， ，，

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109; 2.北京航天微機(jī)電技術(shù)研究所，北京 100064)

0 引言

運(yùn)載火箭供配電系統(tǒng)主要為全箭電氣設(shè)備提供工作電源。隨著航天技術(shù)發(fā)展，運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)一體化程度越來越高，快速測(cè)試要求越來越強(qiáng)，這給運(yùn)載火箭供配電系統(tǒng)的集成化、智能化、快速測(cè)試等提出更高的要求。目前國內(nèi)運(yùn)載火箭仍采用傳統(tǒng)供配電技術(shù)，即普遍采用電池配置電磁繼電器的配電方式。電磁繼電器的線圈控制、觸點(diǎn)狀態(tài)檢測(cè)、母線電壓狀態(tài)檢測(cè)等均由地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)完成，造成箭地之間信號(hào)較多，箭地接口較為復(fù)雜；同時(shí)，由于電磁繼電器體積較大，不利于集成設(shè)計(jì)，狀態(tài)檢測(cè)信息較少，一旦電磁繼電器元件或某一用電負(fù)載失效可能導(dǎo)致運(yùn)載火箭其他用電設(shè)備無法正常工作，系統(tǒng)無法通過狀態(tài)檢測(cè)進(jìn)行故障診斷和隔離。

從國外火箭發(fā)展來看，以固體功率控制器(Solid-state power controller,SSPC)為核心的供配電方案逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁繼電器方案。基于SSPC的火箭智能配電方案易于實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備機(jī)內(nèi)自檢測(cè)，在供配電系統(tǒng)出現(xiàn)局部故障時(shí)實(shí)現(xiàn)有效隔離，易于集成總線接口，可以極大地簡化箭地接口，縮短火箭測(cè)試周期，提高火箭供配電可靠性。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

以SSPC為核心的智能供配電技術(shù)在航空領(lǐng)域發(fā)展迅速?，F(xiàn)代飛機(jī)自動(dòng)化配電系統(tǒng)主要是有三部分組成的，包括電源系統(tǒng)處理器(PSP)、電氣負(fù)載管理中心(ELMC)和固態(tài)功率控制器(SSPC)[1-5]。其中ELMC負(fù)責(zé)局部負(fù)載的管理和控制，監(jiān)控該中心內(nèi)的匯流條電壓，統(tǒng)計(jì)SSPC的電流值，控制各路SSPC，并具有一定的自檢測(cè)能力。PSP監(jiān)控整個(gè)供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載自動(dòng)管理，提高了飛機(jī)受損后的生存能力。目前，美國的F22戰(zhàn)斗機(jī)、P7A反潛機(jī)、空客A380、波音787都采用了基于SSPC的智能供電系統(tǒng)。

在航天領(lǐng)域，歐美的航天器[6-7](如SMART-1月球探測(cè)器)已經(jīng)應(yīng)用SSPC配電技術(shù)。中國的航天器也正積極推進(jìn)SSPC配電技術(shù)應(yīng)用[8-9]。韓國的羅老號(hào)運(yùn)載火箭[10]已經(jīng)采用基于SSPC的智能配電技術(shù)。韓國羅老號(hào)運(yùn)載火箭使用PDU設(shè)備對(duì)二子級(jí)用電設(shè)備進(jìn)行配電控制及管理。PDU內(nèi)部設(shè)置通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、I/O控制模塊、監(jiān)測(cè)模塊及電源模塊、配電模塊；提供9條負(fù)載輸出線路，均由SSPC控制，可以保護(hù)供電回路，避免過載或短路；同時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電流和工作狀態(tài)信息。PDU與地面設(shè)備通過RS-422進(jìn)行通訊。

2 智能配電系統(tǒng)方案

針對(duì)運(yùn)載火箭供配電系統(tǒng)集成化、智能化、快速測(cè)試等發(fā)展需求，本文提出以SSPC為核心的冗余分級(jí)智能供配電系統(tǒng)方案。以新一代某型號(hào)二級(jí)半火箭為例，冗余分級(jí)智能供配電系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 運(yùn)載火箭智能配電系統(tǒng)方案架構(gòu)

冗余分級(jí)智能供配電系統(tǒng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)分布式供配電。箭載電氣系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量多且分散，火箭智能配電系統(tǒng)按子級(jí)區(qū)域進(jìn)行分布式供配電，有利于提高供電品質(zhì)，減少各子級(jí)之間的供電及信號(hào)連接，降低箭上電纜網(wǎng)復(fù)雜度?；鸺潆娭行呐c地面設(shè)備之間采用1553B總線進(jìn)行通訊，簡化了箭地接口。配電中心內(nèi)部采用嵌入式控制芯片，單機(jī)功能集成度大幅提升。

