矢量可控航空發動機數據控制電纜及其生產方法與流程

本發明涉及一種控制電纜及其生產方法，尤其涉及一種矢量可控航空發動機數據控制電纜及其生產方法，該控制電纜適用于航空航天發動機功率、矢量和進氣道控制系統應用的高清晰大流量數據信息傳輸和設備電力配送。

背景技術：

隨著中國航天技術發展，長征五號大功率火箭的研發成功，中國人實現“嫦娥奔月”的千年夢想即將成為現實。在航天器發射和運行過程中，必然要經受大氣層摩擦產生的高溫和火箭發動機燃料產生的高溫，這些高溫能夠達到1000℃以上，對航天器許多部件都會產生損傷。然而為了航天器飛行更加安全，需要對航天器的火箭發動機、探測器的動力系統做到實時監控并讓動力系統做出精確動作，這就需要有一些安裝在發動機高溫部件內的探測器和傳導線纜。

目前能夠在月球環境下應用的控制電纜和電力配送電纜有一些，如有多種能夠適應-150～250℃環境下應用的柔性電線電纜，但是在超過這個溫度范圍的環境下工作，電纜會很快老化并失效。

現有通信數據控制電纜通常采用光纖光纜、超六類和七類數據網絡線作為通信數據控制線纜。現有的網絡數據通信電纜結構如圖1所示，一般采用單根或絞合裸銅（鍍錫）作為導體11，高密度聚乙烯絕緣HDPE作為絕緣層12，兩芯線對絞后用鋁箔13屏蔽，然后多對絞對成纜，成纜后外包聚酯帶14繞包后用編織層15總屏蔽，阻燃聚氯乙烯（低煙無鹵聚烯烴）16作為外護套。

現有的光纖光纜結構如圖2所示，光纖21對絞后外包松套管（PBT管）23，內有光纖膏22填充，然后多對數成纜，其中填加有填充繩24和纖維強化塑料（FRP）加強芯25，成纜后外包阻水帶27，內有光纜膏26填充，再擠包中密度聚乙烯（MDPE）內護套28，外包芳綸紗29后再擠包中密度聚乙烯（MDPE）外護套30。現有光纖光纜對安裝要求很高，尤其是接頭部位。在靜態布線的場合中，光纖產品具有流量大、使用壽命長、信號穩定等明顯優勢。然而在移動使用的裝備中，光纖產品應光信號折射要求彎曲半徑受限的不足、接頭輕微錯位帶來色散加劇信號衰減明顯等缺陷就成為實際應用中難以解決的技術問題。

現有不少礦物質絕緣線纜可以應用于高溫能夠達到1000℃以上的部件中。但是現有的礦物質絕緣線纜需要有金屬套管或者陶瓷套管，如圖3所示，該絕緣線纜是在銅導體31與外面的陶瓷套管33之間裝有礦物質絕緣粉末32，礦物質絕緣粉末32比如陶瓷粉末，這種套管硬度極高但不易彎曲，安裝受到嚴格限制。因為生產、安裝、運輸等因素對套管長度的限制，所以礦物質絕緣電纜長度都不長。還有，礦物質絕緣線纜采用陶瓷粉末作為絕緣材料，陶瓷粉末過于松散，一旦套管松動破損，就會泄漏造成電線電纜功能失效。然而，在航天器發射和運行過程中要承受劇烈的震動，現有的礦物質絕緣線纜應用受到限制。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種矢量可控航空發動機數據控制電纜及其生產方法，該控制電纜具有抗震動、耐曲撓和耐高溫1000℃，能為發動機功率矢量實時監控、部件工作信號傳達和反饋提供工作性能穩定可靠的信號通道。

為了實現上述技術目的，本發明采用如下技術方案：

一種矢量可控航空發動機數據控制電纜，包括導體、線芯絕緣層、屏蔽鎧裝層、外護套，所述導體外涂覆有礦物質粉末混合物后再包覆線芯絕緣層構成一根絕緣線芯，兩根絕緣線芯按照節距對絞形成線對，多股線對成纜后外包屏蔽鎧裝層，外面再包覆外護套；

