（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

目前在航天領(lǐng)域，運(yùn)載火箭上面級(jí)技術(shù)已經(jīng)開始在空間飛行器上得到應(yīng)用。該技術(shù)能夠以“一箭多星”的方式將衛(wèi)星直接送入地球同步軌道，大大節(jié)約發(fā)射成本。俄羅斯聯(lián)盟號(hào)火箭的弗雷蓋特（Fregat）上面級(jí)配合“伽利略”導(dǎo)航衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了“一箭多星”發(fā)射，快速組網(wǎng)［1-3］。隨著我國(guó)運(yùn)載火箭上面級(jí)技術(shù)的發(fā)展，上面級(jí)也逐步開始得到應(yīng)用。

“一箭雙星”或“一箭多星”發(fā)射時(shí)，上面級(jí)攜帶衛(wèi)星的變軌時(shí)間較長(zhǎng)，而衛(wèi)星只有與上面級(jí)分離后才能展開太陽翼，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的變軌方式，衛(wèi)星供電需求大大提高。解決上面級(jí)變軌方式下的衛(wèi)星供電，是實(shí)現(xiàn)上面級(jí)“一箭多星”直接入軌的關(guān)鍵問題之一，這就要研究衛(wèi)星系統(tǒng)與上面級(jí)的協(xié)同供電。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)優(yōu)化衛(wèi)星供電設(shè)計(jì)，降低經(jīng)濟(jì)成本，實(shí)現(xiàn)“一箭雙星”甚至“一箭多星”發(fā)射的電能保證，具有重要的意義。目前，在上面級(jí)和衛(wèi)星聯(lián)合供電的研究方面，我國(guó)尚處于空白。本文以直接入軌的中、高軌道衛(wèi)星為例，進(jìn)行供電需求分析，提出了一種應(yīng)用于變軌階段的上面級(jí)-衛(wèi)星聯(lián)合供電方案，可解決“一箭雙星”發(fā)射的電能需求問題。

2 供電需求分析

2.1 入軌過程

發(fā)射前，衛(wèi)星在運(yùn)載火箭的整流罩內(nèi)，通過衛(wèi)星分配器與上面級(jí)對(duì)接安裝。發(fā)射后，上面級(jí)與運(yùn)載火箭三級(jí)段分離。此后，上面級(jí)將衛(wèi)星送至預(yù)定軌道，衛(wèi)星與上面級(jí)分離，太陽翼展開，經(jīng)相位捕獲后進(jìn)入工作軌道，如圖1所示。

圖1 發(fā)射過程示意圖Fig.1 Illustration of launching process

衛(wèi)星自發(fā)射前加電，經(jīng)歷發(fā)射、主動(dòng)段飛行、與上面級(jí)分離、對(duì)日定向和太陽翼展開等過程。

（1）發(fā)射前，由地面人員發(fā)指令拔掉運(yùn)載火箭（上面級(jí)）與地面之間的脫落插頭，考慮到人員安全和可操作性，此前應(yīng)將供電方式由地面電源供電切換為衛(wèi)星電源供電。此時(shí)，衛(wèi)星的太陽翼處于收攏狀態(tài)，整星負(fù)載由星載蓄電池組供電。

（2）衛(wèi)星發(fā)射到與上面級(jí)分離的主動(dòng)段飛行時(shí)間約為4.5h，期間太陽翼處于收攏狀態(tài)，仍要由星載蓄電池組供電。

（3）上面級(jí)與衛(wèi)星分離后約1.5h，太陽翼展開，這段時(shí)間仍由星載蓄電池組供電。

（4）太陽翼展開后，衛(wèi)星供電方式轉(zhuǎn)換為太陽翼供電，星載蓄電池組供電結(jié)束。

2.2 負(fù)載需求

發(fā)射前，需要加電的設(shè)備為衛(wèi)星平臺(tái)基礎(chǔ)負(fù)載；發(fā)射后至太陽翼展開前，衛(wèi)星熱控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)開始加電工作。根據(jù)當(dāng)前中、高軌道衛(wèi)星的實(shí)際工作情況，預(yù)計(jì)單顆衛(wèi)星供電需求為：①發(fā)射前，平均功率需求不大于400 W；②發(fā)射后至衛(wèi)星與上面級(jí)分離的主動(dòng)段期間，衛(wèi)星負(fù)載供電需求不大于600 W；③分離后至太陽翼展開前，負(fù)載需求不大于1000 W。圖2為單顆衛(wèi)星的負(fù)載需求。

