朱源，韓峰，楊超

(北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854)

0 引言

上面級(jí)一般是在基礎(chǔ)級(jí)運(yùn)載火箭上面增加相對(duì)獨(dú)立的一級(jí)(或多級(jí))，具有較強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性，能夠完成軌道機(jī)動(dòng)、有效載荷分離等任務(wù)，是提高火箭性能和任務(wù)適應(yīng)能力的有效途徑。上面級(jí)一般包括動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等。上面級(jí)一般具有多次起動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間工作、自主飛行等特點(diǎn)，具備多星發(fā)射和軌道機(jī)動(dòng)、軌道部署的能力[1-3]。

基礎(chǔ)級(jí)運(yùn)載火箭受傳統(tǒng)格局的制約，控制、測(cè)量等各個(gè)分系統(tǒng)各自為政，出現(xiàn)了火箭各系統(tǒng)設(shè)備及接口種類繁多、地面系統(tǒng)龐大與重復(fù)的現(xiàn)象，給使用、維護(hù)帶來(lái)極大不便，而且測(cè)試發(fā)射周期長(zhǎng)，效率低下[4-5]。上面級(jí)以控制系統(tǒng)為核心，采取一體化的設(shè)計(jì)思想，在運(yùn)載火箭領(lǐng)域率先建立一種高效率、高可靠、低成本、高通用性的統(tǒng)一供配電體系，合理分配和利用資源，避免重復(fù)投資以降低系統(tǒng)造價(jià)，減少中間環(huán)節(jié)以提高系統(tǒng)可靠性和工作效率，最終縮短發(fā)射周期并提高發(fā)射成功率[5-6]。這對(duì)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)供配電設(shè)計(jì)的發(fā)展，以及對(duì)今后提高在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等都是十分重要和迫切的。

1 供配電一體化設(shè)計(jì)的思想

上面級(jí)電氣系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、主動(dòng)熱控系統(tǒng)組成。上面級(jí)供配電一體化設(shè)計(jì)，不是要取消分系統(tǒng)，而是要在原分系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)融合、資源共享和優(yōu)化配置，提高整個(gè)電氣系統(tǒng)的可靠性、電磁兼容性與經(jīng)濟(jì)性[7-9]。一體化的思想主要基于以下幾個(gè)方面：

1.1 以控制系統(tǒng)為主體進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)

以控制系統(tǒng)為主體實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，主要是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)是上面級(jí)電氣系統(tǒng)的核心組成部分，主要的發(fā)射節(jié)點(diǎn)都安排在控制系統(tǒng)，并且控制系統(tǒng)硬件技術(shù)成熟，系統(tǒng)的集成性及自動(dòng)化程度均較高[5-6]。以控制系統(tǒng)為主體，實(shí)現(xiàn)上面級(jí)各系統(tǒng)的集中供配電，能大大減少電池、脫落連接器和地面電源數(shù)量，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高發(fā)射可靠性，并降低成本。

1.2 基于供電品質(zhì)要求的一體化設(shè)計(jì)

根據(jù)供電品質(zhì)要求，將負(fù)載分為2類：一類是對(duì)供電品質(zhì)要求較高的控制、測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備；另一類是對(duì)供電品質(zhì)要求不高的熱控系統(tǒng)設(shè)備以及火工品和電磁閥?；鸸て?、電磁閥的供電與設(shè)備供電區(qū)分開，是由于引爆火工品時(shí)脈沖輸出電流大，且電流輸出期間電壓波動(dòng)大；同時(shí)為了維持大電流輸出，電池電壓較高，這些都對(duì)設(shè)備供電不利[10]。

1.3 基于嵌入式電源模塊的一體化設(shè)計(jì)

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步，各用電系統(tǒng)設(shè)備的供電均采用二次變換用電體制，即系統(tǒng)提供統(tǒng)一的28V一次電源供電，各用電設(shè)備通過(guò)各自內(nèi)部的嵌入式電源轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成自身需要的5V，15V等二次電源供電。這樣電氣系統(tǒng)各單機(jī)的一次電源輸入需求基本一致，可以采用統(tǒng)一供配電，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)減重。同時(shí)嵌入式電源轉(zhuǎn)換模塊之間完全獨(dú)立隔離，能大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)和單機(jī)間的電磁兼容設(shè)計(jì)和試驗(yàn)[7]。

1.4 基于標(biāo)準(zhǔn)接口的一體化設(shè)計(jì)

