矢量可控航空发动机数据控制电缆及其生产方法与流程

本发明涉及一种控制电缆及其生产方法，尤其涉及一种矢量可控航空发动机数据控制电缆及其生产方法，该控制电缆适用于航空航天发动机功率、矢量和进气道控制系统应用的高清晰大流量数据信息传输和设备电力配送。

背景技术：

随着中国航天技术发展，长征五号大功率火箭的研发成功，中国人实现“嫦娥奔月”的千年梦想即将成为现实。在航天器发射和运行过程中，必然要经受大气层摩擦产生的高温和火箭发动机燃料产生的高温，这些高温能够达到1000℃以上，对航天器许多部件都会产生损伤。然而为了航天器飞行更加安全，需要对航天器的火箭发动机、探测器的动力系统做到实时监控并让动力系统做出精确动作，这就需要有一些安装在发动机高温部件内的探测器和传导线缆。

目前能够在月球环境下应用的控制电缆和电力配送电缆有一些，如有多种能够适应-150～250℃环境下应用的柔性电线电缆，但是在超过这个温度范围的环境下工作，电缆会很快老化并失效。

现有通信数据控制电缆通常采用光纤光缆、超六类和七类数据网络线作为通信数据控制线缆。现有的网络数据通信电缆结构如图1所示，一般采用单根或绞合裸铜（镀锡）作为导体11，高密度聚乙烯绝缘HDPE作为绝缘层12，两芯线对绞后用铝箔13屏蔽，然后多对绞对成缆，成缆后外包聚酯带14绕包后用编织层15总屏蔽，阻燃聚氯乙烯（低烟无卤聚烯烃）16作为外护套。

现有的光纤光缆结构如图2所示，光纤21对绞后外包松套管（PBT管）23，内有光纤膏22填充，然后多对数成缆，其中填加有填充绳24和纤维强化塑料（FRP）加强芯25，成缆后外包阻水带27，内有光缆膏26填充，再挤包中密度聚乙烯（MDPE）内护套28，外包芳纶纱29后再挤包中密度聚乙烯（MDPE）外护套30。现有光纤光缆对安装要求很高，尤其是接头部位。在静态布线的场合中，光纤产品具有流量大、使用寿命长、信号稳定等明显优势。然而在移动使用的装备中，光纤产品应光信号折射要求弯曲半径受限的不足、接头轻微错位带来色散加剧信号衰减明显等缺陷就成为实际应用中难以解决的技术问题。

现有不少矿物质绝缘线缆可以应用于高温能够达到1000℃以上的部件中。但是现有的矿物质绝缘线缆需要有金属套管或者陶瓷套管，如图3所示，该绝缘线缆是在铜导体31与外面的陶瓷套管33之间装有矿物质绝缘粉末32，矿物质绝缘粉末32比如陶瓷粉末，这种套管硬度极高但不易弯曲，安装受到严格限制。因为生产、安装、运输等因素对套管长度的限制，所以矿物质绝缘电缆长度都不长。还有，矿物质绝缘线缆采用陶瓷粉末作为绝缘材料，陶瓷粉末过于松散，一旦套管松动破损，就会泄漏造成电线电缆功能失效。然而，在航天器发射和运行过程中要承受剧烈的震动，现有的矿物质绝缘线缆应用受到限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种矢量可控航空发动机数据控制电缆及其生产方法，该控制电缆具有抗震动、耐曲挠和耐高温1000℃，能为发动机功率矢量实时监控、部件工作信号传达和反馈提供工作性能稳定可靠的信号通道。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种矢量可控航空发动机数据控制电缆，包括导体、线芯绝缘层、屏蔽铠装层、外护套，所述导体外涂覆有矿物质粉末混合物后再包覆线芯绝缘层构成一根绝缘线芯，两根绝缘线芯按照节距对绞形成线对，多股线对成缆后外包屏蔽铠装层，外面再包覆外护套；

