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(中國運載火箭技術研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076)

0 引言

飛行器攜帶有效載荷執(zhí)行在軌任務，需為有效載荷提供必要的接口資源，目前有效載荷類型多種多樣，例如天基對抗武器[1-2]、空間操控裝置[3-4]、遙感相機[5]、激光武器[6]等，每種有效載荷所需的接口資源各不相同，但飛行器能提供的接口資源有限，所以如何使飛行器利用有限的接口資源適應多種類型的有效載荷成為亟待解決的問題。

針對上述問題，一種飛行器有效載荷接口擴展裝置應運而生，利用飛行器有限的接口資源支持4種不同有效載荷正常工作。有效載荷接口擴展裝置提供總線指令、數(shù)據(jù)通信、供配電等接口，根據(jù)不同有效載荷在軌分時工作的時序特性，充分利用飛行器接口資源，保證每種有效載荷順利執(zhí)行在軌任務，既增強了飛行器的技戰(zhàn)術能力，又豐富了飛行器的作戰(zhàn)手段。

1 組成及工作原理

有效載荷接口擴展裝置屬于艙內單機設備，采用模塊化設計方案，由綜合電源單元A、綜合電源單元B、綜合管理單元A、綜合管理單元B、綜合接口單元、電源擴展單元6個功能單元構成。有效載荷接口擴展裝置內共設置三個內轉接，分別定義為內總線1、內總線2和內總線3。6個功能單元通過3條內總線轉接相連，各功能單元與內總線掛載情況見圖1所示。

圖1 各功能單元與內總線掛載情況

所有功能單元都與內總線1連接，綜合電源單元A、綜合電源單元B、綜合管理單元A、綜合管理單元B和綜合接口單元連接內總線2，綜合電源單元A、綜合電源單元B和綜合接口單元連接內總線3。

內部關系及信息流設計如圖2所示。

圖2 內部關系及信息流設計示意圖

有效載荷接口擴展裝置主要實現(xiàn)對飛行器綜合電子系統(tǒng)提供的一次電源進行隔離變換和路數(shù)擴展，以及為有效載荷提供LVDS、SpaceWire和RS422等數(shù)據(jù)傳輸接口，并將接收到的有效載荷數(shù)據(jù)通過與飛行器之間的1553B總線或LVDS接口轉發(fā)給飛行器綜合電子系統(tǒng)或GNC系統(tǒng)。

有效載荷接口擴展裝置對外接插件共有22個，各接插件型號、功能、所屬功能單元如表1所示。

表1 有效載荷接口擴展裝置對外接插件匯總

續(xù)表

代號型號功能定義所屬單元X17J6W-37C01JNMB擴展控制電輸入X18J6W-78D02JNMB擴展功率電輸入X19J599/26GC98SN擴展火工品電輸入X20J6W-37C01JNMB擴展控制電輸出X21J6W-78D02JNMB擴展功率電輸出X22J599/26GC98SN擴展火工品電輸出電源擴展單元

2 方案設計

2.1 綜合電源單元方案設計

綜合電源單元主要完成對飛行器提供的28 V一次電源進行DC/DC隔離變換。飛行器給有效載荷接口擴展裝置提供2路+28 V供電，同時有效載荷接口擴展裝置自身也進行供電備份設計，采取兩塊完全一致的電源模塊進行冷備份設計，分別命名為綜合電源單元A、綜合電源單元B，其組成框圖如圖2所示。

圖2 綜合電源單元組成框圖

電源設計中，電源輸入濾波器(EMI)采用INTERPOINT公司的FMCE2803，電源變換器(DC/DC) 采用INTERPOINT公司的MTR2805SF。MTR2805SF提供+5 V變換輸出，DC/DC 電源變換器及電源輸入濾波器均為883級產品。

由于一次電源供電接口采取不可恢復的短路保護措施，一旦負載短路，需要在短時間內切斷負載保護一次電源，所以保險絲組采取雙熔斷器母線短路保護電路設計，兩級繼電器并聯(lián)，兩組保險絲并聯(lián)，可有效避免各種失效模式給飛行器電源系統(tǒng)帶來危害，其示意圖如圖3所示。電路選用兩只熔斷器(F1及F2)具有相同的額定電流值，在F2支路中串聯(lián)限流電阻R，限流電阻的阻值大于熔斷器直流阻值10倍以上，從而使F2支路具有較大的抗電沖擊能力。

