航天器用多功能结构电缆及其制备方法

摘要

本发明提出了一种将结构与电缆融合于一体的航天器用多功能结构电缆及其制备方法，属于航天结构设计技术领域。所述多功能结构电缆是根据航天复合材料结构的可设计性，把电路电缆、数据线、信号线以及其它电缆和管路与复合材料结构有机地融合在一起进行一体化设计而得到的一种多功能结构，该新型结构具有多功能特征，即：既不丧失航天器原有复合材料结构应有的承载功能，又同时具备电缆的导电、信息传输等功能，而且该新型结构还具有传统电缆的包裹皮层和保护套等功能。本发明消除了传统电缆的寄生质量和消极体积，有利于实现结构模块化设计制造、缩短产品研制装配周期和提高航天器的有效载荷比。

权利要求

1.一种航天器用多功能结构电缆组件，其特征在于，包括电缆、封装板和用于支持容纳电缆的基体，所述封装板密封设置于所述基体上，所述电缆容纳于所述封装板与所述基体之间并嵌入铺设于所述基体内；

所述基体为PMI泡沫夹层复合材料，所述PMI泡沫夹层复合材料包括碳环氧复合材料和夹设于所述碳环氧复合材料之间的PMI泡沫芯材。

2.根据权利要求1所述的一种航天器用多功能结构电缆组件，其特征在于，所述基体上设置有多个电缆铺设槽，所述电缆铺设槽的宽度和深度均比所述电缆的直径大1～2mm。

3.根据权利要求2所述的一种航天器用多功能结构电缆组件，其特征在于，所述电缆铺设槽内填涂有用于固定所述电缆的GD414硅橡胶。

4.根据权利要求2所述的一种航天器用多功能结构电缆组件，其特征在于，所述基体内间隔设置多个器件安装槽。

5.根据权利要求4所述的一种航天器用多功能结构电缆组件，其特征在于，所述电缆铺设槽与所述器件安装槽相连通。

6.根据权利要求2所述的一种航天器用多功能结构电缆组件，其特征在于，所述电缆铺设槽的开口端设置于所述基体的侧壁上。

7.一种如权利要求1～6中任一项所述航天器用多功能结构电缆组件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在基体上根据线路优化设计开设电缆铺设槽和器件安装槽；

2)将电缆嵌入所述电缆铺设槽内，并在所述器件安装槽处预留电缆出口，在所述基体的一侧预留电缆接入口；

3)在所述电缆铺设槽内填涂GD414硅橡胶，采用封装板对基体进行封装，对所述基体进行硅胶固化处理，得到所述航天器用多功能结构电缆组件。

8.根据权利要求7所述的一种航天器用多功能结构电缆组件制备方法，其特征在于，所述硅胶固化处理条件为：升温速率3℃/min～5℃/min，升温至65℃～75℃下进行固化处理

10小时～12小时。

说明书

航天器用多功能结构电缆及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及航天器结构设计技术领域，具体涉及一种将结构与电缆融合于一体的航天器用多功能结构电缆及其制备方法。

背景技术

[0002] 电缆，包括电路电缆(电源线)、数据线、信号线等，大量充斥在航天器结构内部，它们是对系统或功能器件进行供电以及各部件之间进行信号和数据传输必不可少的通道。在传统的航天器设计中，航天器被拆分为结构、推进、控制、电子等分系统，各分系统进行单独设计、制造，最后组装在一起，这种分开设计方式带来的一个主要缺点是，航天器内部充斥着数以千计的独立电缆线，例如各种电源线以及各种信号线等，以满足大量电子设备供电以及相互间信息传输的需要。现有电缆多带有厚重的、重量可占到电缆总重一半左右的包裹皮层或保护套，且需要一定数量的零部件或焊点对电缆进行支撑和固定，并带有相关的电连接器。

[0003] 现有结构电缆的大量使用带来了如下问题：

[0004] 1)在航天器舱体内占据较大的重量和体积，可以说，在传统设计中，庞大电缆网络(包括电缆、配电器和电连接器等)的质量可以占到航天器系统总质量的10％～15％；

