浮空器布线的设计与安装

基于对浮空器布线设计与安装的特殊性，并从浮空器电气系统设计与安装诸多方面的布线分析，及其电线的分类与组合、安装与保护、设备与线束的连接、接地方面等进行了详细的论述；提出了采用布线通道设计的安装方法，以代替以往在飞机上用卡箍固定的形式，同时可保证不至于影响球体的气动外形；给出了布线的设计流程及设计自动化的需求，并在此基础上利用计算机辅助设计进行布线设计，以减少大量的人工设计与计算，从而提高了工作效率。

【关键词】浮空器 布线设计 线束 计算机辅助设计

1 前言

浮空器上的电源和各种电气设备都是通过线束来实现电路的物理连接的。随着人们对浮空器的可靠性、安全性、适用性和经济性的要求越来越高，浮空器上的设备配置、功能也越来越多，所以连接到各个设备的线束越来越复杂，成为浮空器故障的多发环节，因此，布线在浮空器设计和生产制造中受到越来越多的关注。如何提高浮空器布线与安装设计便成为关注的焦点。

在以往的型号研制中多是利用柔性囊体生产完成后进行1∶1的比试进行线缆的布线来代替真实的电线和电缆、可用胶布或人来代替卡箍进行产品实物样机模拟装配试验，进而确定电线的路径、长度及卡箍位置，这样做不仅增加了产品研发的成本，延长研制的周期，并且使工作重复。利用计算机辅助设计，可事先根据电线走向、特征截面中电线情况得出提示信息，从而有目的地进行布线设计，节省材料，提高效率。系统的设计布线模块，可以快捷地获得电线的连通性、电线实际长度等重量信息。可以把设计人员从繁重的工作中解脱出来，从而提高工作效率。

2 布线设计与安装的分析

2.1 布线与安装设计的一般要求

布线是浮空器产品设计中带有普遍性的问题，产品设计中与电线相关的问题除了电气性能的确定外，一般要求设计人员确定电线在产品中的路径、长度以及电线卡箍的固定位置、接插件性能评估等问题。

（1）设计时，考虑到便于维护，并易于接近，同一系统或子系统的设备尽量布置安装在一起。并按标准设计或采用标准机箱。

（2）合理的选择电线，正确设计线束敷设路径，使其重量达到预定指标的要求。

（3）使线束的布线路径合理，并结合浮空器结构工艺、设计分离面，决定线束、电缆的电气分离面，可根据具体情况预先安装线束；在大修时可随结构部件进行工艺分离。线束的电气分离面可选择接线盒转接（视情况而定），而特别优选安装电连接器转接。

（4）设备的布局可根据不同类型实行集中安装或分散安装。为统一电气安装设计，需要编制相应的技术条件或电线、电缆典型加工。

2.2 线束的分类与组合

按线束的特征及其传输信号的类型，以及每根电线的干扰特性进行分类组合。考虑的因素有电线的类别、电压类别、频率范围、干扰特性和敏感度等。

（1） 承载大电流的功率线，一般单独敷设，三相电源线扭绞并绑扎后敷设，此类电线与其他类电线敷设要有间隔，最小间距150mm左右。

（2）控制线以及配电、负载和汇流条之间的传输线，一般按交流配电系统和直流配电系统分类组合。

（3） 对电磁干扰比较敏感的电线，包括自动飞行控制系统、电传超纵系统、低电平数字输入电路等。此类电线要单独成束，隔离敷设。

（4）为避免干扰，将音频模拟信号线单独成束，该类线束包括通信、导航等系统的电线、电缆，隔离敷设。

（5） 所有无线电系统的同轴电缆都属于这一类，要单独成束，并且隔离敷设。

2.3 布线设计

2.3.1 电线、电缆种类的选择与截面计算

电线、电缆是浮空器输送电力资源的重要载体，电线、电缆的选择自然也极其重要，不适当的电线、电缆会为使用带来隐患。选择合适的电线、电缆在很大的程度上可减少电力能源的损失。