2)分負(fù)載特點(diǎn)供電。打破傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)與測(cè)量系統(tǒng)單機(jī)分開供電體制，根據(jù)箭上電氣負(fù)載不同特點(diǎn)進(jìn)行供配電設(shè)計(jì)。將在整個(gè)飛行過程中消耗恒定功率的箭上負(fù)載，如箭載計(jì)算機(jī)、綜合控制器、測(cè)量數(shù)據(jù)綜合器等由功能型電池供電；將高電流脈沖型的箭上電氣負(fù)載，如箭上電磁閥、火工品、伺服機(jī)構(gòu)、慣組加溫等由脈沖型電池供電。

3)自檢測(cè)與故障隔離?；鸺悄芄┡潆娤到y(tǒng)能夠完成自身故障的自檢測(cè)及故障信息反饋，進(jìn)一步縮短測(cè)試周期。采用了SSPC后，能在供電對(duì)象出現(xiàn)過流、短路情況時(shí)及時(shí)斷開故障負(fù)載，保證其他正常設(shè)備不受影響。供電對(duì)象出現(xiàn)短路故障時(shí)，SSPC立即完成切斷；供電對(duì)象出現(xiàn)過流時(shí)，根據(jù)I2t控制曲線，SSPC在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成切斷。

4)冗余供配電。系統(tǒng)除采用多SSPC并聯(lián)冗余、多點(diǎn)多線等冗余技術(shù)提高單機(jī)可靠性外，箭上電池之間實(shí)現(xiàn)互為冗余。各級(jí)智能配電中心對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)某一電池出現(xiàn)故障時(shí)，完成其他電池的接班及故障電池的隔離，解決了電池的一度故障。

5)通用化模塊設(shè)計(jì)?；鸺悄芘潆娤到y(tǒng)核心設(shè)備智能配電中心采用層疊式通用化模塊設(shè)計(jì)，各級(jí)智能配電中心各模塊之間可實(shí)現(xiàn)硬件模塊互換。通用化模塊設(shè)計(jì)進(jìn)一步降低了設(shè)計(jì)成本，提高了產(chǎn)品的靈活度。

智能配電中心原理樣機(jī)方案見圖2所示。智能配電中心以功能型電池及脈沖型電池電源作為電源輸入，通過1553B總線接收來自于BC發(fā)出的指令，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的配電、轉(zhuǎn)電、電池冗余管理、負(fù)載保護(hù)等功能。智能配電中心采用層疊式模塊化設(shè)計(jì)，由通信控制模塊、轉(zhuǎn)電模塊、功率模塊等組成。各模塊采用通用化設(shè)計(jì)，適用于各級(jí)智能配電中心。智能配電中心較傳統(tǒng)電磁配電器體積和重量均減少約60%，優(yōu)勢(shì)明顯如表1所示。

圖2 智能配電中心原理方案

參數(shù)傳統(tǒng)電磁配電器智能配電中心電壓/V2828電流/A8080負(fù)載路數(shù)56外形尺寸/mm3290×180×110180×180×60重量/kg4.51.7

3 智能配電關(guān)鍵技術(shù)

3.1 固體功率控制技術(shù)

固態(tài)功率控制技術(shù)核心是固體功率控制器(SSPC)。SSPC主要由控制與保護(hù)模塊、電源模塊、隔離電路模塊三部分組成?？刂婆c保護(hù)電路模塊實(shí)現(xiàn)了功率驅(qū)動(dòng)控制、反時(shí)限過流保護(hù)、短路保護(hù)以及狀態(tài)檢測(cè)鎖存等功能。隔離電路是SSPC與上級(jí)模塊的輸入輸出接口部分，實(shí)現(xiàn)與上級(jí)模塊的信息交換。電源模塊為SSPC提供內(nèi)部供電電源。SSPC功能原理框圖見圖3。

圖3 SSPC功能原理框圖

驅(qū)動(dòng)管選用MOSFET，具有導(dǎo)通電阻小、功率損耗小、電路設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)。由于運(yùn)載火箭電氣負(fù)載多為阻感性或阻容性負(fù)載，若采用硬開通、關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)電路，在阻容性或阻感負(fù)載開通或關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)浪涌電流。如圖4所示，MOSFET負(fù)載電流I受柵源電壓Ugs的控制，且隨著Ugs的增大而增加，故在MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路中使用RC網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)Ugs的變化率，從而調(diào)節(jié)負(fù)載電流I的上升和下降時(shí)間，使得SSPC適用于火箭電氣系統(tǒng)各類負(fù)載?！熬忛_通、緩關(guān)斷”設(shè)計(jì)使得SSPC具備良好的EMC特性。

圖4 SSPC控制電路及緩開通波形

3.2 故障隔離技術(shù)

