張 強(qiáng)， 孔陳杰， 王學(xué)良， 馬力君

(1.中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海201210；2.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海201210；3.中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

上面級是在基礎(chǔ)級運(yùn)載火箭上增加的相對獨(dú)立的一級或多級，其具有獨(dú)立控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等[1-2]。采用基于上面級的空間運(yùn)輸系統(tǒng)完成軌道轉(zhuǎn)移和定軌的發(fā)射任務(wù)，能夠大幅縮減推進(jìn)劑的攜帶質(zhì)量，對降低衛(wèi)星成本、提高有效載荷的質(zhì)量比等方面具有重要意義。隨著“一箭多星”等航天發(fā)射需求的不斷增加，針對采用一箭雙星、直接入軌發(fā)射方式的中高軌大功率衛(wèi)星，本文通過對星箭接口的匹配性進(jìn)行研究，提出了一種“一箭雙星”星箭接口的設(shè)計(jì)方法，并通過地面模擬實(shí)驗(yàn)和在軌數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了星箭接口設(shè)計(jì)的正確性，可為后續(xù)一箭多星發(fā)射任務(wù)的星箭接口設(shè)計(jì)提供參考。

1 衛(wèi)星能源約束條件

隨著載人航天、北斗導(dǎo)航以及大型低軌衛(wèi)星星座等空間應(yīng)用需求的不斷發(fā)展，一箭多星發(fā)射是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星快速組網(wǎng)，降低發(fā)射成本的有效手段[3]。目前，中高軌衛(wèi)星一般采用太陽電池陣-蓄電池組聯(lián)合供電的全調(diào)節(jié)母線電源控制系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)主要受發(fā)射窗口、飛行程序、姿態(tài)控制以及軌道參數(shù)等因素制約。對于采用一箭雙星、上面級直接入軌的發(fā)射任務(wù)，考慮到上面級在長時間主動段飛行過程中，衛(wèi)星由上面級供電，正常情況下，上面級母線輸出電壓高于星內(nèi)母線調(diào)節(jié)電壓，此時衛(wèi)星電源控制器內(nèi)部分流調(diào)節(jié)模塊(S3R)、充電控制模塊(BCR)和放電調(diào)節(jié)模塊(BDR)均處于待命狀態(tài)。衛(wèi)星星箭分離后或上面級供電電壓低于星內(nèi)母線電壓時，星內(nèi)鋰離子蓄電池組通過電源控制器內(nèi)部的放電調(diào)節(jié)器輸出功率以穩(wěn)定母線。由于上述影響衛(wèi)星電源輸出系統(tǒng)的因素存在，要求衛(wèi)星嚴(yán)格按照飛行程序中的規(guī)定進(jìn)行工作，并對電源系統(tǒng)進(jìn)行功率適應(yīng)性分析，確保系統(tǒng)的能源平衡且有足夠的設(shè)計(jì)裕度。

一箭雙星、上面級直接入軌衛(wèi)星的星箭接口，其設(shè)計(jì)主要包括3 方面：(1)衛(wèi)星和運(yùn)載上面級大系統(tǒng)之間的機(jī)械接口匹配性問題，設(shè)計(jì)時衛(wèi)星和上面級支架應(yīng)有良好的搭接；(2)上面級供電品質(zhì)和衛(wèi)星供電的安全性問題，避免由于兩系統(tǒng)之間電接口的不匹配，以及衛(wèi)星和大系統(tǒng)之間供電耦合部分的安全性問題，導(dǎo)致因供電方式和負(fù)載的變化引起母線電壓的劇烈波動；(3)上面級供電裕度問題，設(shè)計(jì)時應(yīng)對上面級電源的供電能力提出約束，確保衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道的使用要求，避免衛(wèi)星隨上面級飛行過程中，上面級和星上蓄電池組聯(lián)合供電或星上蓄電池組單獨(dú)供電而導(dǎo)致由于蓄電池組電量過低不能保證星箭分離后火工品正常起爆，影響太陽帆板展開。

1.1 供電品質(zhì)、供電安全

衛(wèi)星的供電品質(zhì)評價主要包括母線紋波電壓、母線輸出阻抗、母線電壓的瞬變特性以及穩(wěn)定特性等，而母線電壓的瞬變特性是反應(yīng)衛(wèi)星電源系統(tǒng)供電品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。母線電壓的瞬變特性主要是指母線供電方式的轉(zhuǎn)換和負(fù)載的部分改變或全部改變導(dǎo)致母線電壓發(fā)生波動。在突變響應(yīng)期間，電源的輸出電壓會出現(xiàn)瞬間的過沖，計(jì)算機(jī)和微電子電路易受到其影響。良好的設(shè)計(jì)可限制和抑制電壓的波動時間，避免系統(tǒng)形成不穩(wěn)定狀態(tài)。一般要求當(dāng)電源切換或大功率負(fù)載通斷的瞬間，在電源母線上的下凹和上跳，在10 ms 內(nèi)不超過額定電壓的0.25 倍[4]。