所述導體為鎳錳銅合金，該鎳錳銅合金化學組分為NCu28-2.5-1.5；

所述線芯絕緣層為氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維繩編織；

所述屏蔽鎧裝層為鎳錳銅合金金屬絲編織；

所述外護套為氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維繩編織的護套層。

所述礦物質粉末混合物為絕緣漆和二氧化硅礦物質粉末混合物。

進一步，所述礦物質粉末混合物為220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物。

一種矢量可控航空發動機數據控制電纜生產方法，其步驟是：

第一，采用漆包線生產工藝在鎳錳銅合金的導體外層涂覆礦物質混合物，該礦物質混合物為220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物；

第二，導體外的線芯絕緣層為陶瓷纖維繩編織而成，導體、礦物質混合物和線芯絕緣層構成絕緣線芯，該陶瓷纖維繩由氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維制成；

第三，將兩根絕緣線芯按照節距對絞形成線對；

第四，多股線對成纜后外包屏蔽鎧裝層，屏蔽鎧裝層為鎳錳銅合金金屬絲編織；

第五，屏蔽鎧裝層外包覆外護套，外護套為氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維繩編織的護套層。

第六，將制造完成的所述控制電纜進行高溫真空環境下預處理，將礦物質混合物涂覆層在高溫下充分裂解并預釋放裂解氣體。

所述高溫真空環境下預處理的溫度是800℃-1000℃高溫，預處理時間10-20小時。

進一步，所述高溫真空環境下預處理的溫度是1000℃高溫，預處理時間20小時。

所述線芯絕緣層采用直徑在0.1～0.3mm之間的氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維繩編織而成。

所述線芯絕緣層的氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維編織絕緣層編織密度在98%以上，當采用多層編織絕緣時編織密度在95%以上。

本發明矢量可控航空發動機數據控制電纜具有抗震動、耐曲撓和耐高溫1000℃，能為發動機功率矢量實時監控、部件工作信號傳達和反饋提供工作性能穩定可靠的信號通道。該控制電纜具有較好的柔韌性，可以大長度生產并可以在狹小的空間中彎曲安裝；電纜結構穩定性好，在受到外力沖擊損傷時，產品性能仍然穩定可靠；在高溫、宇宙射線（宇宙風）襲擊、機械震顫、宇宙塵埃等特定環境中仍然正常工作。克服了現有耐高溫礦物質絕緣電纜生產長度短、結構穩定性差、柔韌性差不能彎曲安裝等缺點。

本發明的控制電纜主要構件采用陶瓷纖維編織和鎳錳銅合金（NCu28-2.5-1.5）材料，在高溫和明火點燃的情況下不燃燒，有力的保證了航空安全。采用的材料具有極好的耐溫性能可以在-200℃ ～ 1000℃的范圍應用。本發明的控制電纜可用于航空航天、耐高溫產品生產監控、核動力等領域。

附圖說明

圖1為現有的網絡數據通信電纜結構示意圖；

圖2為現有的光纖光纜結構示意圖；

圖3為現有的礦物質絕緣電線結構示意圖；

圖4為本發明的矢量可控航空發動機數據控制電纜結構示意圖。

圖中：1導體，2礦物質混合物，3線芯絕緣層，4線對，5屏蔽鎧裝層，6外護套；11單根或絞合裸銅（鍍錫）導體，12高密度聚乙烯（HDPE）絕緣層，13鋁箔，14聚酯帶，15編織層，16阻燃聚氯乙烯（低煙無鹵聚烯烴）外護套；21光纖，22光纖膏，23松套管（PBT管），24填充繩，25纖維強化塑料（FRP）加強芯，26光纜膏，27阻水帶，28中密度聚乙烯（MDPE）內護套，29外包芳綸紗，30中密度聚乙烯（MDPE）外護套；31銅導體，32礦物質絕緣粉末，33陶瓷（或金屬）套管。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。