各系統(tǒng)用電設(shè)備通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的電源接口與控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，各用電設(shè)備只需保證電源接口不變，設(shè)備功能可根據(jù)自身需求進(jìn)行適應(yīng)性修改。這樣既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)間的連接，同時(shí)可以縮短研制周期、降低研制成本、從整體上優(yōu)化系統(tǒng)性能[11]。

2 供配電一體化設(shè)計(jì)方案

2.1 供配電需求

傳統(tǒng)的基礎(chǔ)級(jí)運(yùn)載火箭飛行時(shí)間一般在10～30 min，上面級(jí)要求長(zhǎng)時(shí)間在軌飛行，飛行時(shí)間一般在7 h以上。隨著在軌運(yùn)行時(shí)間的增加，上面級(jí)各系統(tǒng)的供配電需求也大幅提高，上面級(jí)各系統(tǒng)的供配電需求如表1所示。

2.2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)供電品質(zhì)要求，將控制、測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)備供電劃分為一組，由電池I供電；將火工品、電磁閥和主動(dòng)熱控系統(tǒng)的供電劃分為另一組，由電池II供電?？紤]到主動(dòng)熱控系統(tǒng)為間歇式工作方式，且對(duì)電源平穩(wěn)性要求不高，同時(shí)為火工品電池配備常值負(fù)載有利于電池的輸出特性，因此將熱控系統(tǒng)和火工品、電磁閥共用電池II供電。鋅銀蓄電池組的具體指標(biāo)如表2所示。

上面級(jí)地面供電統(tǒng)一由控制系統(tǒng)地面電源供電，箭上供電統(tǒng)一由控制系統(tǒng)電池I、電池II供電?？紤]到整個(gè)供配電系統(tǒng)的重量，上面級(jí)在設(shè)計(jì)時(shí)電池I、電池II均采用單臺(tái)電池供電；箭上由單臺(tái)配電器完成儀器設(shè)備穩(wěn)壓供電以及火工品和電磁閥的功率供電。這樣，整個(gè)上面級(jí)電氣系統(tǒng)用地面電源和電池都大幅減少，電纜和電源機(jī)柜隨之減少，系統(tǒng)成本大幅降低[12]?？刂葡到y(tǒng)電纜網(wǎng)將一次電源送到各用電設(shè)備，并將各系統(tǒng)間的信號(hào)和指令有機(jī)地連接起來(lái)，使上面級(jí)各系統(tǒng)連接成一個(gè)協(xié)調(diào)的電氣系統(tǒng)[13-14]。上面級(jí)各用電設(shè)備通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的J599III系列連接器和控制系統(tǒng)電纜網(wǎng)連接，這樣各系統(tǒng)設(shè)備的供電接口規(guī)范統(tǒng)一。J599III系列連接器符合GJB599A標(biāo)準(zhǔn)，采用三頭螺紋快速連接，并帶防松脫機(jī)構(gòu)，連接可靠度高，耐高強(qiáng)度振動(dòng)，適合在航天等軍事領(lǐng)域使用。各系統(tǒng)用電設(shè)備將一次電源(28 V直流電壓)通過(guò)內(nèi)部的DC/DC和DC/AC模塊，轉(zhuǎn)換為設(shè)備所需的2.5, 3.3, 15 V等二次電源供電。上面級(jí)供配電一體化原理框圖如圖1所示。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 基于磁保持繼電器的多母線供配電設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)級(jí)火箭配電器內(nèi)一般選用電磁繼電器，需要飛行全程始終給繼電器線包供電，從而保證設(shè)備的供電。上面級(jí)若選用電磁繼電器，飛行全程給繼電器線包供電將消耗一部分電池容量，同時(shí)電磁繼電器自身發(fā)熱功率高，而真空環(huán)境的散熱率低，會(huì)造成繼電器自身溫升過(guò)高而失效，這些都不利于實(shí)現(xiàn)上面級(jí)長(zhǎng)時(shí)間高可靠供配電。因此，上面級(jí)選用磁保持繼電器，只需在控制線包處一次接通供電激勵(lì)即可吸合，然后通過(guò)內(nèi)部永久磁鋼的作用進(jìn)行自保持[15]，不必對(duì)控制線包始終加電，可以有效降低長(zhǎng)時(shí)間供電時(shí)的功耗，適應(yīng)上面級(jí)長(zhǎng)時(shí)間空間環(huán)境的要求。

圖1 上面級(jí)供配電一體化原理框圖Fig.1 Schematic diagram of integrated power supplyand distribution for upper stage