所述导体为镍锰铜合金，该镍锰铜合金化学组分为NCu28-2.5-1.5；

所述线芯绝缘层为氧化锆硅酸铝陶瓷纤维绳编织；

所述屏蔽铠装层为镍锰铜合金金属丝编织；

所述外护套为氧化锆硅酸铝陶瓷纤维绳编织的护套层。

所述矿物质粉末混合物为绝缘漆和二氧化硅矿物质粉末混合物。

进一步，所述矿物质粉末混合物为220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物。

一种矢量可控航空发动机数据控制电缆生产方法，其步骤是：

第一，采用漆包线生产工艺在镍锰铜合金的导体外层涂覆矿物质混合物，该矿物质混合物为220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物；

第二，导体外的线芯绝缘层为陶瓷纤维绳编织而成，导体、矿物质混合物和线芯绝缘层构成绝缘线芯，该陶瓷纤维绳由氧化锆硅酸铝陶瓷纤维制成；

第三，将两根绝缘线芯按照节距对绞形成线对；

第四，多股线对成缆后外包屏蔽铠装层，屏蔽铠装层为镍锰铜合金金属丝编织；

第五，屏蔽铠装层外包覆外护套，外护套为氧化锆硅酸铝陶瓷纤维绳编织的护套层。

第六，将制造完成的所述控制电缆进行高温真空环境下预处理，将矿物质混合物涂覆层在高温下充分裂解并预释放裂解气体。

所述高温真空环境下预处理的温度是800℃-1000℃高温，预处理时间10-20小时。

进一步，所述高温真空环境下预处理的温度是1000℃高温，预处理时间20小时。

所述线芯绝缘层采用直径在0.1～0.3mm之间的氧化锆硅酸铝陶瓷纤维绳编织而成。

所述线芯绝缘层的氧化锆硅酸铝陶瓷纤维编织绝缘层编织密度在98%以上，当采用多层编织绝缘时编织密度在95%以上。

本发明矢量可控航空发动机数据控制电缆具有抗震动、耐曲挠和耐高温1000℃，能为发动机功率矢量实时监控、部件工作信号传达和反馈提供工作性能稳定可靠的信号通道。该控制电缆具有较好的柔韧性，可以大长度生产并可以在狭小的空间中弯曲安装；电缆结构稳定性好，在受到外力冲击损伤时，产品性能仍然稳定可靠；在高温、宇宙射线（宇宙风）袭击、机械震颤、宇宙尘埃等特定环境中仍然正常工作。克服了现有耐高温矿物质绝缘电缆生产长度短、结构稳定性差、柔韧性差不能弯曲安装等缺点。

本发明的控制电缆主要构件采用陶瓷纤维编织和镍锰铜合金（NCu28-2.5-1.5）材料，在高温和明火点燃的情况下不燃烧，有力的保证了航空安全。采用的材料具有极好的耐温性能可以在-200℃ ～ 1000℃的范围应用。本发明的控制电缆可用于航空航天、耐高温产品生产监控、核动力等领域。