參見圖4，一種矢量可控航空發動機數據控制電纜，包括導體1、礦物質粉末混合物2、線芯絕緣層3、屏蔽鎧裝層5、外護套6，所述導體1外涂覆有礦物質粉末混合物2后再包覆線芯絕緣層3構成一根絕緣線芯，兩根絕緣線芯按照一定的節距對絞形成線對4，多股線對4成纜后外包屏蔽鎧裝層5，外面再包覆外護套6。所述導體1為鎳錳銅合金（NCu28-2.5-1.5），導體1為精細絞合柔軟鎳錳銅合金導體。所述礦物質粉末混合物2為絕緣漆和二氧化硅礦物質粉末混合物，具體來說，所述礦物質粉末混合物2為220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物。所述線芯絕緣層3為氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維繩編織。所述屏蔽鎧裝層5為鎳錳銅合金（NCu28-2.5-1.5）金屬絲編織，具體為退火柔韌鎳錳銅合金金屬絲編織屏蔽鎧裝層。所述外護套6為氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維繩編織的護套層。

一種矢量可控航空發動機數據控制電纜生產方法，其步驟是：

第一，采用漆包線生產工藝在鎳錳銅合金（NCu28-2.5-1.5）的導體1外層涂覆礦物質混合物2，該礦物質混合物2為220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物；將預先制備的精細絞合柔性鎳錳銅合金導體1放置于漆包線生產裝備的張力可控自動放線架上，讓導體1通過模具使礦物質混合物2按照設定厚度和外徑均勻地涂覆在導體1表面，之后通過烘爐進行漆膜干燥固化；為了達到設計的漆膜厚度，可以重復漆膜涂覆過程。

第二，導體1外的線芯絕緣層3為陶瓷纖維繩編織而成，導體1、礦物質混合物2和線芯絕緣層3構成絕緣線芯，該陶瓷纖維繩由氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維制成；所述線芯絕緣層3采用直徑在0.1～0.3mm之間的陶瓷纖維繩進行編織而成；氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維編織絕緣層編織密度在98%以上，當采用多層編織絕緣時編織密度在95%以上；

第三，將兩根絕緣線芯按照一定的節距對絞形成線對4，每個線對4傳導同一種信號；

第四，多股線對4成纜后外包屏蔽鎧裝層5，屏蔽鎧裝層5為鎳錳銅合金（NCu28-2.5-1.5）金屬絲編織；

第五，屏蔽鎧裝層5外包覆外護套6，外護套6為氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維繩編織的護套層。氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維編織外護套層6編織密度在85%以上，當采用多層編織外護套6時編織密度在80%以上。

第六，將制造完成的所述控制電纜進行高溫真空環境下預處理，將礦物質混合物涂覆層在高溫下充分裂解并預釋放裂解氣體。所述高溫真空環境下預處理的溫度是800℃-1000℃高溫，預處理時間10-20小時。考慮到所述控制電纜使用環境為超高溫，其優選預處理方案為：高溫真空環境下預處理的溫度是1000℃高溫，預處理時間20小時；采用1000℃高溫預處理，是因為本發明的控制電纜工作溫度上限值為1000℃；采用預處理時間20小時，已考慮了控制電纜的使用環境。高溫真空預處理也可以采用其它溫度和預處理時間的搭配，其目的是將礦物質混合物涂覆層在高溫下充分裂解并預釋放裂解氣體。

下面對本發明各個部件和步驟進行具體說明：

所述導體1為鎳錳銅合金，該鎳錳銅合金化學組分為NCu28-2.5-1.5，該合金熔點為1350℃。為高頻脈沖電流提供可靠數據通道的同時保證電纜產品導體在1000℃高溫下能夠傳送電磁信號；導體表面具有良好的圓整度和光滑度。

