張金剛， 王星來(lái)， 吳燕茹， 徐 力， 王 剛

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

箭載電子設(shè)備供電接口統(tǒng)一化研究

張金剛， 王星來(lái)， 吳燕茹， 徐 力， 王 剛

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

針對(duì)我國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體制，對(duì)箭載電子設(shè)備供電接口的設(shè)計(jì)分別從工作電流、接插件種類、線路接點(diǎn)等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從統(tǒng)計(jì)特征上分析電子設(shè)備供電接口的現(xiàn)狀，進(jìn)一步通過(guò)對(duì)典型接口設(shè)計(jì)電路的理論分析，歸納影響因素，定義了影響因子，提出供電接口統(tǒng)一化設(shè)計(jì)的思路和方法，并給出統(tǒng)一化設(shè)計(jì)要求和建議。

運(yùn)載火箭；供配電；供電接口；產(chǎn)品化

0 概述

我國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭電子系統(tǒng)普遍采用28V直流供電體制，箭上電子設(shè)備一般通過(guò)單獨(dú)的供電接口從母線取電[1]。由于現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范和要求更多的針對(duì)功能、性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)，對(duì)于供電接口的設(shè)計(jì)更多依靠設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)[2]，缺乏從供配電系統(tǒng)的角度形成對(duì)設(shè)備接口的統(tǒng)一設(shè)計(jì)規(guī)范或要求，造成電子設(shè)備28V一次供電接口的設(shè)計(jì)主觀性較大，結(jié)果是設(shè)備接口種類較多，要求不一。一方面設(shè)備接口的復(fù)雜增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，對(duì)供電的可靠性帶來(lái)隱患；另一方面接口類型的不統(tǒng)一，使得與之相關(guān)的系統(tǒng)電纜接口、轉(zhuǎn)接盒、轉(zhuǎn)接電纜、測(cè)試臺(tái)等測(cè)試產(chǎn)品的數(shù)量大大增加，使得產(chǎn)品及系統(tǒng)成本增大，同時(shí)難以進(jìn)行批量采購(gòu)、生產(chǎn)，不利于產(chǎn)品貨架的建立。

本文通過(guò)對(duì)箭載電子設(shè)備的供電接口進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和特點(diǎn)，從系統(tǒng)總體的角度提出設(shè)備供電接口統(tǒng)一化設(shè)計(jì)的思路和方法，為電子設(shè)備的產(chǎn)品化設(shè)計(jì)提供參考。

1 箭載電子設(shè)備供電接口現(xiàn)狀分析

對(duì)我國(guó)現(xiàn)役火箭中使用的114臺(tái)電子設(shè)備為樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其選用的供電接口類型達(dá)到了94類。沒(méi)有系統(tǒng)條件進(jìn)行約束的話，各設(shè)備供電接口的選型與設(shè)計(jì)主觀性較大，難以形成一致的標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)對(duì)樣本供電電流(功耗)、電連接器類型、正負(fù)母線接點(diǎn)分配等多角度的分析，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上分析現(xiàn)役火箭電子設(shè)備供電接口的特性。

1.1 按供電電流分析

對(duì)114臺(tái)設(shè)備樣本的供電電流按0A～0.5A、0.5A～1A、1A～2A、2A～3A、3A～4A、>4A分成6檔，統(tǒng)計(jì)特征如表1所示。從統(tǒng)計(jì)特征可以看出，箭載電子設(shè)備大多屬于小功耗設(shè)備，工作電流在0.5A以內(nèi)的占了57%，工作電流大于4A的大功率設(shè)備僅占2%。

為反映大多數(shù)電子設(shè)備的用電特性，便于開展供電設(shè)計(jì)，按0A～2A、2A～3A、>3A進(jìn)一步進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯?A～2A的用電設(shè)備屬于絕大多數(shù)，占了91.3%，2A～3A和>3A分別各占4.4%，總體來(lái)看0A～3A以內(nèi)的用電設(shè)備占到了95.7%。

表1 箭載電子設(shè)備供電電流分析

1.2 按電連接器類型分析

盡管114臺(tái)樣本具體選用的電連接器型號(hào)差異較大，但從電連接器所屬的規(guī)格類型來(lái)看還是有明顯的統(tǒng)計(jì)特征的，對(duì)樣本在0A～2A、2A～3A、>3A工作電流段的條件下，按所用電連接器的規(guī)格類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示?？梢钥闯鯦14系列矩形電連接器是使用最廣泛的接插件，占到了樣本總數(shù)的68.4%；Y11系列圓形和J599系列圓形連接器數(shù)量次之，分別占到樣本總數(shù)的12.3%、7.0%；J30J系列占4.4%；CX2系列、Y8C系列以及J36系列使用較少，分別占3.5%、2.6%和1.8%。

