本發(fā)明涉及航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種將結(jié)構(gòu)與電纜融合于一體的航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜及其制備方法。

背景技術(shù)：

電纜，包括電路電纜(電源線)、數(shù)據(jù)線、信號線等，大量充斥在航天器結(jié)構(gòu)內(nèi)部，它們是對系統(tǒng)或功能器件進(jìn)行供電以及各部件之間進(jìn)行信號和數(shù)據(jù)傳輸必不可少的通道。在傳統(tǒng)的航天器設(shè)計中，航天器被拆分為結(jié)構(gòu)、推進(jìn)、控制、電子等分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)進(jìn)行單獨設(shè)計、制造，最后組裝在一起，這種分開設(shè)計方式帶來的一個主要缺點是，航天器內(nèi)部充斥著數(shù)以千計的獨立電纜線，例如各種電源線以及各種信號線等，以滿足大量電子設(shè)備供電以及相互間信息傳輸?shù)男枰，F(xiàn)有電纜多帶有厚重的、重量可占到電纜總重一半左右的包裹皮層或保護(hù)套，且需要一定數(shù)量的零部件或焊點對電纜進(jìn)行支撐和固定，并帶有相關(guān)的電連接器。

現(xiàn)有結(jié)構(gòu)電纜的大量使用帶來了如下問題：

1)在航天器艙體內(nèi)占據(jù)較大的重量和體積，可以說，在傳統(tǒng)設(shè)計中，龐大電纜網(wǎng)絡(luò)(包括電纜、配電器和電連接器等)的質(zhì)量可以占到航天器系統(tǒng)總質(zhì)量的10％～15％；

2)航天器內(nèi)線路縱橫交錯，連接關(guān)系復(fù)雜，很容易發(fā)生信號竄擾，降低系統(tǒng)可靠性；

3)所需數(shù)量多，安裝工作量大，裝配程序較為繁瑣；

4)航天器系統(tǒng)的擴(kuò)展性差、冗余性差，很難根據(jù)需要進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)。

因此，急需發(fā)展一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，來減少航天器內(nèi)部復(fù)雜的電纜網(wǎng)等冗余物，以克服現(xiàn)有航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜的不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜大大減少了傳統(tǒng)電纜的寄生質(zhì)量和消極體積，有效提高了航天器的有效載荷比。

本發(fā)明的一方面提供了一種航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜及其制備方法，包括用于支持容納電纜的基體、封裝板和電纜，封裝板密封設(shè)置于基體上，電纜容納于封裝板與基體之間并嵌入鋪設(shè)于基體內(nèi)；

基體為PMI泡沫夾層復(fù)合材料，PMI泡沫夾層復(fù)合材料包括碳/環(huán)氧復(fù)合材料和夾設(shè)于碳/環(huán)氧復(fù)合材料之間的PMI泡沫芯材。

進(jìn)一步地，基體上設(shè)置有多個電纜鋪設(shè)槽，電纜鋪設(shè)槽的寬度和深度大于電纜的直徑1～2mm。

進(jìn)一步地，電纜鋪設(shè)槽內(nèi)填涂有用于固定電纜的GD414硅橡膠。

進(jìn)一步地，基體內(nèi)間隔設(shè)置多個器件安裝槽。

進(jìn)一步地，電纜鋪設(shè)槽與器件安裝槽相連通。

進(jìn)一步地，電纜鋪設(shè)槽的開口端設(shè)置于基體的側(cè)壁上。

本發(fā)明的一方面提供了一種如上述航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜的制備方法，包括以下步驟：

1)在基體上根據(jù)線路優(yōu)化設(shè)計開設(shè)電纜鋪設(shè)槽和器件安裝槽；

2)將電纜嵌入電鋪設(shè)槽內(nèi)，并在器件安裝槽處預(yù)留電纜出口，在基體的一側(cè)的預(yù)留電纜接入口；

3)在所述電纜鋪設(shè)槽內(nèi)填涂GD414硅橡膠，采用封裝板對基體進(jìn)行封裝，對所述基體進(jìn)行硅膠固化處理，得到所述航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜。