所述導體1外的線芯絕緣層3為陶瓷纖維繩編織而成，線芯絕緣采用直徑在0.1～0.3mm之間的陶瓷纖維繩進行編織而成，陶瓷纖維繩是由耐高溫氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維制成的。該編織絕緣層可根據電線電纜的工作強度增加編織層數以提高絕緣層的機械抗拉強度。氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維具有1200℃ ～ 2500℃的耐高溫性能。目前已經在航空航天儀器儀表等電器中被采用做絕緣材料，并廣泛用于生產航空航天器中的耐熱零部件。

采用氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維，是利用其較強的機械強度和耐熱性能。采用編織工藝生產制成的陶瓷纖維絕緣層的特種發動機信號傳輸電纜，結構穩定、柔韌性好、抗拉強度高、可以連續大長度生產、便于在發動機狹小空間移動彎曲安裝。耐高溫氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維編織絕緣層編織密度要在98%以上，當采用多層編織絕緣時編織密度可以控制在95%以上。

所述導體1外涂覆有礦物質粉末混合物2后再包覆線芯絕緣層3構成一根絕緣線芯，即在氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維編織絕緣層3內是采用漆包線生產工藝在鎳錳銅合金的導體1外層涂覆礦物質混合物2，該礦物質混合物2為220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物。該混合物在本電纜產品中的作用有：

1）利用220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物涂覆膜的水密性和氣密性，起到保護鎳錳銅合金導體避免被水體、油質和化學物質侵蝕的作用。因為本電纜產品采用陶瓷纖維編織絕緣，所以液態和氣態腐蝕性物質比較容易侵入導體，從而對導體造成不可逆轉的侵蝕。

2）保護鎳錳銅合金導體在本電纜產品生產、運輸和安裝過程中不被外界機械損傷。

3）220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物采用漆包線工藝在導體表面涂覆后形成具有一定彈性的漆膜，可以提高氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維在導體上的附著力。

4）220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物具有良好的電氣絕緣性能，對鎳錳銅合金導體傳輸的電流起到很好的絕緣作用。即使220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物涂覆膜在溫度超過400℃發生軟化甚至裂解，也會因二氧化硅礦物質粉末的存在而使其具有一定的硬度和強度并保證陶瓷纖維編織絕緣層具有很好的結構穩定性和絕緣性能。

5）220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物在1000℃ 左右的高溫下長期工作會因為高溫造成聚酰亞胺分解老化，但分解老化的220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物仍然以很高的強度粘著在鎳錳銅合金導體表面，有力的保證了電纜產品的結構穩定性。

6）220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物采用成熟的漆包線涂覆工藝，可以大長度連續生產，生產技術穩定可靠、生產成本低廉。

本發明的電纜產品在220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物高溫分解之前具有兩層絕緣構件，一層是220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物涂覆絕緣層，另外一層是陶瓷纖維編織絕緣層。當220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物涂覆膜高溫分解后，該涂覆層會成為具有一定強度和較高硬度的高分子裂解物造成其絕緣性能下降。但由于陶瓷纖維編織絕緣層的存在，導體承載的電流依然不會與其它導電介質接觸而保證電纜的正常工作性能。

所述兩根絕緣線芯按照一定的節距對絞形成線對4。為了提高信號的清晰度和流量，本電纜產品采用電磁補償平衡技術，將兩根絕緣線芯按照一定的節距對絞形成線對。每個線對傳導同一種信號。線對4中的兩根線芯將各自傳導的電磁信號相互補償、相互糾正、減少干擾，使得獲得信號更加清晰準確。

導電材料會隨著溫度的升高而增大導電電阻。采用對絞工藝制成的線對來傳輸同一種信號，正是考慮了這個因素。在傳輸弱電信號時，由于溫度升高而形成的導體高電阻使得電磁信號更加微弱。為了保證經過高溫區域傳輸過來的弱電信號能夠被儀器儀表的信號調制放大器準確獲得，采用線對補強是合理的設計工藝。經過線對中的兩根絕緣線芯同時傳輸過來的微弱信號經過儀器的比對、調制、放大，從而確保使儀器獲得準確的信號。