（1） 种类的选择。电线、电缆种类的选择主要是根据本身的用途、敷设环境（高空气压变化和保护管中以及环境污染等方面）和安全性为指导的，还应考虑电线的重量、耐磨、弯曲和其他任何包容物内不应使线心超过其额定温度等的因素进行选择。例如根据用途的不同可以选择电力电缆、音频电缆、屏蔽电缆、扭绞电缆等；安装敷设环境不同则要求使用者必须在塑料绝缘电缆、高温电缆、防腐电缆等之间进行选择；考虑电线、电缆的安全性时可选择的电缆有阻燃电缆、和耐火电缆等。

电线最普遍使用的材料是铜，铜芯线是最经济有效的传输方式之一，其他的材料包括铜包铝、铝等，镀层又包括镀锡、镀镍、镀银和镀黄金等。为了减轻电网重量，大截面的电网、电源线可以选用铜包铝芯线，但铝芯线不宜安装在有剧烈振动的部位和经常拆卸的部位上，并且也不能使用在有腐蚀气体的地方。

（2）截面的计算。电线、电缆的截面主要是根据敷设环境所需要的机械强度、敷设长度，及电压损失和电流密度等因素来进行考虑的，如低压电力电缆的选择就是按照发热条件选择截面，然后验证电压损失和机械强度。

通常是按照电线载流量表来选择电线截面，载流量表是在电线发热的理论研究和试验研究的基础上制定的。

对长期工作状态，电线截面按下述不等式选择。

Iω ≥I……………………（1）

式中：Iω——从表中查得的允许最大的载流量；

I——用电设备的负载电流。

对短时和重复短时工作状态，在同样的容许发热温度时，电线的载流量可以取得更大一些。一般条件下，电线的工作环境与典型条件不相同，因此，在进行电线截面选择之前，需按照相关标准对电线载流量进行修正。

2.3.2 线束的安装与保护

浮空器布线设计与安装具有其特殊性，与以往的飞机不同，他即不能采用在囊体上安装卡箍的形式来固定线束，也不能采用打孔的方式来进行线束的敷设。布线设计和安装手段已成为制约电线敷设质量和效率提高的技术瓶颈，因此，采用布线通道将线束全部包裹固定在囊体上，以保证囊体表面具有完整的气动外形。

另外，布线应考虑以下因素：

（1）安装线束时，尽可能按线束分类，以满足电磁兼容性要求。

（2）线束全长上均采用布线通道和绑带将线束扎紧，并固定在囊体上。

2.3.3 线束的连接

（1）电连接器。当线束穿越结构分离面或设计分离面时，可采用电连接器对外引线的连接，当电线直径超过连接器允许范围时，可以采用螺栓。电连接器的选择应注意以下几点：

a）应避免完全相同的电连接器处在相邻部位，一般应选择尺寸和接触偶排列不同的电连接器，或不同键位的电连接器，或电连接器插头、插座接触偶针与孔不同，防止连接器错误。

b）选择电连接器，应留有一定数量的备份针孔。同时应考虑防水的问题。

c）用螺栓连接时，要选择孔径与其直径相匹配的端子，并加装保护套，防止雨水的侵入。

（2） 转接模块、接线盒（板）。当将两根或两根以上的电线接到一个公共点上，而且需要维护、拆卸的转接接线，宜采用接线板或接线盒或转接模块。同时注意以下几点：

a）选择孔径与接线柱直径相匹配的端子，电线端子的耳片之间不允许垫入垫片。

b）易造成损坏和短路的部位，应使用绝缘保护套予以保护。

（3）对接接头。在安装接线板或盒的位置紧张时，而又需将两根或两根以上的电线直接对接的线路，可采用永久性接头（或称死接头）和可分离式的CX-1型对接接头；也可用永久性接头（死接头）调整电线截面，使其适应与之压接的设备或电连接器。死接头连接后不可分离。

采用对接接头时还应注意以下几点：

a）对接接头区域应选择易于接近、便于维修和检查的部位，并在相关的图纸上应作有标记；除维修必须外，不得用死接头将电线接长；任一段电线上死接头不得多于一个。

b）CX-1接头对接后，应使用绝缘套管进行绝缘保护。

2.3.4 线束的接地

布线还要考虑接地的问题。接地的目的是将设备的负载、壳体、或机架搭接到基本结构上，为设备与基本结构之间提供低阻抗通路和基准电位。

线束接地安装一般分为两类：一类是大负线，另一类是小负线。负线截面大于13mm2的称为大负线，截面在13mm2以下的称为小负线。小负线的安装位置没有严格的要求，只要容易接近，容易维护又对结构不造成有害影响的地方都可以分散安装，也可以集中安装，并可在线束敷设图中表示。大负线的安装部位有一定要求，要单独安装，由安装图表示，为尽可能缩短负线长度，在就近安装时如结构件厚度太薄，需附加加强版。