由于衛(wèi)星在全壽命周期經(jīng)歷多次內(nèi)外電切換，負(fù)載設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)也有所不同，期間衛(wèi)星處于不同的熱環(huán)境中，星上會自主對部分加熱器和設(shè)備進(jìn)行加斷電，這就導(dǎo)致衛(wèi)星的母線電壓和負(fù)載電流有所變化。因此，全壽命過程中，需重點(diǎn)關(guān)注供電切換和負(fù)載變化過程中母線電壓下凹和上跳的幅度和響應(yīng)時間，確保母線電壓的瞬變不會造成星上其他設(shè)備的斷電。

通常衛(wèi)星的一次電源回線統(tǒng)一從電源控制器端就近與整星結(jié)構(gòu)相連，由于多星共同安裝在上面級支架上，則會造成多星供電電流回線通過衛(wèi)星支架共地，設(shè)計(jì)時應(yīng)著重加強(qiáng)供電通路的可靠性設(shè)計(jì)，避免由于供電端的耦合特性因負(fù)載的不一致和加斷電順序的不同時，導(dǎo)致產(chǎn)生的潛通電流，確保其不會對供電安全和遙測采集的準(zhǔn)確性造成影響。

1.2 供電裕度原則

衛(wèi)星從運(yùn)載火箭點(diǎn)火到壽命末期衛(wèi)星推離軌位，由于各分系統(tǒng)的限制，要求在某些特定的軌道段，衛(wèi)星須按照一定的工作模式開展工作。根據(jù)衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)，衛(wèi)星發(fā)射飛行主要包括臨射段、上升段、姿態(tài)軌道建立段、在軌測試段、在軌運(yùn)行段等階段，期間衛(wèi)星的供電時序和上面級飛行期間單顆衛(wèi)星的負(fù)載需求如圖1～2 所示。

臨射段，衛(wèi)星帆板處于收攏狀態(tài)，雙星通過衛(wèi)星適配器與上面級對接安裝，發(fā)射前，由衛(wèi)星地面方陣模擬器通過地面脫落插頭給衛(wèi)星供電，衛(wèi)星進(jìn)行起飛狀態(tài)設(shè)置?？紤]到處理脫落插頭和人員撤離等操作，在衛(wèi)星發(fā)射前2 個小時，衛(wèi)星方塔架操作人員斷開地面脫落插頭，衛(wèi)星由地面方陣模擬器供電轉(zhuǎn)為星內(nèi)蓄電池組供電，衛(wèi)星方確認(rèn)衛(wèi)星轉(zhuǎn)內(nèi)電正常后；通知運(yùn)載發(fā)送指令，閉合上面級給衛(wèi)星供電開關(guān)，轉(zhuǎn)為上面級對衛(wèi)星供電。

圖1 衛(wèi)星供電時序

圖2 單顆衛(wèi)星的負(fù)載需求

上升段，雙星與組合體一起飛行約4 h，在此期間，帆板未展開，太陽電池陣仍處于收攏狀態(tài)，只有暴露于太陽電池外側(cè)的雙星外板，隨上面級自旋而間隔對應(yīng)有太陽光照射，能產(chǎn)生一部分功能功率。此時，上面級母線輸出電壓高于星內(nèi)母線的調(diào)控電壓，衛(wèi)星母線電壓被鉗位，衛(wèi)星用電由上面級電源提供，太陽電池陣產(chǎn)生的電源被直接分流掉。

入軌后，依照飛行程序，衛(wèi)星與上面級分離前30 s 內(nèi)，程控?cái)嚅_上面級供電開關(guān)，衛(wèi)星轉(zhuǎn)為內(nèi)部蓄電池供電。以衛(wèi)星與運(yùn)載上面級分離時刻t 作為衛(wèi)星初始入軌的起始時間，衛(wèi)星在t+11 分～t+20 分執(zhí)行對日定向操作，太陽帆板在t+24 分程控展開并對日定向操作，若程控未能執(zhí)行，則在t+40 分時刻強(qiáng)制展開，展開后雙星帆板歸零位等操作約需5～10 min。由于帆板展開是影響衛(wèi)星成敗的關(guān)鍵工作，因此需考慮適當(dāng)余量，在t 時刻衛(wèi)星與運(yùn)載上面級分離后，至少需要50 min 光照時間，且衛(wèi)星隨上面級飛行過程中，避免因上面級和衛(wèi)星聯(lián)合供電，導(dǎo)致衛(wèi)星鋰離子蓄電池組電量過低而不能保證星箭分離后火工品的正常起爆，影響太陽帆板展開。