[0005] 2)航天器内线路纵横交错，连接关系复杂，很容易发生信号窜扰，降低系统可靠性；

[0006] 3)所需数量多，安装工作量大，装配程序较为繁琐；

[0007] 4)航天器系统的扩展性差、冗余性差，很难根据需要进行系统重构。

[0008] 因此，急需发展一种新的结构设计技术，来减少航天器内部复杂的电缆网等冗余物，以克服现有航天器用多功能结构电缆的不足。

发明内容

[0009] 为了解决上述技术问题，本发明提供的航天器用多功能结构电缆大大减少了传统电缆的寄生质量和消极体积，有效提高了航天器的有效载荷比。

[0010] 本发明的一方面提供了一种航天器用多功能结构电缆及其制备方法，包括用于支持容纳电缆的基体、封装板和电缆，封装板密封设置于基体上，电缆容纳于封装板与基体之间并嵌入铺设于基体内；

[0011] 基体为PMI泡沫夹层复合材料，PMI泡沫夹层复合材料包括碳/环氧复合材料和夹设于碳/环氧复合材料之间的PMI泡沫芯材。

[0012] 进一步地，基体上设置有多个电缆铺设槽，电缆铺设槽的宽度和深度大于电缆的直径1～2mm。

[0013] 进一步地，电缆铺设槽内填涂有用于固定电缆的GD414硅橡胶。

[0014] 进一步地，基体内间隔设置多个器件安装槽。

[0015] 进一步地，电缆铺设槽与器件安装槽相连通。

[0016] 进一步地，电缆铺设槽的开口端设置于基体的侧壁上。

[0017] 本发明的一方面提供了一种如上述航天器用多功能结构电缆的制备方法，包括以下步骤：

[0018] 1)在基体上根据线路优化设计开设电缆铺设槽和器件安装槽；

[0019] 2)将电缆嵌入电缆铺设槽内，并在器件安装槽处预留电缆出口，在基体的一侧预留电缆接入口；

[0020] 3)在所述电缆铺设槽内填涂GD414硅橡胶，采用封装板对基体进行封装，对所述基体进行硅胶固化处理，得到所述航天器用多功能结构电缆。

[0021] 进一步地，硅胶固化处理条件为：升温速率3℃/min～5℃/min，升温至65℃～75℃下进行固化处理10小时～12小时。

[0022] 本发明的有益效果：

[0023] 本发明提供的航天器用多功能结构电缆，根据航天复合材料结构的可设计性，将航天器中所需电路的电缆、数据线、信号线以及其它缆线和管路整齐的规划排布在航天器用复合材料中，所得电缆既不丧失航天器原有复合材料结构应有的承载功能，同时使得该复合材料又具备电缆所具有的导电、信息传输等功能。

[0024] 本发明提供的航天器用多功能结构电缆，通过去掉普通电缆的包裹皮层、保护套以及相关的支撑和固定零部件，并采用复合材料结构对电缆进行封装、保护、支撑和固定，显著地减轻了普通电缆的重量(最大可使航天器内部电缆的重量下降50％以上)，同时基本上释放了传统电缆所占据的空间。因此，本发明大幅消除了电缆的赘重和消极体积，大大提高了航天器的灵活性和可靠性，有利于增加航天器的有效载荷比。

附图说明

[0025] 图1是本发明提供的航天器用多功能结构电缆的立体示意图。

[0026] 图2是本发明提供的航天器用多功能结构电缆的俯视示意图。

[0027] 图3是本发明优选实施例中PMI泡沫夹层复合材料剖面结构示意图。

[0028] 图例说明：1、电缆铺设槽；2、基体；31、锂离子蓄电池组；32、电源控制模块；33、用电元器件；4、碳/环氧复合材料；5、PMI泡沫芯材。

具体实施方式

[0029] 参见图1～2，本发明提供的航天器用多功能结构电缆包括基体2、封装板和嵌入安装于基体2内的电缆，电缆铺设于基体2内，封装板设置于基体2上，电缆容纳于封装板与基体2之间，基体2材料为PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫夹层复合材料，PMI泡沫夹层复合材料包括PMI泡沫芯材和分设于PMI泡沫芯材两相对面上的碳/环氧复合材料。

[0030] 采用PMI泡沫夹层复合材料替代传统航天器结构所采用的空间复合材料或其它结构材料，PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫夹层复合材料为一种高性能泡沫材料，具有比强度高、比模量高等优点，可用作高性能夹层复合材料的芯材，在航空航天领域有重要应用。