表2 箭載電子設(shè)備供電接口電連接器類型統(tǒng)計(jì)

1.3 按線路接點(diǎn)分析

正負(fù)母線線路接點(diǎn)的分配主要與產(chǎn)品的工作電流以及冗余設(shè)計(jì)等可靠性相關(guān)的措施有關(guān)，一般電流越大，分配的接點(diǎn)越多，對(duì)可靠性要求越高，冗余的接點(diǎn)越多。電子設(shè)備正負(fù)母線接點(diǎn)一般成對(duì)使用，最少分別用2個(gè)點(diǎn)做正、負(fù)母線接點(diǎn)，最多用到了4個(gè)點(diǎn)，也有不規(guī)則的非成對(duì)使用等特殊應(yīng)用情況。

對(duì)樣本在0A～2A、2A～3A、>3A工作電流段的條件下，按母線接點(diǎn)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)的結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 箭載電子設(shè)備母線接點(diǎn)分類統(tǒng)計(jì)

可以看出在0A～2A工作電流時(shí)，大量采用了2正2負(fù)，其次是3正3負(fù)的接點(diǎn)分配方法；在2A～3A供電電流時(shí)，絕大多數(shù)采用3正3負(fù)的接點(diǎn)分配方法；在>3A的供電電流時(shí)，多數(shù)采用了4正4負(fù)，其次是3正3負(fù)的接點(diǎn)分配方法。

2 箭載電子設(shè)備供電接口統(tǒng)一化設(shè)計(jì)

2.1 箭載供電線路理論模型

設(shè)供電母線電壓為U0，用電負(fù)載即設(shè)備輸入端電壓為U1，供電距離為L(zhǎng)。供電傳輸線一般由平行導(dǎo)體構(gòu)成，可看作均勻傳輸線[3]，供電線路的等效電路模型如圖1所示，圖中參數(shù)定義為：

R0——兩根平行導(dǎo)線每單位長(zhǎng)度具有的電阻，單位為Ω/m；

L0——兩根平行導(dǎo)線每單位長(zhǎng)度具有的電感，單位為H/m；

C0——每單位長(zhǎng)度兩根導(dǎo)線之間的電容，單位為F/m；

G0——每單位長(zhǎng)度兩根導(dǎo)線之間的電導(dǎo)，單位為S/m；

圖1 供電設(shè)計(jì)等效電路模型Fig.1 Equivalent circuits of power supply design

對(duì)一段無(wú)窮小的長(zhǎng)度元dx，設(shè)在dx左端的電壓和電流為u和i，根據(jù)均勻傳輸線的偏微分方程[4]有：

可見(jiàn)負(fù)載的實(shí)際電壓、電流受線路導(dǎo)線的電阻、電感以及導(dǎo)線間的電容、電導(dǎo)影響。由于單位長(zhǎng)度的電導(dǎo)率代表了兩導(dǎo)體之間流動(dòng)的傳導(dǎo)電流，考慮火箭選用導(dǎo)線的絕緣方式，該電流將會(huì)非常小，因此G0值可以忽略。且目前火箭供電體制通常為28V直流，考慮穩(wěn)態(tài)情況，在火箭常規(guī)供電距離內(nèi)，C0、L0值較小，可以忽略。設(shè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的線路允許壓降損耗為ΔU，對(duì)上述偏微分方程進(jìn)行積分，則應(yīng)滿足：

(1)

供電接點(diǎn)或線路一般采用冗余設(shè)計(jì)，設(shè)供電線路的冗余度為m(m≥1)，定義為當(dāng)供電線路出現(xiàn)m個(gè)點(diǎn)或m根線斷開時(shí)，供電線路仍能保持其設(shè)計(jì)功能。若供電線路為N點(diǎn)N線(供電接點(diǎn)為N正N負(fù)，正、負(fù)接點(diǎn)各采用N根導(dǎo)線連接)，則令n=N-m，定義為線路設(shè)計(jì)度，設(shè)I為負(fù)載穩(wěn)態(tài)工作電流，則式(1)變?yōu)椋?/p>

即：

(2)

2.2 箭載供電接口設(shè)計(jì)影響因素分析

從公式(2)可以看出，箭載電子設(shè)備供電接口的設(shè)計(jì)不僅受本身工作電流的影響，而且和安裝位置、供電母線的距離、供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的允許壓降、供電線路的直流電阻值等相關(guān)，而供電線路的直流電阻又取決于導(dǎo)線規(guī)格以及線路設(shè)計(jì)度，影響因素較多，可以歸納出如圖2所示的影響因素圖。