序號(hào)分系統(tǒng)供電對(duì)象供電電流/A任務(wù)時(shí)間要求/h1控制系統(tǒng)激光慣組最大7．5，穩(wěn)定后4不小于72控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)、綜合控制器、星敏感器等最大6不小于73測(cè)量系統(tǒng)一部分測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備最大6不小于74測(cè)量系統(tǒng)另一部測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備最大4不小于75動(dòng)力系統(tǒng) 火工品、電磁閥、姿控噴管、分離機(jī)構(gòu)火工品單橋5～10電磁閥最大2分離插頭線包5不小于76主動(dòng)熱控系統(tǒng)主動(dòng)熱控系統(tǒng)4不小于7

表2 電池技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indicators of batteries

上面級(jí)設(shè)置4條地面電源供電母線±N1,±N2，4條箭上電池供電母線±D1,±D2，±N1,±D1母線用于給各系統(tǒng)設(shè)備供電，±N2,±D2母線用于給火工品、電磁閥和熱控系統(tǒng)供電。根據(jù)供電通路分類處理和電磁兼容設(shè)計(jì)要求，將±D1,±D2,±N1,±N2母線的控制供電、轉(zhuǎn)電用磁保持繼電器進(jìn)行了分組控制，形成4條設(shè)備供電母線，+G母線用于慣組供電，+J母線用于計(jì)算機(jī)、綜合控制器等控制設(shè)備供電，+Y1,+Y2母線用于測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備供電，多母線供配電如圖2所示。配電器內(nèi)為多條供配電母線分別設(shè)置匯流條，匯流條之間盡量遠(yuǎn)離，通過(guò)繼電器的分組控制使各系統(tǒng)供電線路間相互獨(dú)立且盡量遠(yuǎn)離，以保證整機(jī)內(nèi)不同通路間的電磁兼容性。

3.2 統(tǒng)一供配電、轉(zhuǎn)電設(shè)計(jì)

上面級(jí)各系統(tǒng)由控制系統(tǒng)統(tǒng)一供配電，統(tǒng)一轉(zhuǎn)電，轉(zhuǎn)電前統(tǒng)一由控制系統(tǒng)地面電源供電，轉(zhuǎn)電后由箭上電池供電。上面級(jí)通過(guò)配電器內(nèi)的地面供配電繼電器和轉(zhuǎn)電繼電器組，實(shí)現(xiàn)對(duì)各系統(tǒng)儀器的供配電，如圖3所示，其中KP1～KP4為地面供電用磁保持繼電器，KZ1～KZ4為轉(zhuǎn)電用磁保持繼電器，電阻R1～R10和二極管V1～V10組成磁保持繼電器的消反峰電路。

圖2 上面級(jí)多母線供配電原理框圖Fig.2 Schematic diagram of multi bus power supply and distribution for upper stage

3.2.1 地面供配電設(shè)計(jì)

地面供配電階段，測(cè)發(fā)控系統(tǒng)給出接通第1路、第2路儀器供電信號(hào)，通過(guò)對(duì)供配電繼電器KP1～KP4控制線包+X施加供電激勵(lì)，KP1～KP4繼電器觸點(diǎn)吸合，地面供電+N1母線通過(guò)KP1,KP2觸點(diǎn)輸出第1路儀器供電信號(hào)，通過(guò)KP3,KP4觸點(diǎn)輸出第2路儀器供電信號(hào)。

圖3 地面供電和箭上供電示意圖Fig.3 Schematic diagram of ground and onboard power supply and distribution

3.2.2 統(tǒng)一轉(zhuǎn)電設(shè)計(jì)

上面級(jí)各系統(tǒng)由控制系統(tǒng)統(tǒng)一轉(zhuǎn)電，即由地面供電轉(zhuǎn)為箭上電池供電，通過(guò)地面供配電繼電器和轉(zhuǎn)電繼電器的邏輯組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)?shù)孛鏈y(cè)發(fā)控系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)電信號(hào)時(shí)，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)電繼電器KZ1～KZ4控制線包+X施加供電激勵(lì)，KZ1～KZ4繼電器觸點(diǎn)吸合，箭上電池供電+D1母線通過(guò)KZ1～KZ4觸點(diǎn)分別輸出2路儀器供電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)箭上電池母線與單機(jī)供電接口的連通。然后地面供電+N1母線斷電，完成從地面供電到箭上供電的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)正向轉(zhuǎn)電控制功能。

地面供配電繼電器KP1～KP4在地面供配電階段接通后，觸點(diǎn)始終處于吸合狀態(tài)，直到收到測(cè)發(fā)控系統(tǒng)發(fā)出的斷開第1路、第2路儀器供電指令才斷開。這樣，通過(guò)KP1～KP4,KZ1～KZ4的吸合觸點(diǎn)可以將地面供電+N1母線與箭上供電+D1母線構(gòu)成環(huán)形供電通路[10]，確保上面級(jí)在飛行供電過(guò)程中可以吸收任意兩度以上的故障。