[0031] 传统航天器上的复合材料结构多采用铝蜂窝夹层的碳纤维/环氧复合材料，而PMI泡沫夹层复合材料具备优于铝蜂窝夹层的碳纤维/环氧复合材料的力学性能，可以有效实现夹层嵌入式结构电缆的设计与制备。所用基体2为PMI泡沫夹层复合材料结构，如图3所示。如图3所示，所用基体2材料PMI泡沫夹层复合材料包括PMI泡沫芯材5和夹设于PMI泡沫芯材5两相对端上的碳/环氧复合材料。PMI泡沫夹层复合材料为市售材料。

[0032] PMI泡沫夹层复合材料与铝蜂窝夹层的碳纤维/环氧复合材料各项力学参数列于表1，参见表1可知，所采用的PMI泡沫夹层结构具有比铝蜂窝夹层的碳纤维/环氧复合材料更好的综合性能。

[0033] 表1 PMI泡沫夹层复合材料与铝蜂窝夹层的碳纤维/环氧复合材料力学性能表[0034]

[0035] 通过将电缆嵌入PMI泡沫夹层复合材料中，并对电缆的铺设进行优化，从而使二者有机的复合，实现所得电缆能满足航天器结构性能与电缆功能的双重要求。

[0036] 参见图1～2，本实施例中将所得电缆用于小卫星的电源系统，包括锂离子蓄电池组31、电源控制模块32、用电元器件33。将所制得的PMI泡沫夹层复合材料作为基体2，在基体2的表面上开设有多个器件安装槽，每个器件安装槽内分布安放锂离子蓄电池组31、电源控制模块32和用电元器件33。各器件安装槽均与电缆铺设槽1相连通，电缆安放于电缆铺设槽1内。电缆与各器件的连接端伸入器件安装槽内。电缆铺设槽1的进口端设置于基体2侧壁上。

[0037] 在该小卫星的电源系统中，电缆需要完成的主要功能是实现锂离子蓄电池组31之间的电路连接、锂离子蓄电池组31与电源控制模块32(充电管理、放电管理、直流/直流(DC/DC)转换模块等)的电路连接以及锂离子蓄电池组31与用电元器件33(计算机芯片、磁力锁、摄像头等)的电路连接。

[0038] 优选的，以碳纤维复合材料作为封装板。对嵌入基体2内的航空器件和电缆进行整体结构封装，从而实现航天器电缆(电线、数据线、信号线等)与结构(舱体、筋板、隔板等)的有机融合。根据使用的需要，还可以在多个航天器用多功能结构电缆之间通过柔性的扁平矩阵电缆连接器以实现电缆之间的相互连接。

[0039] 优选的，基体2上设置有多个电缆铺设槽1，电缆铺设槽1的宽度和深度大于电缆直径1～2mm。按此设置，能提高电缆的拆装灵活性，避免电缆对基体2材料的损坏。

[0040] 优选的，电缆铺设槽1内填涂有GD414硅橡胶。采用该硅橡胶能减轻所得电缆模块的整体重量，使其更适用于航天器的要求。

[0041] 优选的，基体2内间隔设置多个器件安装槽。器件安装槽可以用于安装锂离子蓄电池组、电源控制模块、用电元器件等器件。

[0042] 优选的，电缆铺设槽1与器件安装槽相连通。可通过设置相应的槽实现联通，从而使得电缆的连接端留于器件安装槽内。

[0043] 优选的，电缆铺设槽1的开口端设置于基体2的侧壁上。

[0044] 本发明的另一方面还提供了上述电缆的制备方法，包括以下步骤：

[0045] 1)在基体上根据线路优化设计开设电缆铺设槽和器件安装槽；

[0046] 2)将电缆嵌入电铺设槽内，并在器件安装槽处预留电缆出口，在基体的一侧的预留电缆接入口；

[0047] 3)在电缆铺设槽内填涂GD414硅橡胶，采用封装板对基体进行封装，对基体进行硅胶固化处理，得到航天器用多功能结构电缆。

[0048] 此处的优化设计是指为了减少电缆的交错进行的电缆排布设计。按现有方法进行即可。

[0049] 优选的，硅胶固化处理条件为：升温速率3℃/min～5℃/min，升温至65℃～75℃下进行固化处理10小时～12小时。按此条件进行固化处理，能提高固化后硅胶对线缆的固定能力，同时保证固化后的电缆能适用于航天器的在轨运行要求，例如在极端温度下不会发生脱落的要求。

