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        “資源一號(hào)”衛(wèi)星火工控制系統(tǒng)可靠性安全性設(shè)計(jì)

        2010-06-08 05:04:10
        航天器環(huán)境工程 2010年4期
        關(guān)鍵詞:火工點(diǎn)火器火工品

        汪 靜

        (北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

        0 前言

        “資源一號(hào)”衛(wèi)星是中國(guó)和巴西兩國(guó)合作的地球資源遙感衛(wèi)星,火工控制系統(tǒng)為其整星關(guān)鍵系統(tǒng)之一,與衛(wèi)星成敗有著非常密切的聯(lián)系。衛(wèi)星的火工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括點(diǎn)火電路設(shè)計(jì)、點(diǎn)火通路電纜設(shè)計(jì)、太陽翼可靠展開點(diǎn)火起爆冗余設(shè)計(jì)和點(diǎn)火限流電阻可靠設(shè)計(jì)等4個(gè)方面。這4個(gè)方面的設(shè)計(jì)融合了“資源一號(hào)”整星可靠性設(shè)計(jì)和安全性設(shè)計(jì)的理念和方法。

        1 火工控制系統(tǒng)的組成

        火工控制系統(tǒng)的主要作用是為太陽翼成功展開提供可靠安全的點(diǎn)火電源和點(diǎn)火通路。整個(gè)火工控制系統(tǒng)由5部分組成,如圖1所示。

        圖1 火工控制系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the pyro control system

        1)在單體蓄電池之間采用四點(diǎn)四線可靠安全的連線方式;

        2)單體蓄電池之間串聯(lián)采用鉤焊形式,并且采用專用成型工裝,保持跨接線較大的彎曲弧度,盡可能地減少導(dǎo)線應(yīng)力對(duì)焊點(diǎn)的影響,以增加單體蓄電池連接的可靠性;

        3) 單體蓄電池之間串聯(lián)導(dǎo)線截面積由1.0 mm2調(diào)整為1.5 mm2,提高了使用的可靠性和安全性。

        2 點(diǎn)火電路的可靠性安全性設(shè)計(jì)

        圖 1中的第一部分和第三部分為火工控制系統(tǒng)的點(diǎn)火電路設(shè)計(jì)。

        2.1 點(diǎn)火電源

        第一部分為互為備份的2組蓄電池,采取中間抽頭方式[1],即由一組 36節(jié)鎘鎳電池單體串聯(lián)組成,火工品母線由18節(jié)鎘鎳電池單體中間抽頭引出,為火工品控制器提供可靠的點(diǎn)火電源。

        通過整星熱試驗(yàn)、磁試驗(yàn)和電性能測(cè)試,證明了兩組蓄電池設(shè)計(jì)合理,質(zhì)量可靠。

        2.2 點(diǎn)火控制電路

        第三部分為火工品控制器,圖2為點(diǎn)火控制電路。

        圖2 火工控制系統(tǒng)點(diǎn)火控制電路Fig.2 Pyro control circuit

        1)每個(gè)火工品切割器包含冗余的兩個(gè)點(diǎn)火器,兩組蓄電池均可為同一切割器的任意一個(gè)點(diǎn)火器供電,任意一個(gè)點(diǎn)火器點(diǎn)火成功,則太陽翼成功展開,實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì);

        2)在火工品控制器內(nèi)部設(shè)置了火工品引爆后防短路的保護(hù)電路;

        3)衛(wèi)星通過兩個(gè)獨(dú)立的指令通道,為太陽翼點(diǎn)火器的點(diǎn)火提供互為備份的雙通道命令,即啟動(dòng)程控和地面遙控,如圖3所示;

        4)點(diǎn)火控制電路分別使用了雙繼電器并聯(lián),用來接通或斷開的可靠控制方式;

        5)對(duì)火工品實(shí)施三道可靠控制:點(diǎn)火回線通/斷控制,點(diǎn)火母線通/斷控制,點(diǎn)火電路接通控制。另外分別使用兩個(gè)分離開關(guān)的觸點(diǎn)的壓緊和釋放[2],可靠控制點(diǎn)火指令電源的接通和斷開,以確?;鸸て芳炔徽`爆,又能在規(guī)定的時(shí)刻準(zhǔn)確引爆;

        6)火工品控制器內(nèi)部配置了專用的靜電釋放電路,以消除靜電積累。

        圖3 點(diǎn)火指令控制電路Fig.3 Pyro TC control circuit

        3 點(diǎn)火通路電纜的可靠性安全性設(shè)計(jì)

        圖 1中的第二部分和第四部分為火工控制系統(tǒng)的點(diǎn)火通路電纜設(shè)計(jì)。

        3.1 電源電纜通路

        第二部分表示 2組蓄電池為火工品控制器提供點(diǎn)火電源的電纜通路。在電連接器上考慮了電源正線和電源負(fù)線的可靠安全間距,如圖4所示。

        接點(diǎn)2、4、6、8、10、12和14為沒有使用的空點(diǎn),接點(diǎn)9、11、13和15為電源正線接點(diǎn),接點(diǎn)1、3、5和7為電源回線接點(diǎn)。

        圖4 點(diǎn)火電源電連接器接點(diǎn)布局Fig.4 Ignited power connector pin layout

        1) 電源正線和回線均勻分布在電連接器的上下兩排,且接點(diǎn)間距滿足可靠性安全性要求;

        2)電源正線和電源回線均采用了4正、4負(fù)引線,且在電纜插頭內(nèi)分別進(jìn)行短接,提高了可靠性;

        3)點(diǎn)火電源電纜采用屏蔽電纜,且在電纜兩端采取屏蔽接地,保證了屏蔽的連續(xù)性[3];