SSPC最大的特點(diǎn)是其過載后跳閘所需時(shí)間由電流的大小決定，具有輕度過載跳閘時(shí)間長，嚴(yán)重過載跳閘時(shí)間短的I2t反時(shí)限保護(hù)特性[11]。采用I2t保護(hù)跳閘曲線，一方面是因?yàn)閭鹘y(tǒng)靠熔斷進(jìn)行保護(hù)的斷路器是根據(jù)自身發(fā)熱量而產(chǎn)生物理熔斷，類似反時(shí)限跳閘保護(hù)曲線；另一方面考慮到電子跳閘保護(hù)的可靠性，不產(chǎn)生誤報(bào)誤跳，需要反時(shí)限過載延時(shí)跳閘保護(hù)。

典型I2t反時(shí)限保護(hù)曲線如圖5所示。I/Ie為負(fù)載電流I與額定電流Ie的比值，即電流倍數(shù)。a、b是兩常數(shù)，代表跳閘保護(hù)點(diǎn)和立即跳閘保護(hù)點(diǎn)。a是跳閘點(diǎn)的電流Ia與額定電流的比值，b是立即跳閘點(diǎn)的電流Ib與額定電流的比值：

1)I/Ie

2)a≤I/Ie

3)I/Ie≥b，立即切斷負(fù)載。

圖5 I2t過流保護(hù)曲線圖

反時(shí)限過流保護(hù)算法是基于硬件電路模擬線路中熱量隨電流變化的動(dòng)態(tài)模型，當(dāng)線路中熱量(溫度)達(dá)到指定溫度時(shí)產(chǎn)生跳閘信號(hào)。圖6為不同線路電流對(duì)應(yīng)的能量變化曲線。

圖6 不同線路電流對(duì)應(yīng)的能量變化曲線

不同線路電流值達(dá)到跳閘點(diǎn)的時(shí)間公式如下所示：

(1)

其中:Vref是跳閘點(diǎn)電流對(duì)應(yīng)的電壓基準(zhǔn)值，對(duì)應(yīng)于圖6中曲線3所要趨近的穩(wěn)定值；Iw為當(dāng)前線路實(shí)際電流值。

解得不同線路電流的跳閘時(shí)間為：

(2)

圖6中指數(shù)曲線的時(shí)間常數(shù)是τ=RiCi，達(dá)到穩(wěn)定值98%的時(shí)間是4τ。圖6中的曲線1、曲線2電流均超過額定值，可見超過額定電流值越大，指數(shù)曲線達(dá)到跳閘值的時(shí)間越短，保護(hù)越快。

在設(shè)計(jì)時(shí)，采用軟件算法實(shí)現(xiàn)I2t反時(shí)限保護(hù)。采用非接觸式的霍爾傳感器芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)各配電支路電流實(shí)時(shí)采集功能?；魻杺鞲衅餍盘?hào)經(jīng)運(yùn)算放大器、配電檢測(cè)部分ADC采集，進(jìn)入處理器中，處理器通過反時(shí)限算法，計(jì)算各自支路的電流熱量累計(jì)值，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定閾值后，處理器關(guān)斷相應(yīng)支路的負(fù)載開關(guān)。該方式簡單、靈活，可根據(jù)具體線路調(diào)整保護(hù)曲線。

3.3 系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)技術(shù)

為提高智能供配電系統(tǒng)的可靠性，采用以下冗余設(shè)計(jì)技術(shù)：

1)配電關(guān)鍵器件冗余。SSPC器件是智能供配電系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)電氣負(fù)載特點(diǎn)進(jìn)行冗余。對(duì)于影響任務(wù)成敗的關(guān)鍵負(fù)載(如箭載計(jì)算機(jī)、伺服控制器等)支路，采用多個(gè)SSPC并聯(lián)冗余方案。輸出線路采用多點(diǎn)雙線冗余設(shè)計(jì)，提高輸出接口的可靠性。

2)控制指令冗余設(shè)計(jì)。智能配電中心采用主備雙冗余設(shè)計(jì)，配置雙冗余1553B總線接口，實(shí)現(xiàn)了指令傳輸線路的冗余。

3)電池雙冗余設(shè)計(jì)。在正常工作時(shí)，功能性及脈沖型電池供電母線互相隔離，一旦某一臺(tái)電池出現(xiàn)問題，則由智能配電中心完成正常電池的接班和故障電池的隔離，保證各路負(fù)載正常供電。

3.4 智能BIT檢測(cè)技術(shù)

