航天器上线缆的温升数据
在航空领域,线缆线束的热效应被尤为重视,因为线缆过热可能会损坏线缆绝缘层,降低线缆的预期使用寿命,甚至引起火灾等危险事件。那么在航天器上线缆的热效应情况如何呢?
在地球的大气中,热量以三种方式散失:对流、传导和辐射。其中有一些经验公式可以直接估算,但对流的复杂性需要更先进的软件工具进行分析。在SAE ARP AS50881(航空器布线)中,给出的高度降额因子最大高度为100k英尺。而航天器的运行高度远远不止这个高度。
两种热量的传递方式需要介质:对流和传导,但是宇宙空间一般缺乏这样的介质。对于航天器中应用中的导线,唯一可能发生的传热机制是沿导线的辐射热损失和传导。如果我们忽略导线到其他系统部件的热传导,导线在高温下的黑体辐射可以很好地理解导线的载流量限制和温升问题。
一个物体的黑体辐射是指:在给定的温度下,单位时间内整个光谱上发出的光能的总量。单位时间内系统辐射的能量和表面积为:
E= σT4
其中,σ 是斯特凡-波尔兹曼常数,T是物体的温度。将E能量乘以导线单位长度(周长)的表面积,就得到给定长度的导线每时间辐射的能量(功率)。
由此,我们得到每根导线的耗散功率。
当导线上有电流时,导线会引起焦耳热(也称为电阻热)。转换成热能的电能:
P = I2R
其中 I 是电流,R是单位长度导线的电阻。对于任何处于熵平衡的封闭系统,输入的能量等于输出的能量。所以,对于给定的电流,导线会因为焦耳热而产生温升,直到与辐射热损失相平衡。
参考图1所示,曲线标记为“宇宙空间”,线规20AWG。
对于地球大气层内的航空航天导线,我们可以参考SAE AS 50881中给出的方法。对于架空敷设的单根铜线,AS50881中载流量的推荐值可以用以下公式表示:
I = HIg(x)
其中 I 是导线在特定高度的最大允许电流,Ig是同一导线在标准温度和压力下的额定电流,I是导线的最高额定温度和运行环境的环境温度的函数。AS50881 REV D中提供了不同高度的各种线规Ig(x)和' H '的图表。
美国标准大气,1976 (NASA-TM-X-74335)提供不同高度的标准环境温度。参考表1所选高度的环境温度。使用这些环境温度和AS50881中的规定,我们可以生成在给定的额定温度下导线的最大允许电流曲线。图1为一根20 AWG导线的四种不同高度的分析结果。
注:以上数据是假定环境温度下导线在高空的工作温度。如果导线在一个有压力的,温度控制的密闭舱内,这些曲线必须根据操作条件重新计算。
另一个需要注意的是,如果线束在一个封闭的空间敷设,如果该区域是密封的或相对较小的,电线可能会加热局部区域。当考虑允许电流的影响时,较高的温度环境会导致曲线右移。
5种区域环境下,温升与最大允许电流的关系(20AWG,20℃),其中紫色为宇宙空间内线缆的温升。
高度 (英尺 X 1000) | 坏境温度. (K开尔文) |
0 | 288.2 |
30 | 228.7 |
60 | 216.7 |
100 | 227.1 |
上图是FOKKER ELMO在载流量与温升研究中,得出的经验公式
综上所述,运行环境影响电气系统部件散热和冷却。在宇宙空间中,由于缺乏传导或对流所需的介质,辐射热损失和传导是沿导线的热损失的唯一机制。导线在高温下的黑体辐射可以很好地解释导线的载流量问题。在地球大气中,在环境条件下,真空模型中的导线通常可以保守的模拟宇宙空间导线环境。在实际应用中,工作温度可能与模拟值有很大的不同。如果工作温度较高,必须选择一个适当的高温额定值的导线,或降低设计电流,以保证较安全的设计裕度。