新型飞机用中频低耗平衡软电缆的研制

  随着国家《“十四五”民用航空发展规划》等发展规划和实施方案的落地实施，国内航空产业将迎来快速地发展阶段，慢慢的变多的中频设备被用于飞机上，与之配套的400Hz中频飞机用低耗平衡软电缆的用量大幅度增长。因电缆性能要求高、结构较为复杂、应用场景苛刻，目前国内无法生产，必须依赖进口。近年来，用户对电缆的耐磨性能、耐曲挠性能、耐低温性能等提出了要求，因此，开发符合新要求的新型飞机用中频低耗平衡软电缆，抢占市场，从而打破国外产品的垄断已迫在眉睫。

  飞机用中频低耗平衡软电缆是一种为飞机检测、检修、维护保养和机载设备供电的专用电缆，由主线芯、地线芯和控制线芯组成。

  电缆卷绕在卷筒上，使用时需要将电缆从卷筒上放出并牵引到飞机上，工作完成后将电缆回收到卷筒上，在此过程中，电缆要经受弯曲、扭转、拖曳、地面摩擦、机械辗压、油污、紫外线、酸碱、盐雾和高低温等物理或化学因素的作用，其工作环境恶劣，易产生控制线芯断芯、电缆破口、麻花状等问题，致使电缆报废。目前，国内仿制品的寿命约3个月，进口产品寿命约两年，频繁地更换电缆会造成经济损失。

  按照Q/21070305-4.60—2020《飞机用中频低耗平衡软电缆》标准，与进口电缆相比，本工作研制的电缆满足以下特殊性能要求。

  （1）耐磨性能：温度在15~25℃范围内，施加规定的垂直作用力，往复2000次，电缆护套不磨穿，且不漏出内部的绝缘线）曲挠拖曳性能：在半径为5~6倍电缆直径的卷筒上，加载主线芯导体标称截面积×芯数×10N的张力负荷，以20m·min-1的速率曲挠拖曳15000个周期后，电缆护套表面无破损、无短路、断路现象，且绝缘线芯能通过浸水耐压试验。

  （3）耐寒性能：在-57~-53℃温度条件下，绝缘和护套断裂伸长率不小于30%；在-57~-53℃温度条件下，于4~5倍电缆外径的试棒上弯曲180°，绝缘和护套表面无裂纹。

  为提高电缆的柔软性能、耐寒性能、耐扭性能、曲挠拖曳性能和常规使用的寿命，本工作主要从整体复合设计、导体结构、控制线个方面，对新型飞机用中频低耗平衡软电缆进行结构上的优化设计。

  新型飞机用中频低耗平衡软电缆采用改进型“1+3+3+6”的均匀对称结构，电缆由1根中心加强芯、3根主线组控制线芯组、内护套、编织加强层和外护套组成。

  中心加强芯置于3根主线根地线根主线组控制线芯组分别置于主线芯与地线芯形成的间隙中。

  内护套应填满缆芯外部所有间隙，内护套外有芳纶编织加强层。外护套与内护套应粘接在一起，以确保各组件受力均匀，结构稳定，从而具有更加好的弯曲性能和电缆电容、电感平衡、抗干扰的能力，提高了电缆的常规使用的寿命，具有传输中频电能和信号的功能，比进口产品性能更优。

  电缆的导体采用第6种软铜导体，所有股线采用同向束线，再以小节距且等节径比复绞；主线芯导体由四等份分割导体股块组成，每份分割导体股块以聚四氟乙烯带绕包隔离，再复绞成主线芯导体，并在其中心和外缘间隙处填充芳纶纤维，此设计不仅减小了导体电阻和电抗，大幅度降低导体“集肤效应”带来的影响，还提高了电缆的柔软性能、曲挠拖曳性能和机械强度；地线芯导体绞合方向与主线芯的绞合方向相反，可抵消主线芯扭转应力，防止电缆扭曲变形呈麻花状。

  （3）控制线个控制线芯组，均匀分布在主线芯和地线芯形成的间隙中。每个控制线根高弹性尼龙线根芳纶纤维、聚四氟乙烯包带组成，其结构示意图见图2。

  由图2可知，高弹性尼龙线根芳纶纤维加强芯位于线芯外缘间隙中，在控制线层聚四氟乙烯带。高弹性尼龙线发挥固定支撑和增强作用，外缘间隙采用芳纶纤维填充增加控制线芯的机械强度，光滑的聚四氟乙烯带保证了控制线芯组的滑移性，来提升了控制线芯组的抗拉性能和抗弯曲性能。（4）绝缘层设计