2 一箭雙星星箭接口設(shè)計(jì)

2.1 星箭接口設(shè)計(jì)

上面級位于運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)部，其主結(jié)構(gòu)由衛(wèi)星分配器、儀器艙、上面級支架等組成[5]。發(fā)射前，衛(wèi)星在整流罩內(nèi)通過衛(wèi)星分配器與上面級對接安裝，衛(wèi)星與上面級接口主要是通過安裝在上面級衛(wèi)星分配器的星箭臍帶電纜和星箭分離面上的行程開關(guān)組成[6]。單星星箭電纜設(shè)計(jì)和一箭雙星星-上面級、星-地面接口關(guān)系如圖3～4 所示。衛(wèi)星星-上面級、地面之間的電纜包括供電電纜、信號電纜。脫落插頭選用八二五廠的YF5-127Z/TD 插頭；衛(wèi)星支架與雙星分配器工藝分離面分離連接器選用YF8-64Z/TD。衛(wèi)星地面脫落插座固定至上面級支架，通過脫落連接器形成衛(wèi)星與地面測試設(shè)備的有線接口。綜合測試系統(tǒng)的有線控制前端主要包括：模擬太陽電池陣、恒壓源、前端機(jī)(相關(guān)板卡)等，通過電纜形成地檢設(shè)備對衛(wèi)星的供電接口、有線指令接口、有線參數(shù)的監(jiān)測和上下行遙測遙控?cái)?shù)據(jù)流接口。在星箭電纜設(shè)計(jì)時，考慮到火工品橋絲的安全性設(shè)計(jì)，增加火工品星表插頭，對其進(jìn)行射前保護(hù)，將火工品橋絲A/B 功率輸出接口分別轉(zhuǎn)接至星表1、4、5 插頭，轉(zhuǎn)移塔架前將星表1、4 更換為飛行插頭，并通過脫落插座引出的星表5 將橋絲A、B 進(jìn)行短路保護(hù)，可確保塔架測試和操作時，避免因誤指令和靜電引起火工品起爆的誤觸發(fā)，簡化了塔架工藝操作流程。上面級通過星表分離插頭YF8-64Z/TD 為衛(wèi)星供電，上面級提供衛(wèi)星與上面級分離連接器的分離指令與電源，通過在分離連接器上的分離信號檢測點(diǎn)的通斷來判斷上面級是否與衛(wèi)星正常分離。根據(jù)上面級線纜通路阻值的極端情況進(jìn)行分析計(jì)算，衛(wèi)星分離插頭脫落控制通路線纜阻值RMax=422 mΩ，最小分離電流為4.04 A，滿足電分離的I分離≥3 A 的要求，能夠確保上面級分離插頭正常電分離。衛(wèi)星端，在衛(wèi)星和上面級適配器之間的對稱位置安裝2 個型號為4KX-2A 的行程開關(guān)，為衛(wèi)星提供星-上面級的分離信號。星載軟件利用它判斷是否啟動應(yīng)用進(jìn)程，并利用星-上面級分離信號的時間點(diǎn)進(jìn)行軌道的推算。行程開關(guān)有4 組觸點(diǎn)，為增強(qiáng)行程開關(guān)工作的可靠安全性，將兩個行程開關(guān)設(shè)計(jì)采用并聯(lián)連接的方式，每個行程開關(guān)的4 對常開觸點(diǎn)采用兩串兩并的連接方式。星-上面級未分離時，行程開關(guān)處于壓緊狀態(tài)，則兩個行程開關(guān)均處于閉合狀態(tài)，星載計(jì)算機(jī)此時接收的信號為低電平狀態(tài)；一旦衛(wèi)星與上面級分離，兩個行程開關(guān)同時處于松開狀態(tài)，則對應(yīng)行程開關(guān)的常開觸點(diǎn)就會恢復(fù)為常開狀態(tài)，星載計(jì)算機(jī)采集的星-上面級分離信號則變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)。為了整星的可靠性，星載計(jì)算機(jī)的分離狀態(tài)可以通過測控上注設(shè)置。

