环境适应能力超强，宇航环境用线缆是怎样炼成的？
导读
随着宇航空间资源的开发利用，宇航环境对航天器的设计寿命和可靠性提出了更高的要求。因此，开发满足性能要求且对空间环境有较好的适应性和耐久性的线缆已成为一个重要课题。
精读
宇航环境用线缆性能要求
宇航环境用线缆需满足尺寸及质量、电气性能、热性能、机械性能、化学性能和空间环境等方面的要求。目前，不同的宇航环境主要有压力舱、低地球轨道（LEO）、同步地球轨道（GEO）、跨大气层飞行器、月球表面和火星表面环境等。航天器舱内属于封闭结构，其环境与压力舱环境一致。
1.尺寸及质量要求
航天器舱内外线缆系统的质量与航天器载荷密切相关。相同性能情况下，线缆质量越轻，航天器能够承载的载荷就越多，为增加航天器载荷，必须对航天器用线缆的尺寸及质量进行控制；同时在保证性能的前提下质量越轻，发射成本也越低。对于卫星类航天器而言，首要问题是降低航天器自身的质量，质量的减轻不仅可以减少发射费用，更重要的是能节省出更多的空间位置，方便卫星携带更多的燃料，提高卫星的有效运行寿命。
目前，较常见的线缆轻量化方法有：①特定场合采用较小截面的高性能铜合金导体代替较大截面的软铜导体，譬如采用28AWG铜合金导线替代26AWG铜导线，可使线缆质量减轻25%以上；②采用绕包绝缘代替常见的挤包绝缘，降低绝缘层厚度，譬如采用26AWG绕包绝缘导线替代挤包绝缘导线，可使线缆质量减轻20%以上；③采用密度较低的新型挤包绝缘替代绕包绝缘，降低绝缘层密度，譬如采用26AWG挤包绝缘导线替代绕包绝缘导线，可使线缆质量减轻35%以上。
2.电气性能要求
目前，为太空设计的电力系统绝大多数都是低压直流系统，功率范围在几瓦到几千瓦之间。随着电力系统运行的日益复杂，线缆系统的故障率也大大提高，当系统电压水平升高时，出现电晕和电弧轨迹的可能性同步增加。相关试验表明，线缆系统在直流电压为28V时可能会产生电弧径迹，但在直流电压上升到270V时肯定会产生电弧径迹。因此，宇航环境用线缆在空间环境中使用时，应考虑线缆的耐压能力。宇航环境用线缆的电气性能要求见表1。
表1 宇航环境用线缆的电气性能要求
3.热性能要求
由于空间环境中缺乏大气，线缆系统会产生极端的热应力。空间环境中没有大气吸收热量，无论太阳是否照射，线缆系统均会出现极端的高温或低温，此外，当线缆受到保护而不受极端温度影响时，例如在载人压力舱中，富集的氧气环境将增加线路故障引发火灾的可能性。在极端温度下，航天器舱外线缆的老化速率加快，从而促使线缆绝缘失效。航天器舱外线缆系统会面临极端的高温或低温，热循环频率是影响航天器舱外线缆温度的最大因素。
虽然卫星运行的环境是极端的，但航天器的设计可以减少热应力对卫星内部线缆系统的影响，即航天器内部线缆由航天器系统保护，使电气线路免受极端环境影响；在行星表面，线缆系统需经受各种极端温度，故应选用耐温性能满足宇航环境要求的线缆。目前，宇航环境用线缆的耐热冲击试验按照标准GJB 17.14-1984进行，温度条件为-55~200℃，一共4个周期。为了确保宇航环境用线缆的可靠性，可以增加耐热冲击试验的周期。宇航环境用线缆的热性能要求见表2。
表2 宇航环境用线缆的热性能要求
4.机械性能要求
航天器发射过程中的振动和声压会造成线缆系统的磨损，宇航环境中的流星体和碎片可能会撞击和切割线缆系统。航天器发射过程中，声压会引起振动，声压引起的振动可能大于结构传递引起的振动。流星体和碎片撞击线缆系统将导致其绝缘表面产生破损，由此产生的切口会导致电弧的产生；较大的碎片可能切断线缆，导致开路。
