電子束增材高壓電源航天適配設計

一、引言
在航天領域，電子束增材制造技術可實現復雜構型航天零部件（如發動機燃燒室、燃料儲箱）的一體化成型，而高壓電源作為電子束發生裝置的核心，需適應航天特殊工況（極端溫度、強振動、空間輻射），同時滿足輕量化、高可靠性、長壽命的設計要求。傳統地面用電子束高壓電源因體積大、抗惡劣環境能力弱，無法直接應用于航天場景，因此開展針對性的航天適配設計具有重要工程價值。
二、核心適配設計要點
（一）極端溫度環境適配設計
航天設備運行環境溫度范圍寬（-55℃~+85℃），高壓電源關鍵元器件需具備寬溫工作能力。在元器件選型上，功率半導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 - 55℃~+175℃，且開關損耗低，適合高壓大電流場景；濾波電容采用鉭聚合物電容，相較于傳統鋁電解電容，其在低溫下容量衰減率降低至 5% 以內，高溫下漏電流更??；電阻選用金屬膜電阻，溫度系數控制在 ±100ppm/℃以內，確保參數穩定性。
在結構熱設計方面，采用一體化散熱結構，將功率模塊與金屬散熱殼體直接貼合，通過高導熱系數（≥200W/(m?K)）的導熱硅膠墊填充間隙，提升散熱效率；同時在電源內部設置溫度補償電路，當環境溫度變化時，自動調整基準電壓與電流，抵消元器件參數漂移對輸出性能的影響。例如，在 - 55℃低溫環境下，通過溫度補償電路，使高壓電源輸出電壓偏差控制在 ±0.5% 以內，滿足電子束穩定發射需求。
（二）強振動環境適配設計
航天發射與在軌運行過程中，設備將承受多方向、寬頻帶的振動載荷（振動頻率 20Hz~2000Hz，加速度可達 20g），需通過結構優化提升高壓電源抗振動能力。首先，采用模塊化設計，將電源分為高壓產生單元、控制單元、濾波單元，各模塊通過減震支架（采用丁腈橡膠材質，阻尼系數 0.3~0.5）與外殼連接，降低振動傳遞；其次，對內部元器件進行加固處理，功率器件采用螺栓固定，引線采用柔性導線并預留適當長度，避免振動導致引線斷裂；此外，在 PCB 板設計上，增加加強筋，選用厚銅箔（厚度≥35μm），提升 PCB 板抗彎曲能力，同時優化元器件布局，使重心分布均勻，減少振動偏心載荷。
通過振動試驗驗證，該適配設計后的高壓電源在 20Hz~2000Hz 振動頻率、20g 加速度條件下，輸出電壓紋波系數變化量≤0.2%，內部元器件無松動、損壞現象，滿足航天振動環境要求。
（三）空間輻射環境適配設計
空間輻射（如高能粒子、γ 射線）會導致高壓電源元器件出現單粒子效應（SEU）、總劑量效應（TID），影響設備正常工作。在抗輻射設計上，采用 “硬件加固 + 軟件容錯” 的雙重策略：硬件方面，選用抗輻射等級為 TID≥100krad (Si)、SEU 閾值≥80MeV?cm²/mg 的元器件，如抗輻射微控制器、存儲器；對 PCB 板進行敷銅接地處理，減少輻射感應電流；在高壓輸出端設置輻射屏蔽層，采用鉛合金材料，厚度根據輻射劑量計算確定（通常為 1mm~2mm）。
軟件方面，在控制程序中加入循環冗余校驗（CRC）算法，對關鍵數據進行實時校驗，當出現單粒子翻轉導致數據錯誤時，自動觸發數據恢復機制；同時設置看門狗定時器，若程序因輻射干擾陷入死循環，定時器可在 100ms 內觸發系統復位，確保電源恢復正常工作。
（四）輕量化與小型化設計
航天設備對重量與體積要求嚴苛，高壓電源需在保證性能的前提下實現輕量化。在結構設計上，采用一體化成型的鋁合金外殼，相較于傳統鈑金外殼，重量減輕 30%，同時強度提升 20%；優化內部電路布局，采用三維堆疊設計，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，使電源體積較傳統地面電源縮小 40%。
在功率密度提升方面，通過拓撲結構優化，采用移相全橋拓撲，相較于傳統正激拓撲，開關損耗降低 50%，在相同功率輸出下，可減小散熱結構體積；同時采用高頻化設計，將開關頻率提升至 100kHz，使高壓變壓器鐵芯體積減小 60%，進一步實現小型化。
三、應用驗證與效果
該航天適配設計的電子束增材高壓電源在地面模擬航天環境試驗中表現優異：在 - 55℃~+85℃溫度循環試驗后，輸出電壓精度仍保持在 ±0.3%；經過 20g 加速度振動試驗與 100krad (Si) 總劑量輻射試驗后，電源無故障運行時間超過 1000 小時，滿足航天設備長壽命要求。目前該電源已應用于某航天零部件電子束增材制造試驗裝置，成功實現了鈦合金航天零部件的 3D 打印，打印件尺寸精度誤差≤0.1mm，力學性能指標（抗拉強度、延伸率）達到航天零部件標準。
四、結論
電子束增材高壓電源的航天適配設計通過極端環境適應性優化、輕量化小型化設計與抗輻射加固，解決了傳統電源在航天場景中的應用瓶頸。該設計方案為航天電子束增材制造技術的發展提供了關鍵設備支撐，未來可進一步優化功率密度與抗輻射等級，適應更復雜的深空探測任務需求。