進(jìn)一步地，硅膠固化處理條件為：升溫速率3℃/min～5℃/min，升溫至65℃～75℃下進(jìn)行固化處理10小時～12小時。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提供的航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜，根據(jù)航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性，將航天器中所需電路的電纜、數(shù)據(jù)線、信號線以及其它纜線和管路整齊的規(guī)劃排布在航天器用復(fù)合材料中，所得電纜既不喪失航天器原有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)有的承載功能，同時使得該復(fù)合材料又具備電纜所具有的導(dǎo)電、信息傳輸?shù)裙δ堋?/p>

本發(fā)明提供的航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜，通過去掉普通電纜的包裹皮層、保護(hù)套以及相關(guān)的支撐和固定零部件，并采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對電纜進(jìn)行封裝、保護(hù)、支撐和固定，顯著地減輕了普通電纜的重量(最大可使航天器內(nèi)部電纜的重量下降50％以上)，同時基本上釋放了傳統(tǒng)電纜所占據(jù)的空間。因此，本發(fā)明大幅消除了電纜的贅重和消極體積，大大提高了航天器的靈活性和可靠性，有利于增加航天器的有效載荷比。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜的立體示意圖。

圖2是本發(fā)明提供的航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜的俯視示意圖。

圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例中PMI泡沫夾層復(fù)合材料剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖例說明：1、電纜鋪設(shè)槽；2、基體；31、鋰離子蓄電池組；32、電源控制模塊；33、用電元器件；4、碳/環(huán)氧復(fù)合材料；5、PMI泡沫芯材。

具體實施方式

參見圖1～2，本發(fā)明提供的航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜包括基體2、封裝板和嵌入安裝于基體2內(nèi)的電纜，電纜鋪設(shè)于基體2內(nèi)，封裝板設(shè)置于基體2上，電纜容納于封裝板與基體2之間，基體2材料為PMI(聚甲基丙烯酰亞胺)泡沫夾層復(fù)合材料，PMI泡沫夾層復(fù)合材料包括PMI泡沫芯材和分設(shè)于PMI泡沫芯材兩相對面上的碳/環(huán)氧復(fù)合材料。

采用PMI泡沫夾層復(fù)合材料替代傳統(tǒng)航天器結(jié)構(gòu)所采用的空間復(fù)合材料或其它結(jié)構(gòu)材料，PMI(聚甲基丙烯酰亞胺)泡沫夾層復(fù)合材料為一種高性能泡沫材料，具有比強(qiáng)度高、比模量高等優(yōu)點，可用作高性能夾層復(fù)合材料的芯材，在航空航天領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

傳統(tǒng)航天器上的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多采用鋁蜂窩夾層的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，而PMI泡沫夾層復(fù)合材料具備優(yōu)于鋁蜂窩夾層的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的力學(xué)性能，可以有效實現(xiàn)夾層嵌入式結(jié)構(gòu)電纜的設(shè)計與制備。所用基體2為PMI(聚酰亞胺)泡沫夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如圖3所示。如圖3所示，所用基體2材料PMI泡沫夾層復(fù)合材料包括PMI泡沫芯材5和夾設(shè)于PMI泡沫芯材5兩相對端上的碳/環(huán)氧復(fù)合材料。PMI泡沫夾層復(fù)合材料為市售材料。

PMI泡沫夾層復(fù)合材料與鋁蜂窩夾層的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料各項力學(xué)參數(shù)列于表1，參見表1可知，所采用的PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)具有比鋁蜂窩夾層的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料更好的綜合性能。

表1 PMI泡沫夾層復(fù)合材料與鋁蜂窩夾層的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料力學(xué)性能表

通過將電纜嵌入PMI泡沫夾層復(fù)合材料中，并對電纜的鋪設(shè)進(jìn)行優(yōu)化，從而使二者有機(jī)的復(fù)合，實現(xiàn)所得電纜能滿足航天器結(jié)構(gòu)性能與電纜功能的雙重要求。

