電子束增材高壓電源航天適配設(shè)計(jì)

一、引言
在航天領(lǐng)域，電子束增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)型航天零部件（如發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、燃料儲(chǔ)箱）的一體化成型，而高壓電源作為電子束發(fā)生裝置的核心，需適應(yīng)航天特殊工況（極端溫度、強(qiáng)振動(dòng)、空間輻射），同時(shí)滿足輕量化、高可靠性、長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)要求。傳統(tǒng)地面用電子束高壓電源因體積大、抗惡劣環(huán)境能力弱，無(wú)法直接應(yīng)用于航天場(chǎng)景，因此開(kāi)展針對(duì)性的航天適配設(shè)計(jì)具有重要工程價(jià)值。
二、核心適配設(shè)計(jì)要點(diǎn)
（一）極端溫度環(huán)境適配設(shè)計(jì)
航天設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度范圍寬（-55℃~+85℃），高壓電源關(guān)鍵元器件需具備寬溫工作能力。在元器件選型上，功率半導(dǎo)體器件選用耐極端溫度的碳化硅（SiC）器件，其工作溫度范圍可達(dá) - 55℃~+175℃，且開(kāi)關(guān)損耗低，適合高壓大電流場(chǎng)景；濾波電容采用鉭聚合物電容，相較于傳統(tǒng)鋁電解電容，其在低溫下容量衰減率降低至 5% 以內(nèi)，高溫下漏電流更小；電阻選用金屬膜電阻，溫度系數(shù)控制在 ±100ppm/℃以內(nèi)，確保參數(shù)穩(wěn)定性。
在結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)方面，采用一體化散熱結(jié)構(gòu)，將功率模塊與金屬散熱殼體直接貼合，通過(guò)高導(dǎo)熱系數(shù)（≥200W/(m?K)）的導(dǎo)熱硅膠墊填充間隙，提升散熱效率；同時(shí)在電源內(nèi)部設(shè)置溫度補(bǔ)償電路，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，自動(dòng)調(diào)整基準(zhǔn)電壓與電流，抵消元器件參數(shù)漂移對(duì)輸出性能的影響。例如，在 - 55℃低溫環(huán)境下，通過(guò)溫度補(bǔ)償電路，使高壓電源輸出電壓偏差控制在 ±0.5% 以內(nèi)，滿足電子束穩(wěn)定發(fā)射需求。
（二）強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境適配設(shè)計(jì)
航天發(fā)射與在軌運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備將承受多方向、寬頻帶的振動(dòng)載荷（振動(dòng)頻率 20Hz~2000Hz，加速度可達(dá) 20g），需通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升高壓電源抗振動(dòng)能力。首先，采用模塊化設(shè)計(jì)，將電源分為高壓產(chǎn)生單元、控制單元、濾波單元，各模塊通過(guò)減震支架（采用丁腈橡膠材質(zhì)，阻尼系數(shù) 0.3~0.5）與外殼連接，降低振動(dòng)傳遞；其次，對(duì)內(nèi)部元器件進(jìn)行加固處理，功率器件采用螺栓固定，引線采用柔性導(dǎo)線并預(yù)留適當(dāng)長(zhǎng)度，避免振動(dòng)導(dǎo)致引線斷裂；此外，在 PCB 板設(shè)計(jì)上，增加加強(qiáng)筋，選用厚銅箔（厚度≥35μm），提升 PCB 板抗彎曲能力，同時(shí)優(yōu)化元器件布局，使重心分布均勻，減少振動(dòng)偏心載荷。
通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該適配設(shè)計(jì)后的高壓電源在 20Hz~2000Hz 振動(dòng)頻率、20g 加速度條件下，輸出電壓紋波系數(shù)變化量≤0.2%，內(nèi)部元器件無(wú)松動(dòng)、損壞現(xiàn)象，滿足航天振動(dòng)環(huán)境要求。