振动和声压及流星体和碎片会影响线缆系统，将增加线缆电弧径迹发生的可能性。因此，宇航环境用线缆设计时，应采取一些防护措施（如采用屏蔽和固定敷设），并且应选用机械性能满足宇航环境要求的线缆。目前，宇航环境用线缆的机械性能通过了耐刮磨和耐动态切通试验验证，为满足宇航环境要求，建议线缆试验时增加宇航振动环境下的导线绝缘电阻。
宇航环境用线缆的机械性能要求见表3，其中压力舱内线缆系统不考虑流星体和碎片的影响，同时火星表面受到流星体和碎片影响的概率极低，也不考虑。
表3 宇航环境用线缆的机械性能要求
5.化学性能要求
宇航环境用线缆需要暴露在恶劣复杂的化学环境中，这可能引起绝缘性能的退化，从而导致电弧径迹故障。宇航环境用线缆的化学性能要求见表4。
表4 宇航环境用线缆的化学性能要求
线缆暴露在高湿度环境下易导致绝缘水解，从而降低绝缘强度。空间飞行器的组装和储存必须控制环境中的湿度，有效载荷整流罩内的相对湿度必须调节到小于50%。在宇航空间环境中，原子氧会侵蚀线缆绝缘材料，由此产生的质量损失会减小绝缘层的厚度，并可能导致绝缘性能的退化。航天器进入太空后，线缆绝缘材料会排出一些水分或添加剂等产物，由于压力舱内是封闭的载人环境，必须提前通过试验确定材料逸气的毒性。
目前，用于表征宇航环境用线缆的化学性能试验有真空原子氧辐照试验、氟化物逸出试验、热真空释气试验和浸液试验等。
6.空间环境性能要求
宇航环境用线缆处在特有的空间环境中，环境特点包括高强度的太阳辐射、低重力、低压力，以及带电等离子体等。
表5 宇航环境用线缆的空间环境性能要求
宇航环境中的辐射由宇宙射线、电磁辐射、范艾伦带辐射、极光粒子和太阳耀斑粒子组成。可使绝缘老化的电磁辐射是紫外线辐射，它会降低绝缘强度使绝缘脆化，同时引起绝缘的颜色变化。紫外线辐射的暴露剂量通常用等效日照时数（ESH）表示，GEO和月球表面的紫外线每年产生的辐射量为8760ESH。
在太空中，热源区域的热空气团保持停滞状态，故电弧径迹发生过程中，电弧产生的热量无法迅速消散，将加速线缆绝缘的热分解并产生碳电弧径迹。在低压力环境中，低分子量的组分材料、未反应添加剂、污染物、吸附气体和水分等的逸出和蒸发将使绝缘层质量减轻进而引起绝缘性能变化。此外，低压力环境还会导致产生电晕的电压等级降低。在带电等离子体环境中，航天器表面与环境等离子体之间的电势会积聚并产生电弧，从而引起航天器系统内部故障。
随着航天器设计寿命的延长，线缆长时间暴露于空间环境出现的绝缘降解问题，不会只体现在单一试验中。目前，耐辐照试验已用来表征宇航环境用线缆的空间环境性能，但建议对线缆的空间环境综合因素进行考察，以确定线缆对宇航环境的适用性。
宇航环境用线缆的选用
宇航环境用线缆大多为各类含氟绝缘线缆，不同类型线缆的性能也不相同，随着航天技术的发展，含氟绝缘线缆的不足之处也越发明显。目前，较为常用的各类含氟绝缘线缆和新型聚醚醚酮（PEEK）绝缘线缆见表6。
表6 常用含氟绝缘线缆和新型聚醚醚酮绝缘线缆的主要性能对比
表6中各类线缆的特点如下：
PTFE推挤型绝缘线缆、PTFE带绕包绝缘线缆、FEP绝缘线缆和PFA绝缘线缆是早期应用于宇航环境的传统线缆，质量均较大，很难实现宇航环境用线缆的轻量化要求。
X-ETFE绝缘线缆采用辐照交联ETFE作为绝缘材料，长期使用的温度范围为-100~200℃，主要优点有质量轻，电气性能和机械性能优越，并且化学性能和空间环境性能在长期使用温度范围内仍保持优异，耐辐射性强（可耐5MGy辐射剂量）。与传统宇航环境用线缆相比，X-ETFE绝缘线缆具有非常突出的机械性能，且绝缘密度更小、线缆质量更轻。