  以进口的中等含乙烯量的三元乙丙橡胶作为骨架材料，采用交联剂WY988和有机过氧化物（DCP）复合硫化体系，这两种材料的并用会产生两种不同的化学交联键，即—Sx一（CH）6—Sx一键（x=1或2）和碳碳键，其中—Sx一（CH）6—Sx一具有抗还原性和抗疲劳性，碳碳键具有优良的耐老化性能，两种交联键协同作用，使橡胶兼具优良的物理性能。同时，通过配合纳米材料和功能性材料，使绝缘具有优良的机械强度、耐弯曲性能、耐热性能、耐卷绕性能和电气性能等特殊要求。

  采用啮合型密闭式炼胶生产线，以三段式“逆混法”生产乙丙橡胶绝缘料，保证绝缘料的清洁度和各项性能指标的优异性。该自制专用乙丙橡胶绝缘料，具有优良的电性能（20 ℃时体积电阻率不小于1×1013Ω·m）、耐寒性能（工作时候的温度不小于-55℃）、柔软性能、耐扭性能和耐曲挠性能。

  护层由内护套、编织加强层和外护套组成。内护套采用聚醚型聚氨酯弹性体以高压挤出成型方式挤制而成，使其填满缆芯外缘间隙，形成甲胄式结构；加强层采用芳纶纤维，以优化的编织节距和编织角度平整均匀地编织在内护套上；外护套采用聚醚型聚氨酯弹性体高压挤包在加强层外，并与内护套黏结成一个整体。

  内护套具有固定、支撑和稳定成缆线芯结构的作用，防止扭转、弯曲过程中绝缘线芯和控制线芯发生紊乱，增强了抗扭曲性能；芳纶纤维编织加强层提高了电缆的机械强度和抗扭曲性能；聚醚型聚氨酯弹性体外护套不仅机械性能好（抗张强度不小于30N·mm-2，断裂伸长率不小于300%），还具有优良的耐磨、耐油、耐酸碱、耐寒（工作时候的温度不小于-55℃）、耐盐雾、耐气候等性能，确保了电缆能适应机场的恶劣环境和工况。

  电缆成缆时共有13个单元，其中3根主线）。现有成缆设备无法生产新型飞机用中频低耗平衡软电缆，本工作将现有1000型成缆机支撑圆盘上的填充架，改造设计成6个小摇篮架。成缆时，中心加强芯放在成缆机尾部放线根主线根地线组控制线个小摇篮架上，实现了所有线芯的退扭，解决了电缆成缆的难题。

  为实现产品的柔软性、弯曲性、抗扭曲性、抗拉性、结构稳定性和均匀性，达到设计效果，须对电缆分割导体、绝缘、成缆、内外护套和编织加强层等结构的制造工艺进行科学改进和重点控制。工艺改进的详细内容及取得的效果见表1。表1 工艺改进及效果

  按照新型飞机用中频低耗平衡软电缆的结构设计的具体方案，本工作试制了MHYT-400 HZ/250 3×70+3×12+6×4×1电缆产品，并按照Q/21070305-4.60—2020的试验办法来进行了试验，试验结果见表2。与进口产品性能相比，本工作研制的产品的耐曲挠拖曳性能通过了15000个周期的曲挠拖曳试验，保证了电缆的常规使用的寿命；电缆的最低工作时候的温度为-55℃，耐寒性能优良；通过了2000次的耐磨试验；电缆的主线芯导体采用分割导体，绝缘层采用乙丙橡胶在允许电压下不导电的材料，比交联聚乙烯材料更柔软，降低了集肤效应。

  本工作研制的新型飞机用中频低耗平衡软电缆，通过设计分割导体、对称结构、加强芯、加强层、聚四氟乙烯带、绝缘层、甲胄式等结构，结合生产设备及工艺改进，提升了电缆的柔软性能、弯曲性能、耐扭性能、耐低温性能、耐磨性能，满足了机场使用环境和客户的新要求，常规使用的寿命更长，价格仅为进口产品的2/3，该电缆已在成都双流机场投入到正常的使用中超过3a，目前仍运行良好，可以替代进口电缆。