參見圖1～2，本實施例中將所得電纜用于小衛(wèi)星的電源系統(tǒng)，包括鋰離子蓄電池組31、電源控制模塊32、用電元器件33。將所制得的PMI泡沫夾層復(fù)合材料作為基體2，在基體2的表面上開設(shè)有多個器件安裝槽，每個器件安裝槽內(nèi)分布安放鋰離子蓄電池組31、電源控制模塊32和用電元器件33。各器件安裝槽均與電纜鋪設(shè)槽1相連通，電纜安放于電纜鋪設(shè)槽1內(nèi)。電纜與各器件的連接端伸入器件安裝槽內(nèi)。電纜鋪設(shè)槽1的進(jìn)口端設(shè)置于基體2側(cè)壁上。

在該小衛(wèi)星的電源系統(tǒng)中，電纜需要完成的主要功能是實現(xiàn)鋰離子蓄電池組31之間的電路連接、鋰離子蓄電池組31與電源控制模塊32(充電管理、放電管理、直流/直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換模塊等)的電路連接以及鋰離子蓄電池組31與用電元器件33(計算機(jī)芯片、磁力鎖、攝像頭等)的電路連接。

優(yōu)選的，以碳纖維復(fù)合材料作為封裝板。對嵌入基體2內(nèi)的航空器件和電纜進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)封裝，從而實現(xiàn)航天器電纜(電線、數(shù)據(jù)線、信號線等)與結(jié)構(gòu)(艙體、筋板、隔板等)的有機(jī)融合。根據(jù)使用的需要，還可以在多個航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜之間通過柔性的扁平矩陣電纜連接器以實現(xiàn)電纜之間的相互連接。

優(yōu)選的，基體2上設(shè)置有多個電纜鋪設(shè)槽1，電纜鋪設(shè)槽1的寬度和深度大于電纜直徑1～2mm。按此設(shè)置，能提高電纜的拆裝靈活性，避免電纜對基體2材料的損壞。

優(yōu)選的，電纜鋪設(shè)槽1內(nèi)填涂有GD414硅橡膠。采用該硅橡膠能減輕所得電纜模塊的整體重量，使其更適用于航天器的要求。

優(yōu)選的，基體2內(nèi)間隔設(shè)置多個器件安裝槽。器件安裝槽可以用于安裝鋰離子蓄電池組、電源控制模塊、用電元器件等器件。

優(yōu)選的，電纜鋪設(shè)槽1與器件安裝槽相連通。可通過設(shè)置相應(yīng)的槽實現(xiàn)聯(lián)通，從而使得電纜的連接端留于器件安裝槽內(nèi)。

優(yōu)選的，電纜鋪設(shè)槽1的開口端設(shè)置于基體2的側(cè)壁上。

本發(fā)明的另一方面還提供了上述電纜的制備方法，包括以下步驟：

1)在基體上根據(jù)線路優(yōu)化設(shè)計開設(shè)電纜鋪設(shè)槽和器件安裝槽；

2)將電纜嵌入電鋪設(shè)槽內(nèi)，并在器件安裝槽處預(yù)留電纜出口，在基體的一側(cè)的預(yù)留電纜接入口；

3)在電纜鋪設(shè)槽內(nèi)填涂GD414硅橡膠，采用封裝板對基體進(jìn)行封裝，對基體進(jìn)行硅膠固化處理，得到航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜。

此處的優(yōu)化設(shè)計是指為了減少電纜的交錯進(jìn)行的電纜排布設(shè)計。按現(xiàn)有方法進(jìn)行即可。

優(yōu)選的，硅膠固化處理條件為：升溫速率3℃/min～5℃/min，升溫至65℃～75℃下進(jìn)行固化處理10小時～12小時。按此條件進(jìn)行固化處理，能提高固化后硅膠對線纜的固定能力，同時保證固化后的電纜能適用于航天器的在軌運行要求，例如在極端溫度下不會發(fā)生脫落的要求。

本發(fā)明提供的方法制得的電纜嵌入基體內(nèi)，以基體替代電纜的各類固定結(jié)構(gòu)，從而減輕了電纜的冗余重量，同時所得電纜的基體還能起到支承保護(hù)作用，提高了所得電纜對航天器使用環(huán)境的適應(yīng)能力，提高了所得電纜的可靠性。