圖3 單星星箭電纜設(shè)計(jì)框圖

圖4 上面級、衛(wèi)星和地面接口關(guān)系框圖

雙星狀態(tài)下，上面級與衛(wèi)星1 和衛(wèi)星2 供地，衛(wèi)星與上面級支架接觸電阻應(yīng)具有良好搭接，在發(fā)射場星-上面級支架機(jī)械對接時測量搭接電阻，其搭接電阻應(yīng)不大于10 mΩ，避免上面級、衛(wèi)星1 和衛(wèi)星2 存在較大電勢差。

2.2 衛(wèi)星的供配電接口設(shè)計(jì)

不同于傳統(tǒng)的衛(wèi)星發(fā)射方式，導(dǎo)航衛(wèi)星在發(fā)射后需隨運(yùn)載上面級運(yùn)行約4 個小時，整個過程中由上面級統(tǒng)一供電?？紤]到技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)成本等因素，衛(wèi)星采用的太陽電池-鋰離子蓄電池聯(lián)合供電的電源系統(tǒng)，其中電源控制器由2 個分流調(diào)節(jié)模塊(12 級分流電路)、6 個充放電調(diào)節(jié)模塊、2 個遙測遙控模塊和1 個蓄電池接入模塊組成。電源控制器采用了模塊化設(shè)計(jì)，整機(jī)模塊之間的互連采用了柔性電路板。柔性電路板的設(shè)計(jì)提高了信號傳輸?shù)目煽啃?，減輕了整機(jī)的質(zhì)量。采用母線匯流技術(shù)，匯流條延伸到模塊內(nèi)部，更利于減重、體積緊湊，利于功率載體的散熱。在電路設(shè)計(jì)上電源系統(tǒng)采用三域全調(diào)節(jié)控制方式，通過主誤差放大器(MEA)協(xié)調(diào)各模塊對能源實(shí)施調(diào)節(jié)和控制，并針對全溫度范圍內(nèi)對基準(zhǔn)及補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保了在衛(wèi)星全壽命周期、全溫度范圍(-37～+72 ℃)內(nèi)可以提供一條全調(diào)節(jié)、高精度母線，能夠保證母線電壓無論在光照期或陰影期母線電壓始終穩(wěn)定在(42±0.2)V[7]。

為確保上面級供電期間，衛(wèi)星的電源系統(tǒng)不參與調(diào)節(jié)以及星內(nèi)單機(jī)的安全電壓限制，則要求隨上面級飛行階段，上面級衛(wèi)星供電端電壓設(shè)計(jì)為43～45 V，單星負(fù)載在100～600 W范圍內(nèi)變化。當(dāng)負(fù)載過大，單星功率超過600 W 時，上面級輸出電壓下降至衛(wèi)星的母線電壓，衛(wèi)星和上面級聯(lián)合供電，星內(nèi)蓄電池通過電源控制器內(nèi)部的放電調(diào)節(jié)器輸出功率以穩(wěn)定母線。上面級飛行過程中，衛(wèi)星的主要工作負(fù)載為加熱器，給整星及單機(jī)進(jìn)行加熱。主配電器負(fù)責(zé)平臺單機(jī)的供配電，輔配電器負(fù)責(zé)加熱器的控制和載荷單機(jī)的供配電，因此在與上面級的接口設(shè)計(jì)中，將載荷艙的輔配電器作為供電輸入接口，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的統(tǒng)一供配電，這樣有利于整星的熱源匹配和避免載荷艙溫度過低。雙星供配電如圖5 所示：運(yùn)載上面級統(tǒng)一給衛(wèi)星1 和衛(wèi)星2 供電，加斷電控制通過繼電器1 和2 獨(dú)立控制，上面級供電輸入口經(jīng)由輔配電器接入至母線端，為整星負(fù)載供配電。為了保證上面級與衛(wèi)星接口的安全性和可靠性，確保供電電源不會發(fā)生電流倒灌故障，在上面級正端輸入接口增加隔離二極管。上面級工作電流最大約為14 A，選用二極管型號為2DK30100，該型號二極管最大可通過電流為30 A，壓降為0.65～0.78 V。在滿足器件一級降額的條件下，依照工藝實(shí)施方案，選用3 個該型號二極管并聯(lián)。