圖2 單顆衛(wèi)星負(fù)載需求Fig.2 Energy demand of a single satellite

2.3 供電能力分析

通過以上分析可知，在發(fā)射前某時(shí)刻，衛(wèi)星的供電方式由地面電源供電切換為星載蓄電池組供電。地面電源（模擬太陽電池陣或者直流電源）可以通過擴(kuò)展來滿足不同的負(fù)載功率需求，只要沒有斷開，就可以持續(xù)供電，不需要衛(wèi)星電源系統(tǒng)參與供電，因此自整星加電至發(fā)射前轉(zhuǎn)星載蓄電池組供電，衛(wèi)星電源系統(tǒng)不參與供電。

綜合考慮技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)成本和質(zhì)量等因素，衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用直接能量傳輸、全調(diào)節(jié)單母線方式，由太陽電池陣、蓄電池組和電源控制器組成。其中：太陽電池采用三結(jié)砷化鎵電池；蓄電池組采用高效鋰離子蓄電池；電源控制器采用順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)模塊（S3R）拓?fù)?，包括S3R、充電控制模塊（BCR）、放電調(diào)節(jié)模塊（BDR）、母線誤差放大模塊（MEA）和二次電源模塊（DC／DC）等。

在光照期，太陽電池陣通過24路S3R電路使用MEA母線主誤差放大信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多余太陽電池功率的分流，并通過某個(gè)分流電路的開關(guān)調(diào)節(jié)，將母線電壓控制在42V±0.2V范圍內(nèi)。同時(shí)，在剛進(jìn)入光照時(shí)，由BCR給星載蓄電池組進(jìn)行恒流恒壓充電至滿荷電量狀態(tài)；在地影期，星載蓄電池組通過6 路BDR對(duì)放電進(jìn)行控制，將母線電壓控制在42 V±0.2V范圍內(nèi)。無論衛(wèi)星的軌道狀態(tài)和負(fù)載特性在正常范圍內(nèi)如何變化，電源系統(tǒng)都能保持輸出穩(wěn)定的42V±0.2V母線電壓。［4-6］

考慮到一節(jié)蓄電池單體失效，為保證在衛(wèi)星壽命末期的陰影期蓄電池組放電深度不超過70%的使用要求，衛(wèi)星采用150A·h容量的鋰離子蓄電池組，以滿足衛(wèi)星入軌后全生命期間的負(fù)載需求。

自發(fā)射前轉(zhuǎn)星載蓄電池組供電開始，經(jīng)歷發(fā)射、主動(dòng)段至太陽翼展開，如果在這個(gè)過程中全部依靠衛(wèi)星電源系統(tǒng)供電，那么衛(wèi)星蓄電池組的放電深度可由式（1）計(jì)算。

式中：DL為星載蓄電池組的放電深度；P1，P2，P3和T1，T2，T3分別為發(fā)射前、主動(dòng)段和太陽翼展開后的單星負(fù)載功率（單位：W）和持續(xù)時(shí)間（單位：h）；VfL為星載蓄電池組的平均放電電壓，V；ηL 為放電效率；CL為星載蓄電池組的容量，A·h。

根據(jù)工程實(shí)際，這里VfL取32V，ηL 取90%，CL取150A·h。經(jīng)計(jì)算，放電深度已經(jīng)超過100%，將造成星載蓄電池組的過放電故障，從而會(huì)改變蓄電池正極材料的晶格結(jié)構(gòu)，并使負(fù)極銅集流體氧化，氧化產(chǎn)生的銅離子在正極上還原使正極失效。因此，過放電故障會(huì)對(duì)蓄電池的容量、內(nèi)阻、循環(huán)壽命等造成不利的影響，深度過放電會(huì)造成蓄電池的失效，失效后的單體蓄電池相當(dāng)于一個(gè)阻抗很小的電阻，串聯(lián)在電路中。經(jīng)過分析，如果僅考慮衛(wèi)星入軌后的用電需求，采用150A·h的容量即可，但對(duì)于入軌前的用電需求，150A·h的配置遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，一個(gè)較簡(jiǎn)單的解決思路是增加衛(wèi)星蓄電池組的容量。按照式（1），在滿足不大于放電深度70%的條件下，星載蓄電池組容量要增加到220A·h。按目前的技術(shù)水平，單顆衛(wèi)星要增加的質(zhì)量TL為