PI/PTFE复合绝缘线缆的内层绝缘材料为PI/PTFE复合材料，外层绝缘材料为PTFE生料带，该线缆的主要优点有使用温度高（长期使用温度范围为-65~260℃）、质量轻、柔软、寿命长、抗干湿电弧、抗水解、机械性能及电气性能优异，与其他传统宇航环境用线缆相比，其绝缘密度更小、线缆质量更轻。
PEEK绝缘线缆具有质量轻、电气性能好、耐高低温（长期使用温度范围为-180~260℃）、机械性能优异、耐辐照、耐剥离、耐疲劳、耐水解、耐化学腐蚀、低烟无毒、无卤阻燃、低真空质损，以及低真空释气等优异的耐环境性能，可作为传统含氟绝缘线缆的更新换代产品用于航天领域。相对于其他航天线缆，PEEK绝缘线缆具有优异的机械性能（强度、刚度、长期蠕变和疲劳性能），突出的耐辐射性（可耐10MGy辐射剂量），且绝缘密度较小，可大大减轻线缆质量。
对宇航环境用线缆进行选型分析时，应结合宇航环境用线缆的性能要求，重点从尺寸及质量、电气性能、热性能、机械性能、化学性能和空间环境性能等方面进行考核：
尺寸及质量方面。与其他线缆相比，PEEK绝缘线缆有显著的绝缘密度优势，线缆质量更轻，尺寸也更小。
电气性能方面。常用含氟绝缘线缆和PEEK绝缘线缆的绝缘性能都很出色，能够满足宇航环境对线缆电压的要求，其中PEEK绝缘线缆、X-ETFE绝缘线缆、PI/PTFE复合绝缘线缆耐压高达2.5kV，电气性能更加突出。
热性能方面。航天器舱内温度为15~25℃，常用含氟绝缘线缆和PEEK绝缘线缆都能满足使用要求；航天器运行轨道上的温度范围为-65~120℃，部分极限环境下温度范围为-200~260℃，故PEEK绝缘线缆与PI/PTFE复合绝缘线缆的耐温等级较其他线缆更高，其次是X-ETFE绝缘线缆。
机械性能方面。与其他几种线缆相比，PEEK绝缘线缆的机械性能优势明显，绝缘拉伸强度较大，其次是X-ETFE绝缘线缆。
化学性能方面。X-ETFE绝缘线缆在使用过程中有大量的氟化物析出，析出的氟化物气体会对元器件和人体造成危害，不适合密闭的航天器舱内使用；PEEK绝缘线缆及PI/PTFE复合绝缘线缆在使用过程中没有氟化物析出，适合航天器舱内使用；同时，PEEK绝缘线缆、PI/PTFE复合绝缘线缆不耐真空原子氧辐照，可满足航天器舱内使用要求，但不建议用于有原子氧辐照的航天器舱外环境。
空间环境性能方面。PEEK绝缘线缆、X-ETFE绝缘线缆、ETFE绝缘线缆与其他几种线缆相比，具有更强的耐辐照性，其中PEEK绝缘线缆耐辐照性最强，其次是X-ETFE绝缘线缆与ETFE绝缘线缆。
综上，航天器舱内线缆可以选用PI/PTFE复合绝缘线缆或PEEK绝缘线缆，这两类线缆质量轻且不会析出对元器件和人体造成危害的氟化物；航天器舱外线缆选用X-ETFE绝缘线缆，如果航天器轨道环境无原子氧辐照，则航天器舱外线缆建议使用PEEK绝缘线缆，其质量轻、耐辐射，可满足特定的宇航环境要求。
虽然常用的各类含氟绝缘线缆和PEEK绝缘线缆的性能都能满足宇航环境用线缆的使用要求，但X-ETFE绝缘线缆、PEEK绝缘线缆的机械性能和耐辐照性能更加优异，而PEEK绝缘线缆在耐高低温及质量方面具有极大的优势。
结合宇航环境用线缆的性能要求，给出如下选用建议：航天器舱内线缆选用PI/PTFE复合绝缘线缆或PEEK绝缘线缆，不会析出对元器件和人体造成危害的氟化物；航天器舱外线缆选用X-ETFE绝缘线缆，如果航天器轨道环境无原子氧辐照，则建议使用PEEK绝缘线缆，以满足特定的宇航环境要求。