附图说明

图1为现有的网络数据通信电缆结构示意图；

图2为现有的光纤光缆结构示意图；

图3为现有的矿物质绝缘电线结构示意图；

图4为本发明的矢量可控航空发动机数据控制电缆结构示意图。

图中：1导体，2矿物质混合物，3线芯绝缘层，4线对，5屏蔽铠装层，6外护套；11单根或绞合裸铜（镀锡）导体，12高密度聚乙烯（HDPE）绝缘层，13铝箔，14聚酯带，15编织层，16阻燃聚氯乙烯（低烟无卤聚烯烃）外护套；21光纤，22光纤膏，23松套管（PBT管），24填充绳，25纤维强化塑料（FRP）加强芯，26光缆膏，27阻水带，28中密度聚乙烯（MDPE）内护套，29外包芳纶纱，30中密度聚乙烯（MDPE）外护套；31铜导体，32矿物质绝缘粉末，33陶瓷（或金属）套管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图4，一种矢量可控航空发动机数据控制电缆，包括导体1、矿物质粉末混合物2、线芯绝缘层3、屏蔽铠装层5、外护套6，所述导体1外涂覆有矿物质粉末混合物2后再包覆线芯绝缘层3构成一根绝缘线芯，两根绝缘线芯按照一定的节距对绞形成线对4，多股线对4成缆后外包屏蔽铠装层5，外面再包覆外护套6。所述导体1为镍锰铜合金（NCu28-2.5-1.5），导体1为精细绞合柔软镍锰铜合金导体。所述矿物质粉末混合物2为绝缘漆和二氧化硅矿物质粉末混合物，具体来说，所述矿物质粉末混合物2为220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物。所述线芯绝缘层3为氧化锆硅酸铝陶瓷纤维绳编织。所述屏蔽铠装层5为镍锰铜合金（NCu28-2.5-1.5）金属丝编织，具体为退火柔韧镍锰铜合金金属丝编织屏蔽铠装层。所述外护套6为氧化锆硅酸铝陶瓷纤维绳编织的护套层。

一种矢量可控航空发动机数据控制电缆生产方法，其步骤是：

第一，采用漆包线生产工艺在镍锰铜合金（NCu28-2.5-1.5）的导体1外层涂覆矿物质混合物2，该矿物质混合物2为220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物；将预先制备的精细绞合柔性镍锰铜合金导体1放置于漆包线生产装备的张力可控自动放线架上，让导体1通过模具使矿物质混合物2按照设定厚度和外径均匀地涂覆在导体1表面，之后通过烘炉进行漆膜干燥固化；为了达到设计的漆膜厚度，可以重复漆膜涂覆过程。

第二，导体1外的线芯绝缘层3为陶瓷纤维绳编织而成，导体1、矿物质混合物2和线芯绝缘层3构成绝缘线芯，该陶瓷纤维绳由氧化锆硅酸铝陶瓷纤维制成；所述线芯绝缘层3采用直径在0.1～0.3mm之间的陶瓷纤维绳进行编织而成；氧化锆硅酸铝陶瓷纤维编织绝缘层编织密度在98%以上，当采用多层编织绝缘时编织密度在95%以上；

第三，将两根绝缘线芯按照一定的节距对绞形成线对4，每个线对4传导同一种信号；

第四，多股线对4成缆后外包屏蔽铠装层5，屏蔽铠装层5为镍锰铜合金（NCu28-2.5-1.5）金属丝编织；

第五，屏蔽铠装层5外包覆外护套6，外护套6为氧化锆硅酸铝陶瓷纤维绳编织的护套层。氧化锆硅酸铝陶瓷纤维编织外护套层6编织密度在85%以上，当采用多层编织外护套6时编织密度在80%以上。

第六，将制造完成的所述控制电缆进行高温真空环境下预处理，将矿物质混合物涂覆层在高温下充分裂解并预释放裂解气体。所述高温真空环境下预处理的温度是800℃-1000℃高温，预处理时间10-20小时。考虑到所述控制电缆使用环境为超高温，其优选预处理方案为：高温真空环境下预处理的温度是1000℃高温，预处理时间20小时；采用1000℃高温预处理，是因为本发明的控制电缆工作温度上限值为1000℃；采用预处理时间20小时，已考虑了控制电缆的使用环境。高温真空预处理也可以采用其它温度和预处理时间的搭配，其目的是将矿物质混合物涂覆层在高温下充分裂解并预释放裂解气体。

下面对本发明各个部件和步骤进行具体说明：

所述导体1为镍锰铜合金，该镍锰铜合金化学组分为NCu28-2.5-1.5，该合金熔点为1350℃。为高频脉冲电流提供可靠数据通道的同时保证电缆产品导体在1000℃高温下能够传送电磁信号；导体表面具有良好的圆整度和光滑度。

所述导体1外的线芯绝缘层3为陶瓷纤维绳编织而成，线芯绝缘采用直径在0.1～0.3mm之间的陶瓷纤维绳进行编织而成，陶瓷纤维绳是由耐高温氧化锆硅酸铝陶瓷纤维制成的。该编织绝缘层可根据电线电缆的工作强度增加编织层数以提高绝缘层的机械抗拉强度。氧化锆硅酸铝陶瓷纤维具有1200℃ ～ 2500℃的耐高温性能。目前已经在航空航天仪器仪表等电器中被采用做绝缘材料，并广泛用于生产航空航天器中的耐热零部件。