對(duì)于供配電系統(tǒng)而言，有效的故障診斷能夠及早發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)處理，對(duì)保障火箭正常工作有重要意義。智能配電中心采用了狀態(tài)檢測(cè)、監(jiān)控和故障隔離綜合技術(shù)(built-in-test，BIT)，在發(fā)生故障時(shí)，能夠檢測(cè)到故障，確定故障模式，界定故障范圍，并執(zhí)行故障預(yù)測(cè)和隔離等相關(guān)措施，具有一定的報(bào)警能力。智能配電中心具備以下BIT功能：

1) 智能配電中心在上電時(shí)或接收到上位機(jī)自檢指令時(shí)，完成自身初始狀態(tài)自檢，自檢內(nèi)容包括接口芯片、處理器芯片、內(nèi)存、供電電源、寄存器狀態(tài)、SSPC開關(guān)狀態(tài)等。

2) 對(duì)于智能配電中心內(nèi)部控制芯片、采樣電路、SSPC等突然發(fā)生損壞或停止工作的“硬故障”，智能配電中心根據(jù)采集的狀態(tài)信息，對(duì)照內(nèi)嵌的狀態(tài)分析表進(jìn)行故障模式判斷和定位，并將故障信息上傳上位機(jī)。

3) 對(duì)于參數(shù)漂移或變化緩慢的“軟故障”，智能配電中心通過總線通信接口將監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，由上位機(jī)或地面設(shè)備通過對(duì)歷史和現(xiàn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比判斷，得出該電路或器件是否將要發(fā)生故障的結(jié)論。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

運(yùn)載火箭冗余分級(jí)智能配電技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)組成如圖7所示。測(cè)試微機(jī)作為主控微機(jī)，可通過總線向智能配電中心發(fā)送自檢測(cè)、轉(zhuǎn)電、配電、斷電等指令，采集、解析、顯示相應(yīng)狀態(tài)參數(shù)。智能配電中心原理樣機(jī)配電通路具備I2t保護(hù)能力。電子負(fù)載可以提供純阻性、阻容性、阻感性負(fù)載，可以模擬負(fù)載過流、短路等故障。

圖7 試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)組成

4.1 負(fù)載匹配測(cè)試

對(duì)智能配電中心L1路(5A)、L2路(10A)、L3路(20A)進(jìn)行了阻容及阻感性負(fù)載匹配測(cè)試。阻容性負(fù)載采用電容與電阻并聯(lián)模型進(jìn)行測(cè)試，電阻值固定，然后逐漸加大電容容值，以測(cè)試SSPC對(duì)各類阻容性負(fù)載的適應(yīng)性。不同容值情況下，各路負(fù)載電流峰值及上升時(shí)間見表3所示?？梢钥闯觯诓捎昧司忛_緩斷控制技術(shù)后，各路負(fù)載浪涌電流基本控制在4倍以內(nèi)。圖8給出了L3路1000μF容性負(fù)載開通曲線。

表3 阻容性負(fù)載測(cè)試數(shù)據(jù)

圖8 L3路1000μF容性負(fù)載開通曲線

阻感性負(fù)載采用電感與電阻串聯(lián)模式進(jìn)行測(cè)試，電阻值固定，以使得各路SSPC工作在額定電流下，然后逐漸加大電感值。不同電感情況下，各路負(fù)載電壓及上升時(shí)間見表4所示?？梢钥闯?，隨著電感的增加，浪涌電壓也在逐漸增加，但各路浪涌電壓均抑制在36 V以下。圖9給出

L

3

路3 mH感性負(fù)載開通曲線。

表4 阻容性負(fù)載測(cè)試數(shù)據(jù)

圖9 L3路3 mH感性負(fù)載開通曲線

4.2 過流保護(hù)測(cè)試

智能配電中心在反時(shí)限曲線設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)定起跳點(diǎn)為額定電流的1.3倍，立即跳閘點(diǎn)為額定電流的3倍。利用電子負(fù)載對(duì)智能配電中心各路進(jìn)行過流及短路保護(hù)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，隨著過流倍數(shù)越來越大，SSPC進(jìn)入保護(hù)的時(shí)間也越來越短。當(dāng)過流倍數(shù)達(dá)到3倍以上時(shí)，SSPC在3.5 ms關(guān)斷，以隔離故障負(fù)載。

表5 L3路過流及短路保護(hù)測(cè)試

5 結(jié)論

火箭智能供配電技術(shù)是當(dāng)代火箭供配電系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。本文以新一代某型號(hào)火箭為背景，設(shè)計(jì)了一套冗余分級(jí)智能供配電系統(tǒng)，梳理了關(guān)鍵技術(shù)，并開發(fā)了原理樣機(jī)。經(jīng)過各項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，冗余分級(jí)智能供配電系統(tǒng)智能化程度高、負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、故障診斷和保護(hù)效果明顯，提升了火箭供配電技術(shù)水平。