南洪濤，劉宏泰，王林濤

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

國(guó)際空間站采用160 V 的供電母線高壓供電[1]，優(yōu)點(diǎn)在于一方面減少了導(dǎo)線上的功率損失，另一方面減輕了供電導(dǎo)線的重量。我國(guó)選用100 V 以上電壓作為一次母線的航天器發(fā)展較晚，對(duì)母線的安全性設(shè)計(jì)及控制缺少經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范，尤其在載人航天領(lǐng)域，高壓供電的安全性設(shè)計(jì)及控制要求顯得更為迫切和重要。

本文的目的在于通過(guò)分析和總結(jié)我國(guó)載人航天器100 V 高壓安全設(shè)計(jì)及實(shí)踐情況，證明這種高壓安全設(shè)計(jì)合理、可靠、安全，可作為載人航天型 號(hào)高壓安全設(shè)計(jì)及控制的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)我國(guó)后續(xù)空間站工程也具有重要的借鑒意義。

1 供配電系統(tǒng)構(gòu)成

高壓體制的載人航天器供電系統(tǒng)由太陽(yáng)電池陣、蓄電池、母線調(diào)節(jié)設(shè)備以及配電器組成。由于載人航天器功率高、艙體大、不同供電電壓負(fù)載分布較分散，載人航天器配電體系采用了區(qū)域配電方式，形成了區(qū)域隔離二次母線，以防止二次母線上單臺(tái)設(shè)備故障影響一次母線和其他區(qū)域二次母線的安全，如圖1所示。

圖1 載人航天器供配電系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the power supply system for manned spacecraft

對(duì)于采用100 V 高壓供電的載人航天器，其安全性設(shè)計(jì)及控制主要存在以下難點(diǎn)：

1）供電安全的環(huán)節(jié)多、范圍廣，從發(fā)電裝置到連接裝置，再到轉(zhuǎn)換裝置，最后傳輸?shù)截?fù)載，這 一系列過(guò)程都涉及安全性及可靠性的內(nèi)容[2]。

2）如果高電壓串入低壓設(shè)備會(huì)導(dǎo)致故障蔓延，對(duì)于關(guān)鍵負(fù)載，供電故障將會(huì)影響任務(wù)成敗。

3）由于直流電壓已經(jīng)超出了人體的安全電壓范圍，載人航天器的高壓設(shè)計(jì)尤其需要保證在軌飛行和地面測(cè)試過(guò)程中人員的安全。

為解決上述難點(diǎn)，從系統(tǒng)的角度制定了一套包含供電、配電和人員的高壓安全設(shè)計(jì)及控制規(guī)范。

2 設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

根據(jù)供電功率傳遞鏈路，可以將載人航天器高壓系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)分為高壓供電安全、高壓配電安全和人員高壓防護(hù)安全3 部分。

2.1 高壓供電安全設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

載人航天器高壓供電安全設(shè)計(jì)主要涉及環(huán)境引起艙外裸露太陽(yáng)電池陣高壓放電防護(hù)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)高壓傳輸設(shè)計(jì)、氫鎳電池高壓絕緣設(shè)計(jì)以及高壓供電電路和供電接口安全性設(shè)計(jì)。

2.1.1 太陽(yáng)電池陣高壓放電防護(hù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

載人航天器飛行軌道為低地球軌道，此軌道等離子體密度比地球同步軌道大5～6 個(gè)數(shù)量級(jí)[3]。處于此環(huán)境條件下，高壓太陽(yáng)電池陣易發(fā)生電流泄漏、二次放電現(xiàn)象[4]，造成功率損失和太陽(yáng)電池板短路故障。

太陽(yáng)電池陣的高壓防護(hù)設(shè)計(jì)包括半剛性基板設(shè)計(jì)和電池電路設(shè)計(jì)。

1）半剛性基板設(shè)計(jì)

太陽(yáng)電池板的半剛性基板為碳纖維框架網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，與剛性基板的結(jié)構(gòu)不同，網(wǎng)格由浸膠的玻璃纖維編織而成。玻璃纖維網(wǎng)的絕緣性能可以有效解決高壓二次放電問(wèn)題，同時(shí)避免剛性基板太陽(yáng)電池電路永久性短路現(xiàn)象的發(fā)生。