若上面級(jí)在轉(zhuǎn)電后遇突發(fā)情況需要緊急斷電，只需接通上面級(jí)斷電控制，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)電繼電器KZ1～KZ4復(fù)位線包+Y施加供電激勵(lì)，使轉(zhuǎn)電繼電器KZ1～KZ4再次動(dòng)作，由吸合轉(zhuǎn)為斷開，即可斷開電池母線供電，通過(guò)地面供電繼電器KP1～KP4的吸合觸點(diǎn)，恢復(fù)到地面供電狀態(tài)。這樣，上面級(jí)既能夠在不斷電的情況下，斷開電池母線供電，又能確保地面供電母線和箭上電池母線間的隔離，使上面級(jí)具備對(duì)射前突發(fā)事件的適應(yīng)能力，能較長(zhǎng)時(shí)間推遲發(fā)射，提高發(fā)射可靠性。

3.3 統(tǒng)一斷電設(shè)計(jì)

上面級(jí)各系統(tǒng)由控制系統(tǒng)統(tǒng)一斷電。為滿足基礎(chǔ)級(jí)火箭與上面級(jí)可獨(dú)立測(cè)試，也可聯(lián)合測(cè)試的要求，上面級(jí)在傳統(tǒng)的母線斷電電路基礎(chǔ)上，采用了“2×2”的斷電控制方式，即+D1,+D2 2條箭上電池供電母線斷電控制通路均可以通過(guò)基礎(chǔ)級(jí)、上面級(jí)分別實(shí)施斷電控制。脫落插頭脫落前，斷電信號(hào)由上面級(jí)地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)發(fā)出。脫落插頭脫落后，上面級(jí)通過(guò)與基礎(chǔ)級(jí)連接的分離插頭，接收基礎(chǔ)級(jí)火箭發(fā)出的斷電信號(hào)，跟隨基礎(chǔ)級(jí)火箭斷電。斷電時(shí)先斷開火工品母線，再斷開設(shè)備供電母線。斷電控制電路如圖4所示，其中4TC為上面級(jí)箭上和地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)連接的脫落插頭，SMJ為上面級(jí)和基礎(chǔ)級(jí)連接的分離插頭，80C為配電器的插頭，KD3～KD10為電磁繼電器。

地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)通過(guò)脫落插頭4TC給出上面級(jí)+D1斷電控制信號(hào)，KD3,KD4線包加電，觸點(diǎn)吸合，地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)發(fā)送的+D1斷電信號(hào)通過(guò)KD3,KD4的觸點(diǎn)輸出+D1斷電控制信號(hào)；當(dāng)基礎(chǔ)級(jí)火箭通過(guò)SMJ插頭給出+D1斷電控制信號(hào)時(shí)，KD7,KD8線包加電，觸點(diǎn)吸合，電池供電+D1母線通過(guò)KD7,KD8的觸點(diǎn)輸出+D1斷電控制信號(hào)。+D1斷電控制信號(hào)通過(guò)箭上電纜網(wǎng)連至圖3中轉(zhuǎn)電繼電器KZ1～KZ4的復(fù)位線包+Y端，使轉(zhuǎn)電繼電器KZ1～KZ4觸點(diǎn)斷開，斷開箭上電池+D1母線供電。+D2母線斷電通過(guò)繼電器KD5,KD6,KD9,KD10實(shí)現(xiàn)，原理和+D1母線斷電相同。斷電繼電器在基礎(chǔ)級(jí)火箭起飛后處于不通電狀態(tài)，確保起飛后不會(huì)誤斷電?；A(chǔ)級(jí)斷電和上面級(jí)斷電2個(gè)控制通路之間通過(guò)繼電器觸點(diǎn)相互隔離，保障了基礎(chǔ)級(jí)與上面級(jí)之間的供電安全性、可靠性和電磁兼容性。

圖4 斷電控制電路示意圖Fig.4 Schematic diagram of turn off control circuit

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了上面級(jí)電氣系統(tǒng)供配電一體化設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)方法。通過(guò)供配電一體化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高上面級(jí)的可靠性、電磁兼容性和經(jīng)濟(jì)性。上面級(jí)電氣系統(tǒng)供配電一體化設(shè)計(jì)已在上面級(jí)系列型號(hào)上成功應(yīng)用，為后續(xù)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)的發(fā)展奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

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