[0050] 本发明提供的方法制得的电缆嵌入基体内，以基体替代电缆的各类固定结构，从而减轻了电缆的冗余重量，同时所得电缆的基体还能起到支承保护作用，提高了所得电缆对航天器使用环境的适应能力，提高了所得电缆的可靠性。

[0051] 优选的电缆铺设槽的宽度和深度比电缆的直径大1mm～2mm。按此设置能提高铺线速度，避免电缆在铺设过程中受损。

[0052] 下面结合附图对本发明的一个具体实施例作详细说明。

[0053] 本文中实施例均为以某300kg的小卫星为例，如果采用普通电缆设计，则电缆的总重量大约为18kg，即卫星系统总质量的6％。这里应用本发明，针对该小卫星的电源系统进行航天器用多功能结构电缆设计。

[0054] 航天器用多功能结构电缆具体制备方法包含如下3个步骤：

[0055] 1)在基体上根据线路优化设计开设电缆铺设槽和器件安装槽；

[0056] 2)将电缆嵌入电铺设槽内，并在器件安装槽处预留电缆出口，在基体的一侧的预留电缆接入口；将电缆嵌入由所制备的PMI泡沫夹层复合材料作为基体的电缆铺设槽内，即在满足航天器结构性能要求与电缆功能要求的前提下，将电缆嵌入到PMI泡沫夹层复合材料结构的基体中，并在夹层材料中进行优化位置布局。

[0057] 3)在电缆铺设槽内填涂GD414硅橡胶，之后通过M40J碳纤维复合材料面板进行封装，对基体进行硅胶固化处理，得到航天器用多功能结构电缆。这种复合方式适合于电缆数量较多、布局较密集、电缆尺寸较大的情况。

[0058] 实施例1

[0059] 电缆铺设的具体方法如下：用刀具在PMI泡沫夹层复合材料结构上开出一定宽度和深度的槽(尺寸相比电缆的直径大1mm～2mm)，嵌入电缆后，填涂GD414硅橡胶以进行固定，在将PMI泡沫夹层复合材料结构放入大型温度控制箱中对硅橡胶进行固化，固化过程中温升速率控制在3℃/min，最大温度控制在65℃，处理20小时。

[0060] 实施例2

[0061] 电缆铺设的具体方法如下：用刀具在PMI泡沫夹层复合材料结构上开出一定宽度和深度的槽(尺寸相比电缆的直径大1mm～2mm)，嵌入电缆后，填涂GD414硅橡胶以进行固定，在将PMI泡沫夹层复合材料结构放入大型温度控制箱中对硅橡胶进行固化，固化过程中温升速率控制在5℃/min，最大温度控制在75℃，处理10小时。

[0062] 最后，对实施例1或2中所得基体，利用碳纤维复合材料面板将整体结构进行封装，从而实现航天器电缆(电线、数据线、信号线等)与结构(舱体、筋板、隔板等)的有机融合，同时在PMI泡沫夹层复合材料结构与PMI泡沫夹层复合材料结构之间，采用柔性的扁平矩阵电缆连接器以实现电缆之间的相互连接。在本实施例中，上述连接电路均集成在卫星服务舱结构中，无任何外露电缆，实现了卫星航天器用多功能结构电缆的设计。

[0063] 在本实施例中，由于去掉了各种赘重(包皮、保护套、支撑部件等)，设计后得到的新多功能结构电缆的重量只有8kg左右，电缆重量减轻了55.6％，而体积减少100％，因而显著地减轻了普通电缆的重量，并且消除了普通电缆的消极体积。

[0064] 此外，在航天器用多功能结构电缆中，电缆成为了结构的有机组成部分，特别是对夹层结构嵌入式结构电缆而言，由于电缆的力学性能明显优于夹心材料的性能，所以，结构电缆并不会降低原结构的力学性能。因此，结构电缆可以实现电缆与结构的融合而不增加结构的体积，相当于消除了电缆本身所占据的体积。