采用氧化锆硅酸铝陶瓷纤维，是利用其较强的机械强度和耐热性能。采用编织工艺生产制成的陶瓷纤维绝缘层的特种发动机信号传输电缆，结构稳定、柔韧性好、抗拉强度高、可以连续大长度生产、便于在发动机狭小空间移动弯曲安装。耐高温氧化锆硅酸铝陶瓷纤维编织绝缘层编织密度要在98%以上，当采用多层编织绝缘时编织密度可以控制在95%以上。

所述导体1外涂覆有矿物质粉末混合物2后再包覆线芯绝缘层3构成一根绝缘线芯，即在氧化锆硅酸铝陶瓷纤维编织绝缘层3内是采用漆包线生产工艺在镍锰铜合金的导体1外层涂覆矿物质混合物2，该矿物质混合物2为220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物。该混合物在本电缆产品中的作用有：

1）利用220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物涂覆膜的水密性和气密性，起到保护镍锰铜合金导体避免被水体、油质和化学物质侵蚀的作用。因为本电缆产品采用陶瓷纤维编织绝缘，所以液态和气态腐蚀性物质比较容易侵入导体，从而对导体造成不可逆转的侵蚀。

2）保护镍锰铜合金导体在本电缆产品生产、运输和安装过程中不被外界机械损伤。

3）220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物采用漆包线工艺在导体表面涂覆后形成具有一定弹性的漆膜，可以提高氧化锆硅酸铝陶瓷纤维在导体上的附着力。

4）220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物具有良好的电气绝缘性能，对镍锰铜合金导体传输的电流起到很好的绝缘作用。即使220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物涂覆膜在温度超过400℃发生软化甚至裂解，也会因二氧化硅矿物质粉末的存在而使其具有一定的硬度和强度并保证陶瓷纤维编织绝缘层具有很好的结构稳定性和绝缘性能。

5）220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物在1000℃ 左右的高温下长期工作会因为高温造成聚酰亚胺分解老化，但分解老化的220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物仍然以很高的强度粘着在镍锰铜合金导体表面，有力的保证了电缆产品的结构稳定性。

6）220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物采用成熟的漆包线涂覆工艺，可以大长度连续生产，生产技术稳定可靠、生产成本低廉。

本发明的电缆产品在220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物高温分解之前具有两层绝缘构件，一层是220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物涂覆绝缘层，另外一层是陶瓷纤维编织绝缘层。当220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物涂覆膜高温分解后，该涂覆层会成为具有一定强度和较高硬度的高分子裂解物造成其绝缘性能下降。但由于陶瓷纤维编织绝缘层的存在，导体承载的电流依然不会与其它导电介质接触而保证电缆的正常工作性能。

所述两根绝缘线芯按照一定的节距对绞形成线对4。为了提高信号的清晰度和流量，本电缆产品采用电磁补偿平衡技术，将两根绝缘线芯按照一定的节距对绞形成线对。每个线对传导同一种信号。线对4中的两根线芯将各自传导的电磁信号相互补偿、相互纠正、减少干扰，使得获得信号更加清晰准确。

导电材料会随着温度的升高而增大导电电阻。采用对绞工艺制成的线对来传输同一种信号，正是考虑了这个因素。在传输弱电信号时，由于温度升高而形成的导体高电阻使得电磁信号更加微弱。为了保证经过高温区域传输过来的弱电信号能够被仪器仪表的信号调制放大器准确获得，采用线对补强是合理的设计工艺。经过线对中的两根绝缘线芯同时传输过来的微弱信号经过仪器的比对、调制、放大，从而确保使仪器获得准确的信号。