2）電池電路設(shè)計(jì)

① 將暴露在等離子體環(huán)境中的導(dǎo)電體-絕緣體結(jié)合處進(jìn)行完全的隔離，可以有效降低一次放電和二次放電的概率；

② 電池模塊之間的電連接采用表面涂膠的方式，實(shí)現(xiàn)裸露的金屬部分與等離子體環(huán)境的隔離；

③ 將在太陽(yáng)電池模塊中的材料進(jìn)行充分的除氣，避免揮發(fā)成分在軌期間形成局部高密度的等離子體；

④ 使相鄰電池串的電壓低于發(fā)生二次放電事件的閾值電壓，避免持續(xù)放電；

⑤ 控制單串電池電路的電流，可以有效提高二次放電事件的電壓閾值。

3）電池板的在軌驗(yàn)證情況

經(jīng)過(guò)載人航天器在軌飛行驗(yàn)證，半剛性太陽(yáng)電池陣在軌可靠地提供了供電能源并為電池補(bǔ)充了足夠能量，在軌未出現(xiàn)太陽(yáng)電池板二次放電及電池電路短路現(xiàn)象。充分驗(yàn)證了等離子體環(huán)境靜電放電防護(hù)等安全性措施的有效性。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)高壓安全措施

載人航天器設(shè)置有左、右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)滑環(huán)以及電纜實(shí)現(xiàn)功率的傳輸，將艙外太陽(yáng)電池陣上的供電陣和充電陣功率傳輸至艙內(nèi)。對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的高壓安全性設(shè)計(jì)及控制措施如下。

對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)高壓傳輸間隙控制包括：

1）加大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)環(huán)間絕緣間距，保證絕緣層厚度；

2）使滑環(huán)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)金屬導(dǎo)電表面保持一定的距離，各電刷到導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)金屬導(dǎo)電表面保持一定的距離，每個(gè)相鄰環(huán)之間的刷絲錯(cuò)開(kāi)一定角度分布，以確保相鄰裸露部分的間隔；

3）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)滑環(huán)上正線與負(fù)線分開(kāi)布置，并且間隔1 個(gè)空環(huán)，可以保證即使出現(xiàn)跳環(huán)現(xiàn)象，也不會(huì)導(dǎo)致跳環(huán)所在單個(gè)分陣正負(fù)極之間短路；

4）滑環(huán)按照功率正相鄰、功率負(fù)相鄰進(jìn)行布置，避免出現(xiàn)相鄰滑環(huán)之間高電位差的情況。

此外，對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的未使用環(huán)以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與艙體之間進(jìn)行高阻接地，當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)短路情況時(shí)，使得回路電流很小，以避免短路故障的擴(kuò)散。

2.1.3 蓄電池組高壓安全措施

載人航天器蓄電池組作為儲(chǔ)能元件，其工作電壓為60～90 V，對(duì)其高壓安全性設(shè)計(jì)及控制措施如下：

1）單體電池直筒段貼有聚酰亞胺膜，同時(shí)采用真空灌膠方式，防止單體與袖套間出現(xiàn)氣泡，保證單體和袖套的絕緣，且單體殼體與袖套、極柱絕緣電阻均大于100 M?；

2）氫鎳電池單體正負(fù)極柱涂絕緣膠，電極極柱之間的連接片采用絕緣套筒保護(hù)；

3）蓄電池組與航天器結(jié)構(gòu)之間貼有兩層聚酰亞胺膜，并通過(guò)高阻與結(jié)構(gòu)地連接，防止電池與結(jié)構(gòu)短路。

2.1.4 高壓供電電路安全措施

為保證載人航天器供電系統(tǒng)的母線安全，對(duì)涉及高壓供電電路的安全性設(shè)計(jì)及控制措施如下：

1）分流調(diào)節(jié)器及放電調(diào)節(jié)器的功率輸出端增加二極管進(jìn)行隔離；

2）高壓的繼電器線包供電端增加二極管進(jìn)行隔離；

3）對(duì)于控制高壓的繼電器不使用輔助觸點(diǎn)；

4）對(duì)于電容陣，采用電容與熔斷絲串聯(lián)的方

式，防止電容短路引起母線短路；

5）母線電壓、電池組電壓、電池模塊電壓等相關(guān)的高壓采樣電路，采用2 個(gè)電阻并聯(lián)形式組成分壓接地電路，防止其中一個(gè)電阻斷路時(shí)將高壓引入遙測(cè)采集單機(jī)。