3 计算机辅助设计

我们目前使用的电气设计的辅助软件则比较单一，常用的有AutoCAD等二维设计软件。在设计中，不仅人工工作量大、设计效率低、重复劳动多，而且容易出错，往往要进行多人校对才能保证设计的正确性，也无法保证各设计阶段之间设计数据的一致性。可采用Capital Harness System（CHS）软件进行电气线束设计，只要原理图设计完成后，后续阶段的相关接线图和接线表、线束图及明细表等，均可自动生成，有的图纸即使不能100%满足出图要求，也只需要很少的调整工作就可达到要求。另外自动化设计功能，也保证设计数据的前后的一致性。

CHS设计是一款帮助设计师在早期进行线束架构设计、分析、评估和优化的工具，通过早期功能设计、网络设计以及物理架构设计的综合，可以得出相关的报告和结论。CHS是电线综合技术，它是把表示信号互联关系的原理图、约束电线综合和元器件放置的设计规则、不同等级产品的配置选项关系、三维拓扑的长度输入到CHS Integrator中，在Integrator中进行设备的放置，信号的布置和生成电线。

在以上这个过程中，CHS Integrator会自动根据设计规则，对布线设计进行优化，如电线的规格和颜色的选取、电线布置路径的选择、电连接器孔位的选择等等。由于CHS的电线综合是一个高度自动化的流程，只要四个输入条件完善，则电线生成就不需要额外的人工干预，完成一个设计全部布线综合的速度在几分钟到十几分钟之间。因此，可以想象，如果我们预先设定好线束拓扑构架，只要通过自动综合，就很容易自动生成出线束架构下的最终电线布置方案，包括电线长度、线束整体的重量等参数都可以作为设计师在早期方案架构设计时的考虑依据，使线束设计师拥有了辅助决策的工具。

将虚拟样机技术应用于浮空器产品的布线设计与安装，并采用VPM（虚拟产品开发管理）在线设计，首先根据设计方案建立产品的虚拟样机、然后进行电气系统的电线连接表、电线接口、电线材料、截面规格参数、电连接器型号、端子种类等信息，基于上述信息和相应规范，利用虚拟样机技术对可视化和人机交互能力的支持设计出卡箍位置和电线路径，进而计算出电线长度、重量，在此基础上利用系统仿真技术计算出电线、电缆形状，据此生成相应的电线模型，系统的管理模块可全面实现电线需求、电线排序、管理、各种统计报表等加工过程的动态信息管理。

4 结论

无论是设备之间的线束连接，还是盘箱内的线束设计，都是包括原理设计和物理实现两个大的设计阶段，在设计图纸的构成上，各设计部门都有所不同，特别是布线设计。采用专用的线束设计自动化软件，可进一步提高线束设计效率及设计数据正确性，是浮空器行业线束设计研制技术的发展趋势。我们可以看到，布线设计对浮空器的研制成本和重量有着长期的影响，因此我们在设计早期就尽可能优化，并借助CATIA软件强大的图形功能建立三维模型，实现了设计结果的图形化输出，并利用该软件的电气线束设计，可使线束敷设的计算机辅助设计的方向迈出了坚实的一步。

参考文献

[1]马述训等.飞机设计手册第16册：电气系统设计[M].航空工业出版社，1999（12）.

[2]奥肯思（北京）科技有限公司.Capital Harness System 简明使用手册[Z].V1.（04）.

[3] Electrical Librarian&Harness Installatione EDU-CAT-EN-ELI-FF-V5R17.2006（09）.

作者简介

庞成龙，男，湖北省荆门市人。现为中国特种飞行器研究所工程师。主要从事浮空器测控系统设计。

陈长辉，男，湖北省荆门市人。现为中国特种飞行器研究所工程师。主要从事浮空器压调系统设计。

作者单位

中国特种飞行器研究所 湖北省荆门市 448035