所述屏蔽铠装层5为镍锰铜合金（NCu28-2.5-1.5）金属丝编织，为退火柔韧镍锰铜合金金属丝编织屏蔽铠装层。具有金属丝编织屏蔽结构的电缆产品不仅具有更好的结构稳定性和机械强度，而且让电缆产品传导的信号不受其他电磁活动的干扰。同时强度很高的金属编织屏蔽层也是产品的铠装防护层。当电缆产品受到外力撞击、撕扯和拉伸时，金属丝编织防护层起到很好的防护作用。在确认电缆产品能够遭受的机械损伤不足以破坏产品结构稳定和产品所处的位置不存在外来电磁干扰时，本电缆产品可以取消镍锰铜合金金属丝编织屏蔽铠装层。

所述外护套6为氧化锆硅酸铝陶瓷纤维绳编织的护套层。耐高温氧化锆硅酸铝陶瓷纤维绳编织护套层对内部主要构件起到很好的保护作用，尤其是对在外太空产生的高温、射线、尘埃和机械振动等。

本发明矢量可控航空发动机数据控制电缆在高温环境下氧化锆硅酸铝陶瓷纤维绳编织护套层起到良好的隔热作用。由于陶瓷纤维防护层的存在会减少热量向载有信号导体的传导，从而保证工作导体在接近1000℃的高温环境中不软化、不熔化，并且实现电流稳定传输。同样，由于陶瓷纤维层具备优良的隔热性能，当产品在超低温（-200℃）下工作时，也会保存产品内部电流传输产生的热量从而提高产品在超低温环境中的强度和柔韧性。本发明的控制电缆采用220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物涂覆层是弥补编织构件容易被腐蚀性液态和气态物质侵入之不足的必要构件。本发明的控制电缆采用优质的耐温、耐腐蚀、高机械强度的材料制成，实现了不燃、无毒、结构稳定、性能可靠的航空产品性能要求。

为了避免220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物涂覆层在高温下产生的裂解气体对发动机、航空航天器造成损伤，在电缆产品制造完成后，要在1000℃的高温真空环境中高温预处理20小时以保证220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物涂覆层在高温下充分裂解并预释放裂解气体。

预处理后的本发明的控制电缆产品具有同级别耐高温电缆不可比拟的柔韧性、安装舒适性和结构稳定性。

本发明的控制电缆产品不仅具备超高温下的优异性能，而且在超低温下同样具有很多优点。

本发明的控制电缆采用的材料有氧化锆硅酸铝陶瓷纤维、镍锰铜合金以及220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物。其中220级聚酰亚胺绝缘漆和纳米级二氧化硅矿物质粉末混合物在产品最后一道生产工艺——高温真空预裂解过程中已经分解固化，其中分解后的物质中主要是纳米级二氧化硅矿物质粉末以及微量的碳。氧化锆硅酸铝陶瓷纤维、镍锰铜合金、二氧化硅矿物质粉末以及碳都是耐低温性能较好的材料。在接近-200℃的超低温环境中，氧化锆硅酸铝陶瓷纤维、镍锰铜合金等材料凭借其热膨胀系数小的特点，不仅会在温度大幅变化的过程中保证了电缆产品尺寸的相对稳定和产品结构的稳定，而且当电缆产品处于超低温环境中时，这些材料的无机晶胞结构间作用力依然较强。反言之，也许正是这些无机材料的晶体作用力受温度大幅变化影响不大，从而形成了这些材料热膨胀系数较小的特点。本发明选用这些材料正是看中了上述特点，从而保证本发明的控制电缆产品在-200-1000℃的温度范围内都能够应用。

在超低温度下，不少材料受低温影响，分子和原子的活动减弱，材料内部维系其强度、韧性的分子间力、晶体间力等微观作用力下降明显，从而导致材料变得脆弱不堪。本发明的控制电缆合理地选择材料，尤其是选择这些微观作用力受温度影响相对较弱的无机材料和镍锰铜合金（NCu28-2.5-1.5）材料，是实现电缆产品无论在超高温还是超低温温度环境下都具有一定强度和柔韧性的关键。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。