李亞群，彭 越，張金剛，梁晨光，周廣銘

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

傳統(tǒng)運載火箭電源多為分布式供電，主要采用多塊電池為運載火箭各系統(tǒng)儀器設(shè)備提供一次直流電源，包括為火箭控制、利用、安全、遙測、故檢系統(tǒng)提供電能[1]。火箭電池主要以鋅銀電池為主。該方案雖有利于故障隔離和排查，具有可靠性高和技術(shù)成熟等優(yōu)點，也同時兼有地面測試無法長時間使用電池導(dǎo)致對電源測試覆蓋不全面，電池種類、數(shù)量過多且上下箭操作繁雜等弊端。

隨著航天技術(shù)尤其是空間電源的快速發(fā)展，新型航天運載器對電源系統(tǒng)功率輸出能力的要求越來越高，復(fù)雜的地面測試和“零窗口”的發(fā)射要求均對航天運載器電源系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)[2]，傳統(tǒng)的一次性電池及分布式供電方式已無法滿足新需求[3]。

由于后續(xù)新型運載火箭顯著增長的箭上千瓦級大功率用電負(fù)載需求越來越迫切，因此，對全箭能源系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一供配電規(guī)劃設(shè)計滿足不同設(shè)備的用電需求顯得尤為重要[4]。

1 高低壓混合母線配置設(shè)計

1.1 國內(nèi)外發(fā)展情況

中國運載領(lǐng)域箭上一次供電電壓體制主要來源于航空行業(yè)，航空電源系統(tǒng)的發(fā)展從28 V低壓直流電源、112 V直流電源，逐步發(fā)展為115 V/200 V、400 Hz恒頻交流電源以及 270 V高壓直流電源，目前正在向270 V高壓直流和恒壓變頻交流電源系統(tǒng)發(fā)展。

在高壓元器件、原材料方面，國外在十幾年前已經(jīng)開始在航天器電推進(jìn)、星上高壓大功率載荷中廣泛開展高壓大功率電源設(shè)備的應(yīng)用，最近幾年隨著電推進(jìn)、天基武器等需求的提升，空間用高壓電源設(shè)備也隨之逐漸興起，相關(guān)開關(guān)功率器件、電連接器、導(dǎo)線、配電開關(guān)等逐漸成熟。阿里安5火箭對于高電壓主干供電線路的連接主要采用外部匯流條+螺接+高溫焊接方式取代電連接器+導(dǎo)線焊接方式，質(zhì)量、線阻、絕緣、散熱等方面均有良好性能，對于大電流的主干電路的應(yīng)用也是很好的借鑒。

1.2 高低壓混合母線設(shè)計

1.2.1 子級獨立供配電分析

中國現(xiàn)役運載火箭控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等箭上電氣分系統(tǒng)均采用獨立供配電，箭上電池和供配電線路的余量沒有共享，導(dǎo)致每個系統(tǒng)都設(shè)計了大量冗余供電線路和冗余配電設(shè)備，造成了嚴(yán)重的資源浪費。目前國際上各國主推火箭早已實現(xiàn)了統(tǒng)一供配電和系統(tǒng)級冗余，通過統(tǒng)一供配電可為箭上設(shè)備和電纜網(wǎng)減重。如果不實現(xiàn)統(tǒng)一供配電，供配電的系統(tǒng)級冗余將十分困難。

此外，現(xiàn)有供配電系統(tǒng)還存在大量跨部段供電，如芯級給助推供電、二級給一級供電、地面通過箭上電纜網(wǎng)給箭上供電等。國外運載火箭以阿里安5為例，各部段自主供電，減少了部段間電氣聯(lián)系，簡化了部段間電氣接口和電磁兼容性設(shè)計，使各部段可以成為獨立的模塊單元。更重要的是，供電電纜質(zhì)量與供電距離的平方成正比，因此對距離十分敏感。采用部段內(nèi)獨立供電可以大大縮短供電線路的距離，有效減少箭上電纜網(wǎng)質(zhì)量。取消跨部段間的供配電還將顯著減少分離連接器的數(shù)量，提高可靠性。各部段可以在裝配測試后直接運送發(fā)射場組裝成火箭后進(jìn)行測試，縮短了測試周期，省去了總裝廠進(jìn)行全箭測試的運輸和測試費用。此外，各部段自主供電為助推器意外分離后進(jìn)行自主式自毀提供能源，或為進(jìn)行助推器、一級落點控制、助推器回收等提供能源。

