高原环境对测控装备影响及适应性改造

63762部队 仲伟敬 杨彦伟 金术良 宋飞杰 赵志强

测控装备首次在海拔3500m以上执行嫦娥五号返回段任务。本文论述了低压、低温、缺氧及强太阳辐射环境等高原环境特点，结合测控装备构造特性和关键效能发挥，提出了测控装备高原适应性改造措施，围绕改造过程，采用理论分析、改造和加装元器件实践相结合的方法，有效解决了高原环境对测控装备各系统、元器件的影响，这些措施经过5个月以上高原环境考验及完成任务验证，证明是有效的。

根据嫦娥五号任务测控系统布局，某部车载测控装备需要位于西藏阿里地区执行任务，西藏阿里平均海拔4300m。原任务书中该测控装备是在海拔高度不大于3500m条件下设计制造的，高原环境恶劣会制约装备效能发挥，各项技战术指标能否满足任务要求有待考验，由此需要核实高原环境下装备工作能力，并采取有效措施降低高原环境带来的任务风险。

1 执行任务环境估算

结合海拔高度与温度、大气压力、空气密度、氧含量关系，并查阅近几年西藏阿里地区全年气象数据，估算执行任务环境。任务在12月中旬夜间凌晨执行，按照平均海拔4300 m估算，其温度约为-15～-20℃；其气压值约为550kPa，为海平面的54.5%；其空气密度约为0.794 kg/m3，为海平面的64.8%；氧含量约为12.1%，为海平面的58.2%；其太阳辐射照度约为1200 W/m2，是同纬度海平面的1.2倍，测控装备于2020年8月进驻阿里，装备及所属室外线缆暴晒长达5个月。

2 高原环境对测控装备的影响

2.1 对电气设备的影响

测控装备由大量电气设备组成，所以要重点分析高原环境对电气设备的影响。（1）空气压力和密度降低对电气设备的影响：引起固体绝缘材料表面放电能力降低；随着空气压力和密度的降低，电气间隙的击穿电压将随之降低；引起开关电器灭弧性能降低、通断能力下降，海拔高度越高其影响越大；空气介质冷却效应降低，会使温升增加，测控装备高功放为大功率设备，可能会产生过热或电打火现象，所以要做好高功放设备通风、散热性能经常性检查与监视；（2）温度变化增大对电气设备的影响：高原空气温度的日温差较大，会使装备外壳容易龟裂和变形、密封结构容易破裂。

2.2 对电机的影响

同电气设备主要影响基本一致，高海拔对绝缘等级要求增加，引起电机功率降低，对电机的稳定运行会带来较大影响。高原环境对电机的主要影响为：电晕起始电压降低，容易引起火花放电，对电机的绝缘造成损坏；电气间隙击穿电压下降；空气介质冷却效应降低，散热能力下降，温升增加；直流电机换向不利。电机驱动天线展开、转动，同时天线对跟踪性能要求较高，所以对装备电机要重点防护。

2.3 对天线卷绕筒保温性能的影响

测控装备天线卷绕桶主要包括天线线缆、电机等，卷绕桶内采用下部中空通风结构，由于高原地区早晚温差大、天线座卷绕桶保温性能较差，会造成天线卷绕桶内温度变化较大。考虑到高原地区特有的极端天气气候，可能会导致天线卷绕桶内线缆以及电机发生结冰等硬化损伤。

2.4 对电子设备（尤其是机械硬盘）的影响

高海拔下的低气压会影响机械硬盘正常工作，4300m海拔高度大气压只有550kPa，机械硬盘工作时气流产生的推力不足以托起磁头，磁头撞碟导致共震或写偏，机械硬盘无法正确读写。

2.5 执行任务时舱内含氧量分析

高原低压缺氧，车载测控装备电子方舱空间有限，面积仅为14m2，在执行任务时舱门为紧闭状态，15～20人处于方舱内，因此需要为参试人员供应充足的氧气，满足长时间工作需要。

3 高原适应性改造

为保证任务顺利完成，需对装备不适应高原工作的部分进行改造，选择高原型元器件，同时对薄弱部分增加备份，以提高系统可靠性，具体如下。

3.1 天线车调平系统和天线倒伏系统改造

高原环境下，为增强元器件使用的安全性，需要将元器件进行替换和备份，使元器件的电压等级、电气特性等满足要求。针对性措施：更换断路器、调平控制箱变频器，并对液压系统进行维护、保养。主要改造如下：（1）将天线车调平系统和天线倒伏系统中13个断路器全部更换为施耐德品牌，以提高电源等级；（2）将调平控制箱内原装4个2.2KW变频器更换为3.7KW变频器，解决因海拔升高引起的设备功率下降等问题；（3）将天线车起卧油缸液压油统一更换为低温液压油，保证设备在严寒条件下易于启动；（4）对液压系统进行检查、保养和维护，保证设备正常运转。