2.1.5 脫插高壓接口放電防護(hù)設(shè)計(jì)措施

脫插電連接器設(shè)置在航天器外表面，用于接收地面高壓供電電源，包括地面穩(wěn)壓供電和地面應(yīng)急充電。為避免航天器在軌飛行期間艙內(nèi)高壓串入到暴露在空間環(huán)境中的脫插高壓接口上，引起高壓等離子體放電，采取以下措施：

1）航天器接收地面穩(wěn)壓供電的輸入端設(shè)置繼電器進(jìn)行通斷控制，在發(fā)射塔架航天器轉(zhuǎn)入器上蓄電池供電后將此繼電器斷開(kāi)，使得航天器在軌飛行過(guò)程中艙內(nèi)高壓無(wú)法串入到脫插高壓接口上；

2）航天器接收地面充電的輸入端采用二極管隔離，避免在軌飛行過(guò)程中艙內(nèi)高壓串入到脫插高壓接口上。

2.2 高壓配電安全設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

載人航天器高壓配電安全設(shè)計(jì)主要涉及配電單元的DC/DC 變換器及電纜網(wǎng)高壓安全設(shè)計(jì)。

2.2.1 DC/DC 變換器高壓安全設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

為保護(hù)載人航天器高壓母線，應(yīng)對(duì)配電器的輸入、輸出進(jìn)行故障隔離設(shè)計(jì)，具體控制措施如下。

1）配電器保護(hù)輸入電源母線功能設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

載人航天器配電器的模塊電源輸入端均設(shè)有短路保護(hù)電路[5]，模塊電源分別采用兩類雙重保護(hù)電路：一類采取熔斷器保護(hù)與輸入截流保護(hù)電路相結(jié)合的方式；另一類采取熔斷器保護(hù)與輸入限流保 護(hù)電路相結(jié)合的方式。這些變換器的輸入保護(hù)功能能夠確保在配電器故障下一次電源母線的安全。保護(hù)電路的基本原理為：在輸入端發(fā)生短路時(shí)，電流采樣電阻會(huì)產(chǎn)生較大的電壓，通過(guò)對(duì)應(yīng)的三極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)供電路徑上的控制MOS 管截止，使設(shè)置在母線回路上的MOS 管處于斷開(kāi)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障與母線的迅速隔離。

2）配電器輸出過(guò)流/輸出過(guò)壓保護(hù)功能設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

載人航天器配電器的模塊電源均設(shè)有輸出過(guò)流和輸出過(guò)壓自動(dòng)保護(hù)電路，可以保護(hù)二次母線不因過(guò)載而損壞。

輸出過(guò)流保護(hù)電路中的電流取樣變壓器對(duì)輸出電流進(jìn)行整流、濾波，最后送到脈寬調(diào)制器的電流采樣端，當(dāng)采樣電流超過(guò)額定輸出電流的1.3 倍時(shí)，通過(guò)逐個(gè)脈沖的封鎖來(lái)控制脈寬調(diào)制器的輸出以達(dá)到過(guò)流保護(hù)的目的。

輸出過(guò)壓的保護(hù)電路正常情況下不動(dòng)作，當(dāng)輸出過(guò)壓時(shí)，反饋信號(hào)通過(guò)電源管理芯片電流采樣來(lái)關(guān)斷主回路MOS 管的驅(qū)動(dòng)輸出，達(dá)到保護(hù)負(fù)載的目的。一般過(guò)壓保護(hù)值設(shè)為電源模塊額定輸出的1.2 倍。

2.2.2 高壓電纜網(wǎng)安全設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

為了確保航天器高壓傳輸供電安全，通過(guò)以下幾個(gè)方面進(jìn)行高壓電纜的安全設(shè)計(jì)。

1）電纜絕緣和抗電強(qiáng)度檢查

① 絕緣電阻檢查

常溫干燥條件下（環(huán)境溫度(20±5)℃，相對(duì)濕度30%～60%，大氣壓力(96±8) kPa，試件處于靜止?fàn)顟B(tài)），用兆歐表按電纜生產(chǎn)接點(diǎn)表逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。檢查每一點(diǎn)同時(shí)對(duì)其他所有點(diǎn)和對(duì)電連接器外殼的絕緣電阻值，在正常大氣壓及空氣干燥的情況下其值均大于200 M?/250 V。