因此，在未來新型運載火箭能源系統(tǒng)按照部段分為芯級、助推等幾個獨立區(qū)域[5]，設(shè)計部段內(nèi)部的獨立供配電，可使部段之間沒有交叉供電接口，減少由于跨部段供電距離增加帶來的箭上電纜網(wǎng)負(fù)擔(dān)。

1.2.2 需求分析

火箭各部段分別配置28 V標(biāo)準(zhǔn)電池和高壓電池兩類電池，28 V標(biāo)準(zhǔn)電池在電源管理設(shè)備的管理下形成DC28 V儀器母線，高壓電池經(jīng)過電源管理設(shè)備輸出高壓母線以及動力母線。對于主要儀器設(shè)備等采用DC28 V儀器母線就近集中有線配電，對遠(yuǎn)端的無線傳感器采用內(nèi)置電池的方式。對于電動伺服機構(gòu)、發(fā)動機調(diào)節(jié)電機等大功率用電設(shè)備采用高壓母線進(jìn)行局部供電，以減少線纜壓降和電纜質(zhì)量。對于火工品/電磁閥等大電流脈沖負(fù)載采用動力母線進(jìn)行供電[6]。

供電母線的配置包括母線電壓和母線數(shù)量的確定，對能源系統(tǒng)整體電源、電池、輸電線路、電源變換器件等架構(gòu)有較大影響。運載火箭各用電負(fù)載初步反饋的工作電壓包括28 V、45 V、100 V及270 V等多種直流電壓體制。母線電壓和數(shù)量的選擇應(yīng)綜合考慮負(fù)載功率需求水平、負(fù)載類型、功率電纜網(wǎng)的質(zhì)量和損耗、元器件的耐壓水平、對負(fù)載二次電源轉(zhuǎn)換效率及可靠性的影響等等。

大功率用電設(shè)備的應(yīng)用，使得未來運載火箭箭上電氣系統(tǒng)的功耗將遠(yuǎn)大于現(xiàn)役運載火箭。如果仍采用現(xiàn)役運載火箭的 DC28 V一次母線電壓體制，對于40 kW級用電負(fù)載將產(chǎn)生1 kA級線路電流，對于供電電纜的線路壓降損耗、線路/設(shè)備發(fā)熱及電纜網(wǎng)質(zhì)量都是巨大的挑戰(zhàn)。

對于一定功率的負(fù)載而言，母線電壓直接影響的是工作電流，工作電流對功率電纜網(wǎng)的質(zhì)量和損耗影響巨大，國際宇航局（National Aeronautics and Sрace Administration，NASA）給出了箭上設(shè)備電功率/銅質(zhì)電纜網(wǎng)質(zhì)量比的理論計算公式：

式中M為線纜質(zhì)量；P為功率；L為線纜距離；V為工作電壓；4.3為經(jīng)驗常數(shù)。

可見在一定的距離和功耗下，電纜網(wǎng)的質(zhì)量和工作電壓成反比，針對10 kW、50 kW、100 kW用電功率需求，100 m傳輸距離，分別對28 V、100 V、270 V供電母線電壓下箭上電纜網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行預(yù)估（見表1和圖1），可以看出母線電壓提升對電纜網(wǎng)減重效果明顯，100 V時電纜網(wǎng)質(zhì)量僅為28 V時的28%，270 V時電纜網(wǎng)質(zhì)量僅為 28 V時的 10%。當(dāng)母線電壓增大到250 V以上時減重效果下降。