所述屏蔽鎧裝層5為鎳錳銅合金（NCu28-2.5-1.5）金屬絲編織，為退火柔韌鎳錳銅合金金屬絲編織屏蔽鎧裝層。具有金屬絲編織屏蔽結構的電纜產品不僅具有更好的結構穩定性和機械強度，而且讓電纜產品傳導的信號不受其他電磁活動的干擾。同時強度很高的金屬編織屏蔽層也是產品的鎧裝防護層。當電纜產品受到外力撞擊、撕扯和拉伸時，金屬絲編織防護層起到很好的防護作用。在確認電纜產品能夠遭受的機械損傷不足以破壞產品結構穩定和產品所處的位置不存在外來電磁干擾時，本電纜產品可以取消鎳錳銅合金金屬絲編織屏蔽鎧裝層。

所述外護套6為氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維繩編織的護套層。耐高溫氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維繩編織護套層對內部主要構件起到很好的保護作用，尤其是對在外太空產生的高溫、射線、塵埃和機械振動等。

本發明矢量可控航空發動機數據控制電纜在高溫環境下氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維繩編織護套層起到良好的隔熱作用。由于陶瓷纖維防護層的存在會減少熱量向載有信號導體的傳導，從而保證工作導體在接近1000℃的高溫環境中不軟化、不熔化，并且實現電流穩定傳輸。同樣，由于陶瓷纖維層具備優良的隔熱性能，當產品在超低溫（-200℃）下工作時，也會保存產品內部電流傳輸產生的熱量從而提高產品在超低溫環境中的強度和柔韌性。本發明的控制電纜采用220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物涂覆層是彌補編織構件容易被腐蝕性液態和氣態物質侵入之不足的必要構件。本發明的控制電纜采用優質的耐溫、耐腐蝕、高機械強度的材料制成，實現了不燃、無毒、結構穩定、性能可靠的航空產品性能要求。

為了避免220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物涂覆層在高溫下產生的裂解氣體對發動機、航空航天器造成損傷，在電纜產品制造完成后，要在1000℃的高溫真空環境中高溫預處理20小時以保證220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物涂覆層在高溫下充分裂解并預釋放裂解氣體。

預處理后的本發明的控制電纜產品具有同級別耐高溫電纜不可比擬的柔韌性、安裝舒適性和結構穩定性。

本發明的控制電纜產品不僅具備超高溫下的優異性能，而且在超低溫下同樣具有很多優點。

本發明的控制電纜采用的材料有氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維、鎳錳銅合金以及220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物。其中220級聚酰亞胺絕緣漆和納米級二氧化硅礦物質粉末混合物在產品最后一道生產工藝——高溫真空預裂解過程中已經分解固化，其中分解后的物質中主要是納米級二氧化硅礦物質粉末以及微量的碳。氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維、鎳錳銅合金、二氧化硅礦物質粉末以及碳都是耐低溫性能較好的材料。在接近-200℃的超低溫環境中，氧化鋯硅酸鋁陶瓷纖維、鎳錳銅合金等材料憑借其熱膨脹系數小的特點，不僅會在溫度大幅變化的過程中保證了電纜產品尺寸的相對穩定和產品結構的穩定，而且當電纜產品處于超低溫環境中時，這些材料的無機晶胞結構間作用力依然較強。反言之，也許正是這些無機材料的晶體作用力受溫度大幅變化影響不大，從而形成了這些材料熱膨脹系數較小的特點。本發明選用這些材料正是看中了上述特點，從而保證本發明的控制電纜產品在-200-1000℃的溫度范圍內都能夠應用。

在超低溫度下，不少材料受低溫影響，分子和原子的活動減弱，材料內部維系其強度、韌性的分子間力、晶體間力等微觀作用力下降明顯，從而導致材料變得脆弱不堪。本發明的控制電纜合理地選擇材料，尤其是選擇這些微觀作用力受溫度影響相對較弱的無機材料和鎳錳銅合金（NCu28-2.5-1.5）材料，是實現電纜產品無論在超高溫還是超低溫溫度環境下都具有一定強度和柔韌性的關鍵。

以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍，因此，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。