② 絕緣抗電強(qiáng)度檢查

常溫干燥條件下（環(huán)境溫度(20±5)℃，相對(duì)濕度30%～60%，大氣壓力(96±8) kPa，試件處于靜止?fàn)顟B(tài)），用頻率為50 Hz、額定容量不小于 0.5 kVA 的試驗(yàn)裝置，對(duì)各供電正線和回線間的抗電強(qiáng)度進(jìn)行檢查。試驗(yàn)電壓為250 V，試驗(yàn)時(shí)間為30 s。試驗(yàn)過(guò)程中電纜無(wú)擊穿、表面閃爍等現(xiàn)象。

2）電連接器高壓安全設(shè)計(jì)

載人航天器的高壓電連接器均按照供電端為孔式、受電端為針式進(jìn)行設(shè)計(jì)；輸入輸出的正線和回線至少間隔1 個(gè)接觸件，即正線和回線的間隔至少為電連接器相鄰接觸件間隔的2 倍；選用的電連接器耐壓值均大于500 V，并滿足電壓、電流和溫度的I 級(jí)降額要求，如圖2所示。

圖2 電連接器接點(diǎn)分配圖Fig.2 The contact point allocation of the electric connerctor

2.3 圍繞人員的高壓安全設(shè)計(jì)

為了確保航天器高壓不會(huì)對(duì)航天員安全造成影響，通過(guò)以下幾個(gè)方面進(jìn)行人員高壓防護(hù)設(shè)計(jì)。

1）高壓供電電纜布局設(shè)計(jì)及實(shí)施

載人航天器的高壓供電電纜采用單根電纜設(shè)計(jì)?？傃b時(shí)按照“高壓供電電纜單獨(dú)布局、安裝，以及安裝在人不易接觸的部位，盡量與低壓電纜隔離”的原則，對(duì)高壓電纜進(jìn)行布局安裝。當(dāng)前的載人航天器高壓電纜與低壓電纜主通道均分開(kāi)，局部有交叉或高壓電纜與低壓電纜交叉綁扎處，低壓電纜均采用熱縮布進(jìn)行綁束后再與高壓電纜綁扎，以加強(qiáng)絕緣效果。

2）高壓供電電纜傳輸路徑二次隔離設(shè)計(jì)及實(shí)施

高壓供電電纜在傳輸路徑上采取二次隔離，電纜與艙體金屬結(jié)構(gòu)直接接觸部位加鋪聚酰亞胺膜，且鋪設(shè)寬度不小于電纜直徑的2～3 倍。

3）航天員活動(dòng)區(qū)高壓危險(xiǎn)標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)及實(shí)施 對(duì)于載人航天器航天員活動(dòng)區(qū)域中可見(jiàn)的高 壓電纜，均采用橙色綁帶進(jìn)行捆扎，使其醒目可見(jiàn)，提醒航天員盡量避免接觸。

4）航天員活動(dòng)區(qū)高壓設(shè)備保護(hù)設(shè)計(jì)及實(shí)施

為避免航天員在艙內(nèi)活動(dòng)時(shí)發(fā)生高壓觸電危險(xiǎn)，在航天員活動(dòng)區(qū)內(nèi)均未布置高壓設(shè)備。

3 結(jié)論和展望

綜上所述，載人航天器高壓供電安全性設(shè)計(jì)提升了系統(tǒng)可靠性和安全性，不僅為能源系統(tǒng)安全、可靠地執(zhí)行我國(guó)載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)提供了重要保障，更重要的是建立了一套適用于載人航天器高壓供電安全性控制的規(guī)范，對(duì)于促進(jìn)載人航天工程規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化起到了巨大的推動(dòng)作用。本成果可以作為載人航天型號(hào)參考和借鑒的規(guī)范，具有推廣應(yīng)用價(jià)值，對(duì)我國(guó)大型載人航天工程具有重要的借鑒意義。

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