因此，需要根據(jù)用電負(fù)載的實際需求，對未來運載火箭箭上電氣系統(tǒng)的一次供電母線電壓進(jìn)行提高，通過提高供電電壓以降低線路工作電流，減小線路損耗、發(fā)熱及電纜網(wǎng)質(zhì)量，最終滿足大功率用電設(shè)備的使用需求。同時，通過綜合考慮多種負(fù)載工作電壓的需求，提供合適的母線電壓和數(shù)量的配置方案。

表1 箭上電纜網(wǎng)質(zhì)量預(yù)估Tab.1 Estimation of Cable Weight on the Rocket

圖1 母線電壓與箭上電纜網(wǎng)質(zhì)量關(guān)系Fig.1 The Relationshiр between Power Вus Voltage and Weight of the Cable

1.2.3 高低壓混合母線配置設(shè)計及電源管理

未來運載火箭能源系統(tǒng)供電母線的設(shè)計方案，在繼承傳統(tǒng)航天領(lǐng)域設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，借鑒航空和衛(wèi)星領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗，考慮不同電壓平臺下元器件的成熟度，為滿足負(fù)載工作需求，供電母線的設(shè)計方案包括以下4種，其中高壓母線電壓可根據(jù)實際情況設(shè)定。

a）方案a：提供一條供電母線，沿用傳統(tǒng)DC28V，不同工作電壓的負(fù)載通過連接在母線上的 DC/DC變換器獲得穩(wěn)定的電壓輸入，如圖2a所示。

b）方案b：提供一條供電母線，采用直流高壓母線，不同工作電壓的負(fù)載通過連接在母線上的DC/DC變換器獲得穩(wěn)定的電壓輸入，如圖2b所示。

c）方案c：提供4條供電母線，分別提供28 V、45 V、100 V直流電壓及直流高壓母線電壓平臺，如圖2c所示。

d）方案d：提供2條供電母線，根據(jù)功率需求提供28 V直流電壓、直流高壓母線電壓平臺，儀器設(shè)備使用28 V母線，大功率負(fù)載和大電流脈沖負(fù)載通過直流高壓母線經(jīng)過 DC/DC變換器獲取所需功率，如圖2d所示。

圖2 供電母線設(shè)計方案Fig.2 Design Scheme of Power Suррly Вus

對于方案a，DC28V供電體制可以很好地滿足儀器設(shè)備、火工品、電磁閥的用電需求，且負(fù)載端DC/DC、點火電路、線圈等不需要更改狀態(tài)，技術(shù)狀態(tài)成熟可靠，且單母線體制維護(hù)管理簡單；但對于大功率用電負(fù)載都從母線上取電，因此母線上將產(chǎn)生千安級電流，對于輸入端的電池設(shè)計、供電線路的設(shè)計都帶來巨大困難。

對于方案b，采用高壓電池提供直流高壓，可以大大降低大功率負(fù)載產(chǎn)生的母線電流，相關(guān)高壓電池技術(shù)相對成熟，也可以較好地滿足大功率用電負(fù)載的應(yīng)用需求，且單母線體制維護(hù)管理簡單，但儀器設(shè)備由于和大功率負(fù)載并聯(lián)在同一個母線上，大功率負(fù)載的啟動/斷電容易對儀器設(shè)備產(chǎn)生較強干擾，并且供電線路全部采用高壓傳輸，絕緣防護(hù)難度大。

對于方案c，分別由獨立電池提供多條電壓母線，用電負(fù)載各取所需，負(fù)載端不用再配置單獨的DC/DC變換設(shè)備，供電拓?fù)浜唵?，高壓母線和大功率負(fù)載可以就近布置，絕緣防護(hù)容易，但多母線造成電池數(shù)量較多，維護(hù)和管理難度大。

