电子束增材高压电源航天适配设计

一、引言
在航天领域，电子束增材制造技术可实现复杂构型航天零部件（如发动机燃烧室、燃料储箱）的一体化成型，而高压电源作为电子束发生装置的核心，需适应航天特殊工况（极端温度、强振动、空间辐射），同时满足轻量化、高可靠性、长寿命的设计要求。传统地面用电子束高压电源因体积大、抗恶劣环境能力弱，无法直接应用于航天场景，因此开展针对性的航天适配设计具有重要工程价值。
二、核心适配设计要点
（一）极端温度环境适配设计
航天设备运行环境温度范围宽（-55℃~+85℃），高压电源关键元器件需具备宽温工作能力。在元器件选型上，功率半导体器件选用耐极端温度的碳化硅（SiC）器件，其工作温度范围可达 - 55℃~+175℃，且开关损耗低，适合高压大电流场景；滤波电容采用钽聚合物电容，相较于传统铝电解电容，其在低温下容量衰减率降低至 5% 以内，高温下漏电流更小；电阻选用金属膜电阻，温度系数控制在 ±100ppm/℃以内，确保参数稳定性。
在结构热设计方面，采用一体化散热结构，将功率模块与金属散热壳体直接贴合，通过高导热系数（≥200W/(m・K)）的导热硅胶垫填充间隙，提升散热效率；同时在电源内部设置温度补偿电路，当环境温度变化时，自动调整基准电压与电流，抵消元器件参数漂移对输出性能的影响。例如，在 - 55℃低温环境下，通过温度补偿电路，使高压电源输出电压偏差控制在 ±0.5% 以内，满足电子束稳定发射需求。
（二）强振动环境适配设计
航天发射与在轨运行过程中，设备将承受多方向、宽频带的振动载荷（振动频率 20Hz~2000Hz，加速度可达 20g），需通过结构优化提升高压电源抗振动能力。首先，采用模块化设计，将电源分为高压产生单元、控制单元、滤波单元，各模块通过减震支架（采用丁腈橡胶材质，阻尼系数 0.3~0.5）与外壳连接，降低振动传递；其次，对内部元器件进行加固处理，功率器件采用螺栓固定，引线采用柔性导线并预留适当长度，避免振动导致引线断裂；此外，在 PCB 板设计上，增加加强筋，选用厚铜箔（厚度≥35μm），提升 PCB 板抗弯曲能力，同时优化元器件布局，使重心分布均匀，减少振动偏心载荷。
通过振动试验验证，该适配设计后的高压电源在 20Hz~2000Hz 振动频率、20g 加速度条件下，输出电压纹波系数变化量≤0.2%，内部元器件无松动、损坏现象，满足航天振动环境要求。
（三）空间辐射环境适配设计
空间辐射（如高能粒子、γ 射线）会导致高压电源元器件出现单粒子效应（SEU）、总剂量效应（TID），影响设备正常工作。在抗辐射设计上，采用 “硬件加固 + 软件容错” 的双重策略：硬件方面，选用抗辐射等级为 TID≥100krad (Si)、SEU 阈值≥80MeV・cm²/mg 的元器件，如抗辐射微控制器、存储器；对 PCB 板进行敷铜接地处理，减少辐射感应电流；在高压输出端设置辐射屏蔽层，采用铅合金材料，厚度根据辐射剂量计算确定（通常为 1mm~2mm）。
软件方面，在控制程序中加入循环冗余校验（CRC）算法，对关键数据进行实时校验，当出现单粒子翻转导致数据错误时，自动触发数据恢复机制；同时设置看门狗定时器，若程序因辐射干扰陷入死循环，定时器可在 100ms 内触发系统复位，确保电源恢复正常工作。
（四）轻量化与小型化设计
航天设备对重量与体积要求严苛，高压电源需在保证性能的前提下实现轻量化。在结构设计上，采用一体化成型的铝合金外壳，相较于传统钣金外壳，重量减轻 30%，同时强度提升 20%；优化内部电路布局，采用三维堆叠设计，将高压变压器、滤波电感等体积较大的元器件垂直排列，减少平面占用面积，使电源体积较传统地面电源缩小 40%。
在功率密度提升方面，通过拓扑结构优化，采用移相全桥拓扑，相较于传统正激拓扑，开关损耗降低 50%，在相同功率输出下，可减小散热结构体积；同时采用高频化设计，将开关频率提升至 100kHz，使高压变压器铁芯体积减小 60%，进一步实现小型化。
三、应用验证与效果
该航天适配设计的电子束增材高压电源在地面模拟航天环境试验中表现优异：在 - 55℃~+85℃温度循环试验后，输出电压精度仍保持在 ±0.3%；经过 20g 加速度振动试验与 100krad (Si) 总剂量辐射试验后，电源无故障运行时间超过 1000 小时，满足航天设备长寿命要求。目前该电源已应用于某航天零部件电子束增材制造试验装置，成功实现了钛合金航天零部件的 3D 打印，打印件尺寸精度误差≤0.1mm，力学性能指标（抗拉强度、延伸率）达到航天零部件标准。
四、结论
电子束增材高压电源的航天适配设计通过极端环境适应性优化、轻量化小型化设计与抗辐射加固，解决了传统电源在航天场景中的应用瓶颈。该设计方案为航天电子束增材制造技术的发展提供了关键设备支撑，未来可进一步优化功率密度与抗辐射等级，适应更复杂的深空探测任务需求。