3.2 天线自动展开及锁紧系统改造

高原环境下电机输出功率下降，天线自动展开及锁紧系统可靠性降低，为降低风险需要对电机重新选型并更换。针对性措施：更换液压系统大功率电机，对液压系统进行维护、保养。主要改造如下：（1）将原液压系统电机功率1.5KW更换至2.2KW，以提供有效的功率来满足系统稳定运行需要；（2）整体更换液压系统在用电机、齿轮泵、联轴器、防护罩等，电机功率提高，联轴器稳定性、可靠性提高；（3）清洗液压油箱，对液压系统进行检查、保养和维护，保证设备正常运转。

3.3 伺服系统改造

伺服系统电机输出功率下降，可能导致天线转动速度变慢，极端情况下可能无法正常工作。针对性措施：对部分器件进行更换，同时配备一些备件。主要改造如下：（1）将ACU主、备工控机机械硬盘更换为固态硬盘，并配备一些多功能数据采集备线；（2）备份1个电机、2个直流电源模块、1个减速器、1个伺服监控板和1个轴角编码板。

3.4 天线卷绕桶加装保温层，安装加温器

高原环境下，尤其在冬季，较大的温差变化容易对天线卷绕桶内线缆及电机造成损伤。针对性措施：加装保温层，安装加温器。主要改造如下：（1）加装天线卷绕筒保温层：聚氯乙烯保温材料具有良好的保温性、隔热性，将聚氯乙烯材料粘贴在卷绕桶表面后，通过减慢温度变化来保护装备安全，使其不受高原极端天气影响；（2）卷绕桶内安装加温器：在卷绕桶内加装8个加温器，使其能够在规定时间之内达到指定温度，在工作状态下能够保持恒定温度，有效防止因高原温度过低造成的线缆结冰、硬化损伤等问题。

3.5 更换机械硬盘为固态硬盘

测控装备计算机在设计制造时采用的均为机械硬盘，将监控、DTE、ACU、自动测试、矢量网络分析仪等13台设备的机械硬盘统一更换为固态硬盘，以适应高原环境。

3.6 备份重要部件

为增强系统可靠性、降低任务风险，需对其他重要部件进行备份，包括收发阵面电源2个、标校光端机1个、工控机电源模块4个。其中，工控机电源模块属于通用模块，可供基带分系统、波控分系统工控机使用，基带分系统A/B机、波控分系统A/B机共4套工控机，每个工控机由2个电源模块供电。

3.7 室外线缆环境防护

针对阿里地区紫外线强、沙尘天气多、任务时段气温低的实际情况，使用线缆槽、PVC管、保温棉分别对室外舱间线缆及光缆进行针对性防护；采用密封胶对密封结构进行密封，并做好每日巡检；增长开机预热时间，待室温达到仪器开机要求后再启动仪器仪表。

3.8 电子方舱加装制氧装置

装配两台制氧装置，可满足约20人的吸氧需求。制氧装置产生的氧气由电子方舱前部开口引入舱内，舱壁上部前中后分布安装6个氧气输出端，配套鼻吸软管及氧气弥散口。安装完毕后，经过长时间测试，方舱内氧气浓度能够保持均匀分布，提高了接收车方舱内部供氧能力。

3.9 备份油机高原改造

测控装备配套油机为200KW高原油机，可满足高原参试要求。为提升高原参试供电保障可靠性，对另一台200KW油机进行高原改造作为备份油机，具体改造内容为：增加水套加热器、空气预热器、手动应急控制屏。（1）增加水套加热器，低温环境下对油机预先加热，避免出现发动机启动困难或无法启动现象；（2）发动机进气口增加空气预热器，预先对空气加热，避免出现发动机启动困难或无法启动现象；（3）增加手动应急控制屏，避免高原环境下电子元器件失效造成发动机无法启动。

4 高原改造适应性测试

参试分队于2020年8月中旬抵达西藏阿里，在装备展开后，于8月下旬开展了装备高原改造项目功能测试及验收，测试验证内容包括：天线起卧、自动展开、车辆调平、测试标校、跟踪性能及系统工作流程测试等，经测试验证，装备改造后系统软硬件性能良好，精度满足要求，各系统功能正常；并于8至12月期间开展了装备操作训练，装备性能始终保持稳定、可靠。

2020年12月17日凌晨1时许，测控装备在海拔4300 m的藏北高原，作为嫦娥五号返回器飞入我国上空的第一站，返回器第一次出黑障后,在极其有限的时间内快速完成目标捕获，并成功实施返回器遥测数据接收及上行遥控任务，确保了返回器顺利“回家”，任务完成十分圆满。

结语：本文紧贴测控装备高原执行任务实际，全面深入分析了高原环境对测控装备电子器件及机械部件损伤机理，详细介绍了测控装备高原适应性改造措施及改造方法，经过高原适应性改造，有效降低了高原环境带来的任务风险。本研究为其他测控装备在高原环境下长期驻留执行任务提供了难得的适应性改造方法和维护经验，具有重要推广应用价值。由于测控装备只在高原环境下驻留了5个月，高原环境复杂，极端天气较多，还不能有效的对装备可靠性进行评估，还有待长时间的验证与考究。