對于方案d，根據(jù)負(fù)載類型，分成了標(biāo)準(zhǔn)母線和高壓母線，標(biāo)準(zhǔn)母線采用DC28 V，為箭上儀器設(shè)備供電；高壓母線采用高壓直流滿足大功率用電負(fù)載的需求，不同用電設(shè)備通過自身的 DC/DC變換器從母線獲取功率，由于箭上火工品、電磁閥數(shù)量較多，分散較廣，因此采用統(tǒng)一的 DC/DC變換器從高壓母線上變換多28 V動力母線為火工品、電磁閥等瞬時脈沖負(fù)載供電，即解決了大功率供電在低壓下難以設(shè)計的問題，又滿足儀器母線穩(wěn)定性好的需求，電池數(shù)量較少，供電拓?fù)湎鄬唵巍?/p>

4種母線配置方案的對比分析見表2，可見直流高壓、DC28 V組成的高、低壓雙母線方案各項特性均衡，即可以很好地滿足型號各類負(fù)載需求，又滿足電纜網(wǎng)減重、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點，未來運載火箭能源系統(tǒng)優(yōu)選此方案作為論證方向。

表2 母線配置方案對比Tab.2 Comрarison of Вus Allocation Scheme

電源管理功能是未來運載火箭能源系統(tǒng)的核心功能，在地面測試過程中通過無線供電接口接收地面供電[6]，對箭上電池進(jìn)行充放電管理，同時對箭上負(fù)載供電。在飛行過程中，實現(xiàn)對負(fù)載狀態(tài)和電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對電池故障進(jìn)行重構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)級的冗余和智能管理，電源管理設(shè)備按綜合電子架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

對于28 V儀器母線，通過電源管理設(shè)備中的控制功能，實現(xiàn)對28 V標(biāo)準(zhǔn)電池充放電控制調(diào)節(jié)，形成穩(wěn)定的 28 V母線為負(fù)載進(jìn)行供電；高壓電池可以看作28 V儀器母線的負(fù)載，通過電源管理設(shè)備的控制功能，實現(xiàn)高壓電池的充放電管理，形成穩(wěn)定的高壓母線，為箭上大功率負(fù)載供電。

未來運載火箭的電源管理相比于傳統(tǒng)運載火箭的供配電功能，實現(xiàn)了由單純的供配電控制向具有一定智能化水平的電源管理發(fā)展，可以實時對火箭的負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)功率輸出，并在出現(xiàn)嚴(yán)重電池故障時，可以實現(xiàn)系統(tǒng)級的重構(gòu)，具有較高的可靠性和安全性。

2 供配電控制設(shè)計

2.1 國內(nèi)外發(fā)展情況

航空領(lǐng)域的供配電控制拓?fù)浣?jīng)歷了從常規(guī)配電、遙控配電到數(shù)字配電的發(fā)展過程。常規(guī)配電是指配電線全部引入座艙內(nèi)的中心配電裝置，二級配電中心或電氣負(fù)載從中心配電裝置獲得電能，這種配電系統(tǒng)的優(yōu)越性在于技術(shù)成熟，在小飛機上仍然應(yīng)用的非常廣泛，但其缺點是電網(wǎng)質(zhì)量大，操作人員負(fù)擔(dān)重。

遙控配電是指配電匯流條靠近用電設(shè)備，座艙內(nèi)只引入控制線，操作人員或通過主控器采用遙控方式控制配電系統(tǒng)中的功率開關(guān)設(shè)備。這種配電系統(tǒng)由于大部分電力線不需要敷設(shè)到主控設(shè)備，因而可大大減輕功率電網(wǎng)質(zhì)量，但其缺點是離散控制線過多，沒有電氣負(fù)載自動管理功能，由操控員手動管理，自動化程度不高。典型的如波音757、767，蘇-27、殲-8系列都采用了這種供配電架構(gòu)。

