足数万次弯折要求,并能在空间低温、真空环境下保持柔韧性。

为保证线缆抗电磁信号干扰能力,采用多重屏蔽结构,如镀银铜编织(提供高频屏蔽和低转移阻抗)、铁磁性钢带绕包(提供低频磁场屏蔽和机械保护)和铝箔包覆(提供全面的电场和平面波屏蔽)的复合屏蔽结构[1]。图5所示的电缆是我所研制的抗核加固传输线,该产品通过了核屏蔽机构的抗电磁冲击屏蔽性能验证,其屏蔽效能优于100 dB。

5个41芯的信号传输器件组就需要对应5根41芯的抗核加固传输线,这5根线缆分别缠绕在5个收线盘上。

2展收结构电力传输线缆设计

设计考虑要素:

1)核反应堆电力传输的主要特点是电流大,可达200~300 A。低压大电流传输模式会导致传输线路发热损耗大,需要足够的导体截面积,减小电压损失,确保负载端供电电压满足设计要求,并控制温升在安全限值内;无须考虑电磁干扰。

2)靠近反应堆端的温度较高,需采用耐高温电缆;航天器中间伸缩连接部分所用大截面电力电缆要求具备良好的折叠能力。大截面导体的弯曲是主要的技术难点。

综上,电力传输电缆按两段式设计:距离反应堆较近处采用耐高温刚性无机矿物绝缘电缆,距离反应堆较远处采用有机高分子绝缘扁平带状电缆。扁平带状结构有利于实现大截面导体在有限空间内的反复折叠。在卫星处于收缩状态时,带状电缆采用反复折叠的方式收拢。

刚性部分:采用二芯二氧化硅绝缘电缆。考虑到负载端允许的总电压降为4 V,其中刚性电缆压降应小于1 V。每根芯线直径为14 mm(图6)。采用双芯结构可提供电流回路,降低电感,并平衡磁场。

根据铜的电导率和相对应截面积计算3 m长的刚性电缆压降为0.7 V。

柔性部分:采用柔性带状电缆(19芯14号线规),如图7所示。将大电流分散到19根并联导体上,显著降低单根导体的截面积需求,从而获得必要的柔韧性。刚性二氧化硅电缆通过低接触电阻、高载流能力的连接器将大电流分流到带状电缆上。连接器需承受大电流和频繁插拔,并保证在空间环境下的接触可靠性。

根据铜的电导率和相对应截面积,35 m长的柔性电缆压降为2 V。

综上,总压降为2.7 V,满足设计要求。

3 总结及展望

以上为核动力航天器电缆选型与设计的初步思路。航天器的元器件设计要充分考虑重量、使用寿命、可靠性以及性能保障。这些指标彼此之间相互制约,进行线缆设计时需根据具体的环境条件(温度梯度、辐照剂量率与总量、真空、原子氧、等离子体、机械振动与冲击、展收次数等)进行取舍和优化。

上述设计方案还有一定的优化空间。比如信号线部分,对信号进行更精细的分组,基于信号类型、源阻抗和敏感度,彼此之间不串扰信号的尽可能多采用6芯核测电缆,优化捆扎方案,可以减少半钢电缆数量和重量;信号线的屏蔽效果与屏蔽铠装层数、材料及覆盖率密切相关,需根据具体的屏蔽要求(如不同频段的场强衰减要求)来验证及精确设计铠装层数;电力电缆部分需要根据具体电压降要求来设计导体截面积尺寸,探索轻质高导电材料的应用潜力,并优化柔性段带状电缆的导体数量与排布,以平衡柔性与载流/压降。

未来研究可关注新型耐高温耐辐照柔性绝缘材料、智能线束管理技术以及在线状态监测方法,进一步提升核动力航天器传输链路的性能和可靠性。

[参考文献]

[1]汪祥兴.射频电缆设计手册[Z].上海:中国电子科技集团公司第二十三研究所,1996.

《机电信息》2025年第18期第13篇