（三）空間輻射環(huán)境適配設(shè)計(jì)
空間輻射（如高能粒子、γ 射線）會(huì)導(dǎo)致高壓電源元器件出現(xiàn)單粒子效應(yīng)（SEU）、總劑量效應(yīng)（TID），影響設(shè)備正常工作。在抗輻射設(shè)計(jì)上，采用 “硬件加固 + 軟件容錯(cuò)” 的雙重策略：硬件方面，選用抗輻射等級(jí)為 TID≥100krad (Si)、SEU 閾值≥80MeV?cm²/mg 的元器件，如抗輻射微控制器、存儲(chǔ)器；對(duì) PCB 板進(jìn)行敷銅接地處理，減少輻射感應(yīng)電流；在高壓輸出端設(shè)置輻射屏蔽層，采用鉛合金材料，厚度根據(jù)輻射劑量計(jì)算確定（通常為 1mm~2mm）。
軟件方面，在控制程序中加入循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）算法，對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校驗(yàn)，當(dāng)出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)制；同時(shí)設(shè)置看門(mén)狗定時(shí)器，若程序因輻射干擾陷入死循環(huán)，定時(shí)器可在 100ms 內(nèi)觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位，確保電源恢復(fù)正常工作。
（四）輕量化與小型化設(shè)計(jì)
航天設(shè)備對(duì)重量與體積要求嚴(yán)苛，高壓電源需在保證性能的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用一體化成型的鋁合金外殼，相較于傳統(tǒng)鈑金外殼，重量減輕 30%，同時(shí)強(qiáng)度提升 20%；優(yōu)化內(nèi)部電路布局，采用三維堆疊設(shè)計(jì)，將高壓變壓器、濾波電感等體積較大的元器件垂直排列，減少平面占用面積，使電源體積較傳統(tǒng)地面電源縮小 40%。
在功率密度提升方面，通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用移相全橋拓?fù)洌噍^于傳統(tǒng)正激拓?fù)洌_(kāi)關(guān)損耗降低 50%，在相同功率輸出下，可減小散熱結(jié)構(gòu)體積；同時(shí)采用高頻化設(shè)計(jì)，將開(kāi)關(guān)頻率提升至 100kHz，使高壓變壓器鐵芯體積減小 60%，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化。
三、應(yīng)用驗(yàn)證與效果
該航天適配設(shè)計(jì)的電子束增材高壓電源在地面模擬航天環(huán)境試驗(yàn)中表現(xiàn)優(yōu)異：在 - 55℃~+85℃溫度循環(huán)試驗(yàn)后，輸出電壓精度仍保持在 ±0.3%；經(jīng)過(guò) 20g 加速度振動(dòng)試驗(yàn)與 100krad (Si) 總劑量輻射試驗(yàn)后，電源無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間超過(guò) 1000 小時(shí)，滿足航天設(shè)備長(zhǎng)壽命要求。目前該電源已應(yīng)用于某航天零部件電子束增材制造試驗(yàn)裝置，成功實(shí)現(xiàn)了鈦合金航天零部件的 3D 打印，打印件尺寸精度誤差≤0.1mm，力學(xué)性能指標(biāo)（抗拉強(qiáng)度、延伸率）達(dá)到航天零部件標(biāo)準(zhǔn)。
四、結(jié)論
電子束增材高壓電源的航天適配設(shè)計(jì)通過(guò)極端環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)化、輕量化小型化設(shè)計(jì)與抗輻射加固，解決了傳統(tǒng)電源在航天場(chǎng)景中的應(yīng)用瓶頸。該設(shè)計(jì)方案為航天電子束增材制造技術(shù)的發(fā)展提供了關(guān)鍵設(shè)備支撐，未來(lái)可進(jìn)一步優(yōu)化功率密度與抗輻射等級(jí)，適應(yīng)更復(fù)雜的深空探測(cè)任務(wù)需求。