圖2 箭載供電接口設(shè)計(jì)影響因素

從圖2中可以看出，如何在眾多的因素中，找出對(duì)供電接口設(shè)計(jì)的直接影響關(guān)系，簡(jiǎn)化初次設(shè)計(jì)時(shí)的影響變量，對(duì)減少設(shè)計(jì)方案的迭代次數(shù)，提高供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，具有重要意義。

2.3 供電接口的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

從系統(tǒng)工程的角度考慮，供電接口的設(shè)計(jì)包括供電線路設(shè)計(jì)、電連接器設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，涵蓋供電電壓、電流、供電距離、允許壓降、導(dǎo)線規(guī)格、線路設(shè)計(jì)度、電連接器選型等多個(gè)設(shè)計(jì)要素，需要結(jié)合實(shí)際箭載環(huán)境綜合考慮。

2.3.1 供電線路線型統(tǒng)一化設(shè)計(jì)

一般情況下當(dāng)供配電系統(tǒng)方案確定之時(shí)，即系統(tǒng)的電池、設(shè)備供電指標(biāo)等分解設(shè)計(jì)完成之后，線路允許的壓降即確定下來(lái)了，為了便于分析，設(shè)：

(3)

定義為影響因子，則公式(2)變?yōu)椋?/p>

L≤μ/R0

(4)

根據(jù)國(guó)內(nèi)導(dǎo)線電纜生產(chǎn)廠使用手冊(cè)及以電纜和元器件降額的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以得到航空航天供電線路常用導(dǎo)線(C55A系列)的性能指標(biāo)，如表4所示，對(duì)于供電線纜一般不推薦使用截面積小于0.2mm2的導(dǎo)線。

表4 供電線路常用導(dǎo)線性能指標(biāo)

根據(jù)導(dǎo)線規(guī)格將表4中的百米長(zhǎng)度電阻值統(tǒng)一量綱后代入公式(3)，可以得出如表5所示的線路選型表。為便于應(yīng)用，轉(zhuǎn)化為如圖3所示的箭載供電線路統(tǒng)一化設(shè)計(jì)選型圖。

表5 供電線路選型表

圖3 供電線路統(tǒng)一化設(shè)計(jì)選型圖Fig.3 Unified design table for power supply lines

供電線路統(tǒng)一化選型圖將眾多的接口設(shè)計(jì)影響因素整合為以影響因子表征的供電距離與導(dǎo)線規(guī)格之間的關(guān)系，借助直觀的二維坐標(biāo)圖，實(shí)現(xiàn)供電線路的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)選型圖使用方法為：

1)根據(jù)傳輸允許壓降損耗ΔU、線路設(shè)計(jì)度n、供電電流I計(jì)算影響因子μ值；

2)根據(jù)圖3，在供電長(zhǎng)度L≤12μ時(shí)，可以選用線規(guī)號(hào)為24#的導(dǎo)線；在供電長(zhǎng)度L≤20μ時(shí)，可以選用22#導(dǎo)線；在供電長(zhǎng)度L≤33μ時(shí)，可以選用20#導(dǎo)線。

例如，某電池電壓設(shè)計(jì)指標(biāo)為(28.5±2.5)V，一次用電設(shè)備工作電壓為(28±3)V，為保證一次用電設(shè)備在極端供電情況下的正常工作，傳輸路徑的壓降損耗應(yīng)不大于1V，按冗余度為1，線路設(shè)計(jì)度為2的三點(diǎn)三線供電方式，供電電流1A，根據(jù)式(3)，可以得出：

按照?qǐng)D3，得出在供電距離12μ=24m范圍內(nèi)選用24#導(dǎo)線，供電距離20μ=40m范圍內(nèi)選用22#導(dǎo)線，供電距離33μ=66m范圍內(nèi)選用20#導(dǎo)線。

2.3.2 電連接器統(tǒng)一化設(shè)計(jì)

電連接器的選型設(shè)計(jì)需綜合考慮機(jī)械性能、電性能和環(huán)境適應(yīng)性[5]，并且應(yīng)從系統(tǒng)總體上考慮所選導(dǎo)線規(guī)格、電連接器的接線孔直徑、額定電流、接觸件規(guī)格、連接工藝等性能或使用指標(biāo)。

根據(jù)供電接口電連接器統(tǒng)計(jì)現(xiàn)狀，并結(jié)合目前現(xiàn)役火箭實(shí)際使用情況，在滿足箭載機(jī)械及環(huán)境適應(yīng)性的條件下，選用J14T-9ZJ、J14C-9ZJ、Y11P-1210ZJ、J599/20FC98PN-H等4型連接器作為供電接口的統(tǒng)一化優(yōu)選接口類型，其電氣及總體性能指標(biāo)如表6所示，推薦使用焊接連接工藝。

表6 統(tǒng)一化選型電連接器性能指標(biāo)