圖3 雙熔斷器母線短路保護電路示意圖

熔斷器F1和F2選用上海松山電子RSG-I-FFA-10A(5A)，限流電阻選用上海松山電子RX81-1W-0.51Ω，兩路雙冗余供電情況下，如果一路短路會導致該路的熔斷器燒斷，不會影響另一路的正常工作。

另外，遙控開關機繼電器組電路采取兩級繼電器并聯(lián)設計，其電路如圖4所示。

圖4 遙控開關機繼電器組電路圖

一次電源輸入采用兩個磁保持繼電器1K1、1K2并聯(lián)控制，互為備份提高可靠性，繼電器控制電路采用了傳統(tǒng)衛(wèi)星上的成熟電路形式。

2.2 綜合管理單元方案設計

綜合管理單元主要完成有效載荷接口擴展裝置與飛行器綜合電子系統(tǒng)和GNC系統(tǒng)的1553B總線通信，實現(xiàn)飛行器1553B總線指令的解析和總線數(shù)據(jù)的分類處理。有效載荷接口擴展裝置包含2個綜合管理單元，分別為綜合管理單元A、綜合管理單元B，2個綜合管理單元硬件上完全一致，其原理框圖如圖5所示。

圖5 綜合管理單元原理框圖

綜合管理單元由基于CPU和FPGA的內嵌式軟件配合完成有效載荷數(shù)據(jù)的控制和管理。綜合管理單元A和綜合管理單元B各提供1路1553B接口，解析飛行器綜合電子系統(tǒng)發(fā)送的指令，并將FPGA處理的有效載荷數(shù)據(jù)通過1553B總線再回傳給飛行器，其中PROM用于存儲單片機程序，RAM用于緩存變量和參數(shù)。

綜合管理單元中的設備微處理器選用CPU芯片BSC80C32ERH為設備核心控制芯片，主要控制1553B芯片完成對飛行器綜合電子系統(tǒng)的總線數(shù)據(jù)收發(fā)處理以及任務計劃的執(zhí)行和管理。FPGA芯片選用反熔絲工藝A54SX72A系列芯片，主要和外圍電路共同完成與有效載荷的通信，將有效載荷的數(shù)據(jù)信息通過1553B總線上報給飛行器。

有效載荷接口擴展裝置與飛行器的1553B接口芯片采用B65170S6RH，A總線接插件為SK621-0440-4P，B總線接插件為SK621-0440-4S。接口遵循MIL-STD-1553B標準串行數(shù)據(jù)總線接口標準。

2.3 綜合接口單元方案設計

綜合接口單元主要面向有效載荷提供LVDS、SpaceWire[7-8]、RS422等數(shù)據(jù)傳輸接口，采集有效載荷遙測信息，并提供與飛行器之間的1553B接口，接收飛行器的總線指令，以及與飛行器之間的LVDS接口，將有效載荷遙測信息發(fā)送給飛行器。

綜合接口單元的原理框圖如圖6所示。

圖6 綜合接口單元原理框圖

綜合接口單元提供一路與飛行器綜合電子系統(tǒng)的1553B接口，綜合接口單元將接收到的1553B總線數(shù)據(jù)經過電平轉換后，通過內總線2送給綜合管理單元A，該路1553B總線接口芯片的控制由綜合管理單元A完成。同時綜合接口單元提供另外一路與飛行器GNC系統(tǒng)的1553B接口，綜合接口單元將接收到的1553B總線數(shù)據(jù)經過電平轉換后，通過內總線2送給綜合管理單元B，該路1553B總線接口芯片的控制由綜合管理單元B完成。

綜合接口單元提供四路雙向RS422通信接口給有效載荷。一方面通過RS422接口將飛行器的控制指令發(fā)送給有效載荷；另一方面有效載荷數(shù)據(jù)通過RS422接口發(fā)送給綜合接口單元后，首先由綜合接口單元內部的FPGA判斷其中哪一路信號有效，并將有效的RS422信號轉換后，經過內總線1送給綜合管理單元A或綜合管理單元B，最后經過電平轉換，利用與飛行器的1553B通道發(fā)送給飛行器綜合電子系統(tǒng)或GNC系統(tǒng)，兩路1553B通道的選擇由綜合管理單元解析飛行器發(fā)送的1553B指令來確定。