優(yōu)選的電纜鋪設(shè)槽的寬度和深度比電纜的直徑大1mm～2mm。按此設(shè)置能提高鋪線速度，避免電纜在鋪設(shè)過程中受損。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個具體實施例作詳細(xì)說明。

本文中實施例均為以某300kg的小衛(wèi)星為例，如果采用普通電纜設(shè)計，則電纜的總重量大約為18kg，即衛(wèi)星系統(tǒng)總質(zhì)量的6％。這里應(yīng)用本發(fā)明，針對該小衛(wèi)星的電源系統(tǒng)進(jìn)行航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜設(shè)計。

航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜具體制備方法包含如下3個步驟：

1)在基體上根據(jù)線路優(yōu)化設(shè)計開設(shè)電纜鋪設(shè)槽和器件安裝槽；

2)將電纜嵌入電鋪設(shè)槽內(nèi)，并在器件安裝槽處預(yù)留電纜出口，在基體的一側(cè)的預(yù)留電纜接入口；將電纜嵌入由所制備的PMI泡沫夾層復(fù)合材料作為基體的電纜鋪設(shè)槽內(nèi)，即在滿足航天器結(jié)構(gòu)性能要求與電纜功能要求的前提下，將電纜嵌入到PMI泡沫夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的基體中，并在夾層材料中進(jìn)行優(yōu)化位置布局。

3)在電纜鋪設(shè)槽內(nèi)填涂GD414硅橡膠，之后通過M40J碳纖維復(fù)合材料面板進(jìn)行封裝，對基體進(jìn)行硅膠固化處理，得到航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜。這種復(fù)合方式適合于電纜數(shù)量較多、布局較密集、電纜尺寸較大的情況。

實施例1

電纜鋪設(shè)的具體方法如下：用刀具在PMI泡沫夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上開出一定寬度和深度的槽(尺寸相比電纜的直徑大1mm～2mm)，嵌入電纜后，填涂GD414硅橡膠以進(jìn)行固定，在將PMI泡沫夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)放入大型溫度控制箱中對硅橡膠進(jìn)行固化，固化過程中溫升速率控制在3℃/min，最大溫度控制在65℃，處理20小時。

實施例2

電纜鋪設(shè)的具體方法如下：用刀具在PMI泡沫夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上開出一定寬度和深度的槽(尺寸相比電纜的直徑大1mm～2mm)，嵌入電纜后，填涂GD414硅橡膠以進(jìn)行固定，在將PMI泡沫夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)放入大型溫度控制箱中對硅橡膠進(jìn)行固化，固化過程中溫升速率控制在5℃/min，最大溫度控制在75℃，處理10小時。

最后，對實施例1或2中所得基體，利用碳纖維復(fù)合材料面板將整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，從而實現(xiàn)航天器電纜(電線、數(shù)據(jù)線、信號線等)與結(jié)構(gòu)(艙體、筋板、隔板等)的有機(jī)融合，同時在PMI泡沫夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與PMI泡沫夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之間，采用柔性的扁平矩陣電纜連接器以實現(xiàn)電纜之間的相互連接。在本實施例中，上述連接電路均集成在衛(wèi)星服務(wù)艙結(jié)構(gòu)中，無任何外露電纜，實現(xiàn)了衛(wèi)星航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜的設(shè)計。

在本實施例中，由于去掉了各種贅重(包皮、保護(hù)套、支撐部件等)，設(shè)計后得到的新多功能結(jié)構(gòu)電纜的重量只有8kg左右，電纜重量減輕了55.6％，而體積減少100％，因而顯著地減輕了普通電纜的重量，并且消除了普通電纜的消極體積。

此外，在航天器用多功能結(jié)構(gòu)電纜中，電纜成為了結(jié)構(gòu)的有機(jī)組成部分，特別是對夾層結(jié)構(gòu)嵌入式結(jié)構(gòu)電纜而言，由于電纜的力學(xué)性能明顯優(yōu)于夾心材料的性能，所以，結(jié)構(gòu)電纜并不會降低原結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。因此，結(jié)構(gòu)電纜可以實現(xiàn)電纜與結(jié)構(gòu)的融合而不增加結(jié)構(gòu)的體積，相當(dāng)于消除了電纜本身所占據(jù)的體積。