2.3.3 供電接口統(tǒng)一化設(shè)計(jì)要求

根據(jù)第2小節(jié)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，可知供電電流0A～3A的用電設(shè)備達(dá)到了95.7%，箭載供電接口的統(tǒng)一化設(shè)計(jì)要求針對(duì)此類設(shè)備為主進(jìn)行分析。

按照供電接口設(shè)計(jì)影響因素的分析及供電線路統(tǒng)一化設(shè)計(jì)選型圖，取ΔU=1，i=1，即傳輸允許壓降損耗為1V，線路冗余度為1，在N點(diǎn)N線線路條件下，線路設(shè)計(jì)度n=N-1，在一定工作電流范圍內(nèi)，對(duì)導(dǎo)線規(guī)格的選擇、供電線路接點(diǎn)的設(shè)計(jì)、影響因子、供電距離的綜合分析計(jì)算，形成如表7所示的箭載供電接口的統(tǒng)一化設(shè)計(jì)要求，為減小偏差，表中工作電流按每0.5A為一檔，要求說(shuō)明如下：

1)工作電流為0A～3A的箭載電子設(shè)備供電接口優(yōu)先并統(tǒng)一選用J14T-9ZJ電連接器；

2)工作電流>3A的箭載電子設(shè)備參考本設(shè)計(jì)要求，根據(jù)具體使用情況設(shè)計(jì)，不做統(tǒng)一要求；

3)根據(jù)適用的供電距離，當(dāng)不滿足使用要求時(shí)，按照表7根據(jù)適用的供電距離選用J14C-9ZJ、Y11P-1210ZJ、J599/20FC98PN-H等型電連接器；

4)在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，盡量選用供電線路點(diǎn)線數(shù)較少、導(dǎo)線規(guī)格號(hào)較大(導(dǎo)線截面積較小)的方案，以減少電纜網(wǎng)質(zhì)量；

5)當(dāng)選用導(dǎo)線類型與本文所用導(dǎo)線直流阻值均值相差較大時(shí)，應(yīng)根據(jù)本文推導(dǎo)公式重新計(jì)算設(shè)計(jì)選型圖以及影響因子，進(jìn)而完成電連接器選型。

表7 供電接口統(tǒng)一化設(shè)計(jì)要求

3 后續(xù)思考及建議

本文通過(guò)對(duì)目前我國(guó)現(xiàn)役火箭中用電設(shè)備供電接口的統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)箭載供電線路進(jìn)行理論建模，通過(guò)對(duì)供電接口設(shè)計(jì)的影響因素進(jìn)行分析，提出影響因子的概念，得到供電線路的統(tǒng)一化設(shè)計(jì)選型方法，進(jìn)一步形成了供電接口的統(tǒng)一化設(shè)計(jì)要求，并給出箭載電子設(shè)備的供電接口統(tǒng)一化建議，為設(shè)備供電接口產(chǎn)品化設(shè)計(jì)提供思路。

在本文的供電接口統(tǒng)一化設(shè)計(jì)要求論證過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)役火箭電池供電電壓下限以及28V一次用電設(shè)備工作電壓下限的實(shí)際指標(biāo)情況，取傳輸允許壓降ΔU=1。由影響因子的定義可以看出，μ值與ΔU成正比例關(guān)系，即傳輸允許壓降的增加可以使影響因子變大，進(jìn)而可以在同等設(shè)計(jì)條件下獲得更遠(yuǎn)的供電距離?？梢?jiàn)，從系統(tǒng)總體角度研究箭載電池供電電壓以及用電設(shè)備工作電壓上下限偏差，分析需要開展的工作以及可能的影響，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的優(yōu)化分配和設(shè)計(jì)，將大大改善28V直流遠(yuǎn)距離供電的工況，對(duì)后續(xù)我國(guó)大推力大直徑運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

[1] 祝偉, 張金剛, 張佳寧, 等. 基于 1553B 總線的運(yùn)載火箭供電測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2016, 24(5): 21-24.

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Research on Unification of Power Supply Interface on Launch Vehicle Devices

ZHANG Jin-gang, WANG Xing-lai, WU Yan-ru, XU Li, WANG Gang

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China)

According to the design of power supply and distribution system in launch vehicle of our country, the working current, the connector type and the connection point of electronic equipment power supply interface was analyzed statistically in this article. Furthermore, the typical design method was discussed, influencing environments and influencing factor were concluded. Therefore, the unification design method and suggestion of power supply interface was put forward in this article.

Launch vehicle; Power supply and distribution; Power supply interface; Production

2017-05-11；

2017-06-02

張金剛(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。E-mai:zhangjg85@126.com

V475.1

A

2096-4080(2017)02-0020-06