圖5 一箭雙星上面級供電拓?fù)鋱D

3 一箭雙星上面級供電接口驗(yàn)證

按照飛行程序，以一箭雙星上面級直接入軌的實(shí)際飛行情況為例，對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 地面模擬上面級雙星供電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過地面模擬上面級雙星供電實(shí)驗(yàn)，檢查電源系統(tǒng)內(nèi)部各單元之間、電源系統(tǒng)與上面級供電接口是否正確，驗(yàn)證雙星不同工作模式和不同負(fù)載情況下，雙星母線電壓的瞬變特性。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，由圖6(a)可知，單星在6 A 負(fù)載下衛(wèi)星1 轉(zhuǎn)上面級供電，上面級加電瞬間，由于上面級供電電壓高于衛(wèi)星1 電源調(diào)節(jié)電壓，此時衛(wèi)星1 電源不再調(diào)節(jié)輸出，母線由42.08 V躍變至43.90 V,上面級供給M1 的一部分電流會通過支架、M2 星結(jié)構(gòu)和內(nèi)部功率回線、上面級電纜負(fù)線流回上面級供電負(fù)線。由圖6(b)可知，衛(wèi)星2 仍由星內(nèi)蓄電池供電，負(fù)載0 A 時，衛(wèi) 星1 向衛(wèi)星2 產(chǎn)生約1 A 地電流，衛(wèi) 星2 負(fù)載6 A 下，轉(zhuǎn)上面級供電正常，衛(wèi)星2 母線電壓由42 V 躍變至43.8 V，持續(xù)時間小于5 ms，地電流恢復(fù)至0 A。調(diào)整單星負(fù)載模式，使其功率不超過600 W，此時衛(wèi)星仍由上面級電源供電，衛(wèi)星電源控制器內(nèi)部S3R 模塊、BCR 模塊和BDR 模塊均處于待命狀態(tài)。由圖6(c)、(d)可知，負(fù)載14 A 下，衛(wèi)星1 上面級斷電瞬間母線電壓由42.5 V 變化到38.3 V，躍變約4.2 V，持續(xù)時間小于5 ms，衛(wèi)星2 上面級斷電瞬間母線電壓由42.40 V 變化到38.16 V，躍變約4.24 V，持續(xù)時間小于5 ms。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙星狀態(tài)下，衛(wèi)星母線電壓穩(wěn)定，由于供電端的耦合特性，雙星在上面級加、斷電操作不同步和負(fù)載不一致的情況下，具有一定的淺通路電流，因此，在上面級正式對接過程中應(yīng)注意控制雙星負(fù)載的一致性。

圖6 不同負(fù)載下雙星母線電壓和潛通路電流

3.2 在軌實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以一箭雙星上面級直接入軌的實(shí)際飛行情況為例，臨射前，衛(wèi)星負(fù)載為一恒功率負(fù)載，母線電壓為一直線，在雙星與組合體一起飛行過程中，衛(wèi)星帆板未展開，雙星外板隨上面級自旋而間隔對應(yīng)有太陽光照射到外板上，其光強(qiáng)根據(jù)相應(yīng)整星姿態(tài)按近半正弦函數(shù)規(guī)律變化，母線電壓隨負(fù)載變化自主調(diào)節(jié)，雙星與上面級分離后M21 星負(fù)載電流為12.61 A，母線電壓為42.22 V；M22 星負(fù)載電流為12.87 A，母線電壓為42.24 V。帆板展開對日定向后，雙星母線電壓穩(wěn)定，M21 星帆板+Y/-Y 電流分別為35.42 A/35.21 A，M22 星帆板+Y/-Y電流分別為35.73 A/35.57 A。此時對應(yīng)的雙星方陣輸出電流變化情況和雙星母線電壓如圖7 和圖8 所示。

圖7 雙星隨上面級飛行過程雙翼輸出電流

圖8 雙星母線電壓

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙星狀態(tài)下，衛(wèi)星供電切換和負(fù)載變化過程中衛(wèi)星母線電壓穩(wěn)定，瞬態(tài)響應(yīng)快，能夠?qū)崿F(xiàn)能源平衡,滿足任務(wù)要求。

4 結(jié)論

本文以“一箭雙星”直接入軌的中、高軌衛(wèi)星作為研究對象，根據(jù)衛(wèi)星的能源約束條件和一箭雙星的衛(wèi)星供電需求，提出了一箭雙星供電接口的設(shè)計(jì)，通過地面模擬實(shí)驗(yàn)和在軌實(shí)驗(yàn)對一箭雙星的星箭接口進(jìn)行匹配性分析，驗(yàn)證了衛(wèi)星電源系統(tǒng)的電源品質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了瞬態(tài)響應(yīng)快、電源穩(wěn)定和紋波小的要求，該方案已多次成功應(yīng)用在某高軌批產(chǎn)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)中，可為其他航天型號的設(shè)計(jì)提供參考。