        4)點(diǎn)火電源電纜引出導(dǎo)線在引腳端頭20 mm處進(jìn)行彎曲,彎曲角度不大于90°,以減緩?fù)獠繎?yīng)力對(duì)導(dǎo)線根部的作用和對(duì)焊點(diǎn)的損傷。

        3.2 點(diǎn)火電纜

        第四部分表示從火工品控制器到太陽翼的點(diǎn)火電纜設(shè)計(jì)。

        1)點(diǎn)火電纜均采用了兩正、兩負(fù),且分別在插頭內(nèi)部進(jìn)行可靠短接,避免單點(diǎn)失效;

        2)點(diǎn)火電纜均為雙絞屏蔽電纜,且在電纜兩端采取屏蔽接地,保證點(diǎn)火通路的連續(xù)性,以避免射頻干擾;

        3)點(diǎn)火電纜按照電纜裝聯(lián)工藝標(biāo)準(zhǔn),使電纜的絕緣處理和尾罩處理不出現(xiàn)任何制作缺陷;

        4)嚴(yán)格檢驗(yàn)點(diǎn)火電纜屏蔽層的金屬絲有無磨破現(xiàn)象或刺破導(dǎo)線現(xiàn)象以防造成短路。

        4 太陽翼可靠展開的冗余設(shè)計(jì)

        圖 1中的第五部分為太陽翼點(diǎn)火器可靠起爆的冗余設(shè)計(jì)。太陽翼共有 6個(gè)切割器,在星箭分離后,通過接收程控指令和遙控指令,順序執(zhí)行太陽翼火工品的起爆。圖 5為太陽翼點(diǎn)火器設(shè)計(jì)示意圖。

        1)圖5定義了6個(gè)切割器的位置,每個(gè)切割器靠一個(gè)火工品解鎖,每個(gè)火工品內(nèi)裝有兩個(gè)點(diǎn)火器;

        2)12個(gè)點(diǎn)火器分2次解鎖:第一次切割器1、4、5解鎖,第二次切割器2、3、6解鎖;

        3)每個(gè)起爆裝置上連接2個(gè)點(diǎn)火器,互為冗余,即1A/1B、2A/2B、3A/3B、4A/4B、5A/5B、6A/6B,只要A或B中任一路點(diǎn)火器成功點(diǎn)火,則該路點(diǎn)火成功起爆[4];

        4)太陽翼的每個(gè)點(diǎn)火器按照工藝規(guī)程進(jìn)行裝藥并控制藥量,藥層清晰,無錯(cuò)裝、漏裝現(xiàn)象。

        圖5 太陽翼點(diǎn)火器設(shè)計(jì)示意圖Fig.5 SAG pyro design

        5 點(diǎn)火限流電阻的可靠性安全性設(shè)計(jì)

        圖 1中的五個(gè)部分是火工控制系統(tǒng)點(diǎn)火限流電阻選取的重要因素,限流電阻選取是否合理,對(duì)太陽翼火工品能否成功解鎖至關(guān)重要。“資源一號(hào)”衛(wèi)星點(diǎn)火限流電阻(TRY-A-1W)采用了新的工藝和材料,瞬態(tài)過負(fù)荷特性更好,可以滿足點(diǎn)火后限流電阻無需更換的要求。

        在火工品電源電壓確定的基礎(chǔ)上,火工品起爆電流的數(shù)值是否在指標(biāo)范圍之內(nèi),由火工品起爆電路阻值決定。

        式中:I為火工品起爆電流;U為起爆電源蓄電池輸出電壓;Rh為火工裝置點(diǎn)火橋絲電阻;Rx為限流電阻;Rl為起爆回路導(dǎo)線電阻;Rj為起爆回路繼電器觸點(diǎn)和電連接器接點(diǎn)的接觸電阻(阻值很小,可忽略不計(jì))。

        單個(gè)火工品橋絲阻值為0.9~1.1 Ω,火工品限流電阻設(shè)為2.7 Ω(最大誤差為5%),電纜線路上阻值根據(jù)所用導(dǎo)線的類型、長(zhǎng)度和路徑計(jì)算得出。

        計(jì)算蓄電池組在不同工作模式下的火工品電源電壓:

        1)計(jì)算兩組蓄電池單體電池在沒有失效情況下的電源電壓;

        2)計(jì)算一組蓄電池有一節(jié)單體電池發(fā)生短路失效情況下的電源電壓。

        通過在上述兩種情況下計(jì)算得出的起爆電流,可以滿足在規(guī)定指標(biāo)范圍內(nèi)的起爆要求,說明火工品限流電阻選取合理、可靠。

        6 結(jié)束語

        “資源一號(hào)”衛(wèi)星火工控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)繼承了以往成功型號(hào)的經(jīng)驗(yàn),在可靠性、安全性和電磁兼容性設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了完善和提高。根據(jù)太陽翼上3個(gè)切割器同時(shí)起爆的起爆電流,合理設(shè)計(jì)點(diǎn)火指令控制電路和點(diǎn)火電路繼電器、點(diǎn)火通路電纜和點(diǎn)火限流電阻,并在點(diǎn)火限流電阻的可靠選取和設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了改進(jìn)。經(jīng)過地面和在軌的無故障運(yùn)行,進(jìn)一步驗(yàn)證了火工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性與安全性。

        (References)

        [1]馬世俊.衛(wèi)星電源技術(shù)[M].北京: 宇航出版社, 2001

        [2]鄭鄭.4KX-2行程開關(guān)技術(shù)條件[G].北京: 中國(guó)航天時(shí)代電子公司一六五廠, 2005

        [3]蔡仁鋼.電磁兼容原理、設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社, 1997-11

        [4]QJ 3019—1998.太陽電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S], 1998

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