綜合接口單元提供四路LVDS接口接收有效載荷數(shù)據(jù)，提供兩路LVDS接口給飛行器發(fā)送有效載荷數(shù)據(jù)。有效載荷數(shù)據(jù)通過LVDS接口發(fā)送給綜合接口單元后，首先由綜合接口單元內部的FPGA判斷其中哪一路信號有效，并將有效信號通過與飛行器的LVDS通道發(fā)送給飛行器綜合電子系統(tǒng)，與飛行器的兩路LVDS通道的選擇由綜合管理單元解析飛行器發(fā)送的1553B指令來確定。

綜合接口單元提供四路SpaceWire接口接收有效載荷數(shù)據(jù)。有效載荷數(shù)據(jù)通過SpaceWire接口發(fā)送給綜合接口單元后，首先由綜合接口單元內部的FPGA判斷其中哪一路信號有效，并將有效信號通過與飛行器的LVDS通道發(fā)送給飛行器綜合電子系統(tǒng)。

2.4 電源擴展單元方案設計

電源擴展單元主要完成對飛行器綜合電子系統(tǒng)提供的可控配電路數(shù)進行擴展，滿足多路有效載荷供配電的需求，其原理示意圖如圖7所示。

圖7 開關切換電路原理示意圖

目前控制電(28 V、5 A)由飛行器提供的3路擴展至9路，功率電(28 V、20 A)由飛行器提供的2路擴展至4路，火工品電(28 V、20 A、起爆時間80±10 ms)由飛行器提供的1路擴展至2路，各路供配電的開關切換由綜合管理單元A或綜合管理單元B解析飛行器綜合電子系統(tǒng)或GNC系統(tǒng)發(fā)送的1553B總線指令進行切換控制。

擴展后的所有控制電、功率電、火工品電的各路之間是相互對立的，如果出現(xiàn)某一路短路故障，熔斷器在短時間內迅速燒斷，從而起到保護一次電源的作用，不會影響其它各路正常工作。

由于元器件老化等原因，可能存在繼電器失效的情況，從而會導致后續(xù)設備不能上電或斷電，電源擴展單元通過元器件嚴格篩選，并采取了Ⅰ級降額設計的應對措施，所以這種故障模式發(fā)生的概率很小。如果要進一步提高擴展后的每一路供配電支路的可靠性，可以在原有繼電器的基礎上，再并聯(lián)一個繼電器，但由于有效載荷擴展裝置的體積、重量限制，此次未進行繼電器并聯(lián)設計。

3 結構設計

有效載荷接口擴展裝置的外型示意圖如圖8所示，結構殼體材料為硬鋁2A12，設計上在保證結構剛度需求的前提下，選擇適當?shù)臍んw厚度，盡量減輕設備重量，并采用模塊化設計，遵循產品模塊化設計結構接口規(guī)范，采用統(tǒng)一的安裝接口、安裝技術要求、通用底板尺寸，其中模塊結構框架只對與其它模塊結構有接口的特征進行統(tǒng)一尺寸約束，以及模塊結構具有共性的特征進行統(tǒng)一尺寸約束。

圖8 結構外形示意圖

有效載荷接口擴展裝置的各塊印制板材料均為環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板3240，各塊印制板根據(jù)功能劃分，印制板間通過內轉接插座進行信號連接，每塊印制板分別固定于一個獨立框架上，并與框架構成單一模塊的緊湊結構，各模塊上下子口對接，再加以蓋板，利用穿釘將各模塊固定，并連接構成統(tǒng)一的整體，拆卸維修方便靈活，可靠性高，且相同功能的模塊結構統(tǒng)一，模塊間互換性好，也可按功能需要調整模塊數(shù)量和組合方式，便于產品系列化設計。

結構殼體和印制板的材料特性參數(shù)如表2所示。

表2

4 結論

有效載荷接口擴展裝置是銜接飛行器與有效載荷的橋梁，其設計與應用實現(xiàn)了在飛行器有限的接口資源基礎上，能夠為4種有效載荷提供總線指令、數(shù)據(jù)通信、供配電等接口，確保有效載荷順利執(zhí)行在軌任務。目前能夠支持機械臂、小衛(wèi)星[9-10]、激光武器、偵查相機等有效載荷，并可根據(jù)有效載荷選型情況進行能力再擴展，達到了單個飛行器同時攜帶多種有效載荷的目的，間接降低了發(fā)射成本，并使飛行器戰(zhàn)斗能力更加多樣化，在飛行器有效載荷接口擴展領域具有較大的應用前景。