常規(guī)配電和遙控配電都是基于傳統(tǒng)電磁繼電器+熔斷器的配電控制組件，數(shù)字配電采用基于固態(tài)功率控制器（Solid State Power Controller，SSPC）的配電控制組件，克服了傳統(tǒng)的粗放式配電方式，多路傳輸配電系統(tǒng)取消了眾多的離散信號控制線，由計算機通過數(shù)據(jù)總線傳遞控制信號和狀態(tài)信號，通過檢測更多的配電系統(tǒng)信息實現(xiàn)配電系統(tǒng)的智能化管理。典型的如波音787、F22等新一代軍、民用飛機采用了這種供配電架構(gòu)。

中國現(xiàn)役運載火箭供配電系統(tǒng)目前采用繼電器作為配電執(zhí)行器件，地供繼電器一般放在地面配電控制組合中，完成在地面測試和發(fā)射準(zhǔn)備過程中的地面供電控制，發(fā)射時通過箭上配電器中的繼電器轉(zhuǎn)箭上電池供電。

2.2 供配電控制拓?fù)湓O(shè)計

在母線電壓和母線數(shù)量確定后，供配電控制方案解決箭地之間能量傳輸、箭地供電轉(zhuǎn)換控制、各供電支路的配電控制方式等問題。

按照未來運載火箭對能源系統(tǒng)的研制需求，借鑒航空領(lǐng)域的發(fā)展和成熟應(yīng)用經(jīng)驗，在繼承傳統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，考慮未來運載火箭電氣系統(tǒng)數(shù)字總線的全面應(yīng)用，供配電控制指令和測控信息可全部通過數(shù)字總線進(jìn)行傳輸，因此重點對配電控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出3種設(shè)計方案，見圖3。

a）方案1：如圖3a所示。沿用中國現(xiàn)役運載火箭配電控制拓?fù)?，由地面配電控制設(shè)備控制地供狀態(tài)上各支路的通斷狀態(tài)，箭上配電管理設(shè)備控制箭供通路的通斷狀態(tài)，該方案控制邏輯、產(chǎn)品狀態(tài)成熟，在箭上的一體化供配電的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)地面供配電設(shè)備的集成化、一體化；該方案優(yōu)點是箭上配電控制設(shè)備功能簡單，不足之處是箭地之間需要較多的供電支路，且各支路間需要做平衡壓降設(shè)計。

b）方案2：如圖3b所示。同方案1相比，將地供控制轉(zhuǎn)移到箭上，由箭上配電管理設(shè)備實現(xiàn)地供、箭供狀態(tài)下各支路的通斷控制。該方案優(yōu)點是箭地之間接口簡單，僅需要一路正、負(fù)功率母線。該方案不足之處在于，增加了箭上配電管理設(shè)備的復(fù)雜程度，增加了非飛行過程中需要的功能器件。

c）方案3：如圖3c所示。該方案方案2的基礎(chǔ)上，簡化箭上配電控制邏輯，由分支路的箭供控制變?yōu)橥ㄟ^對母線的統(tǒng)一控制，優(yōu)點是箭上配電控制設(shè)備得到簡化，不足之處是母線控制開關(guān)需承受較大的電流，對器件本身及散熱有較高的要求。

圖3 供配電控制拓?fù)浞桨窮ig.3 Power Suррly and Distribution Control Toрology Scheme

續(xù)圖3

綜合上述分析，從簡化箭地接口，提高設(shè)備一體化、集成化程度上來看，未來運載火箭供配電控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)選方案3作為論證方向。

2.3 電池的選用

鋰離子電池是目前應(yīng)用的比能量最高的化學(xué)電源，具有較好的循環(huán)壽命[7]，在近年的研究和發(fā)展中鋰離子電池的能量密度、功率密度以及安全性都得到了很大程度的提升[8]。未來運載火箭可采用鋰離子電池作為主電池。

3 可靠性安全性論證

未來運載火箭能源系統(tǒng)由于采用了高壓直流供電體制，相對于傳統(tǒng)的28 V安全電壓，必須對測試、使用過程中的安全性采取足夠的保障措施，能源系統(tǒng)高壓直流供電采用的安全性設(shè)計手段包括：

a）采用懸浮體制，即兩根正、負(fù)導(dǎo)線對地懸浮，若人體意外接觸其中一根導(dǎo)線或電池端子時，雖然可能會存在一定的容性電流，但該電流極小，不足以對人體造成傷害，更重要的是，電流不能通過大地形成回路，可以避免在人體產(chǎn)生持續(xù)電流進(jìn)而觸電。

b）高壓母線采用對地懸浮體制，當(dāng)某處線路出現(xiàn)絕緣降低或接地故障后，會出現(xiàn)一定的接地電流，如果有人接觸了另一極電路或電池端子，將造成電擊事故，因此，高壓母線上配置絕緣保護(hù)裝置，對母線的絕緣情況進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)漏電問題時及時發(fā)出警告，必要時切斷故障電路。

c）高壓配電保護(hù)模塊采用基于SSPC固態(tài)功率控制技術(shù)[9]，總體結(jié)構(gòu)與28 V固態(tài)配電保護(hù)模塊基本一致，但增加了輔助功率管，如圖4所示，可以起到泄漏箝位與保護(hù)的作用，實現(xiàn)的原理如圖5所示。

圖4 高壓配電模塊Fig.4 High Voltage Power Distribution Module

圖5 高壓配電保護(hù)電路原理Fig.5 Princiрle of High Voltage Power Distribution Protecting Circuit

1）在主SSPC關(guān)斷的狀態(tài)下，功率回路中仍然會有少量的漏電流存在，當(dāng)負(fù)載呈現(xiàn)一定的容性時，長時間關(guān)斷狀態(tài)下，漏電流將會在負(fù)載上累積一定的電壓。如果該電壓大于安全電壓，會產(chǎn)生安全危害，因此必須對功率輸出端進(jìn)行箝位。當(dāng)漏電流產(chǎn)生的功率輸出端的電壓超過安全電壓時，泄漏箝位電路使輔助功率管開通，使功率輸出端的電壓維持在安全電壓以下。

2）固態(tài)功率控制器件接阻容性負(fù)載關(guān)斷瞬間，如圖5a所示，泄漏箝位電路也將使輔助功率管開通從而形成快速放電回路，使負(fù)載電壓快速下降。

3）固態(tài)功率控制器件接阻感性負(fù)載關(guān)斷時，如圖5b所示，將在電感兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓和高電壓同極性加在主功率管兩端，如果感應(yīng)電壓很大，將會損壞主功率管。而輔助功率管內(nèi)部寄生的反并聯(lián)二極管則為關(guān)斷瞬間的阻感性負(fù)載提供了電流續(xù)流回路，起到保護(hù)主電路的作用。

4 結(jié) 論

新型運載火箭對電池進(jìn)行充放電管理，實現(xiàn)在線的智能程序化管理將是電源系統(tǒng)未來發(fā)展的重要方向；通過新型數(shù)字式配電管理技術(shù)，在配電環(huán)節(jié)對關(guān)鍵狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，結(jié)合數(shù)據(jù)總線，實現(xiàn)電源系統(tǒng)的智能配電和負(fù)載自動管理技術(shù)，對負(fù)載故障進(jìn)行隔離，防止故障漫延，通過專家系統(tǒng)實現(xiàn)電源系統(tǒng)的健康管理和故障預(yù)測將是電源智能化控制的重要發(fā)展趨勢。

本文對未來新型運載火箭能源系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，對基于高低壓混合母線架構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了研究，其各部段內(nèi)能源集中管理，統(tǒng)一配電的設(shè)計思想，具有較高的安全可靠性，體現(xiàn)了智慧火箭的設(shè)計思路，為未來運載火箭能源系統(tǒng)設(shè)計提供了方向。