式中：BL為鋰離子蓄電池組的比能量，W·h／kg。

根據(jù)工程實(shí)際，這里CL取70A·h，VfL取32V，BL取100W·h／kg。經(jīng)計(jì)算，增加的質(zhì)量為22.4kg。由于衛(wèi)星長(zhǎng)期工作在空間環(huán)境下，因此還要考慮相應(yīng)的空間防護(hù)措施和可靠性、安全性措施，以提高蓄電池組的壽命。采用“一箭雙星”或“一箭多星”發(fā)射的中、高軌道衛(wèi)星，單星總質(zhì)量?jī)H為1t左右，22.4kg的質(zhì)量資源浪費(fèi)是不可接受的?？梢姡黾有禽d蓄電池組容量的方案不具備可行性和可操作性。鑒于此，本文提出一套“衛(wèi)星電源＋上面級(jí)電源＋地面電源”的解決方案，在變軌期間由上面級(jí)向衛(wèi)星供電，同時(shí)結(jié)合地面電源的應(yīng)用，解決“一箭雙星”條件下直接入軌方式的中、高軌道衛(wèi)星變軌階段的大功率、長(zhǎng)時(shí)間的電能需求問題。

3 聯(lián)合供電方案

地面電源是通過上面級(jí)和星箭分離插頭將電能輸送至衛(wèi)星內(nèi)部，上面級(jí)和衛(wèi)星之間存在電氣接口。因此，可以在上面級(jí)里設(shè)置一套一次性電源系統(tǒng)，利用這個(gè)電氣接口專為主動(dòng)段衛(wèi)星供電，衛(wèi)星和上面級(jí)分離后不再使用。采用一次性電源系統(tǒng)，可以不考慮為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命采用的可靠性、安全性措施，能夠最大程度節(jié)省質(zhì)量。

3.1 方案概述

基于上述考慮，上面級(jí)為衛(wèi)星供電的電源系統(tǒng)采用“鋅銀電池＋供電控制器”的組合方案。鋅銀電池的負(fù)極為鋅，正極為氧化銀，電解液為氫氧化鉀水溶液，具有較高的比能量及優(yōu)良的高倍率放電性能，在航天領(lǐng)域一般作為一次性電池使用。鋅銀電池電壓通過供電控制器的放電模塊升壓后輸出穩(wěn)定的上面級(jí)母線電壓，通過星箭接口提供給衛(wèi)星。

地面電源（模擬太陽電池陣）、衛(wèi)星電源（鋰離子蓄電池組＋電源控制器）和上面級(jí)電源（鋅銀電池＋供電控制器）之間的聯(lián)合供電方案接口關(guān)系，如圖3所示。臍帶電纜將地面電源供電功率送至衛(wèi)星1和衛(wèi)星2的脫落插頭，通過脫落插頭的中轉(zhuǎn)輸送至位于上面級(jí)內(nèi)部的過渡插頭；上面級(jí)供電控制器通過內(nèi)部的BDR將鋅銀電池輸出功率調(diào)整為穩(wěn)定的輸出電壓，輸出至過渡插頭，并與地面電源輸出電壓在過渡插頭處實(shí)現(xiàn)并點(diǎn)連接。并接后的輸出電壓分別送至2 顆衛(wèi)星的星箭分離插頭，經(jīng)星箭分離插頭的中轉(zhuǎn)，輸出電壓連接至衛(wèi)星電源控制器。

圖3 上面級(jí)、衛(wèi)星和地面供電接口的關(guān)系Fig.3 Relationships between upper-stage，satellite and ground power supply interfaces

3.2 技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)

聯(lián)合供電方案要著重解決以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)：①整個(gè)工作過程中三類供電電源的供電順序和三者之間的切換控制。切換的時(shí)機(jī)、時(shí)序和方式需要特殊設(shè)計(jì)，確保切換前后輸出母線電壓的平穩(wěn)性。②上面級(jí)電源的平均供電功率和峰值供電功率應(yīng)有裕度設(shè)計(jì)，以確保在軌飛行時(shí)供電功率有一定的調(diào)整和適應(yīng)能力。③供電電源包括地面電源、上面級(jí)電源和衛(wèi)星電源，三類電源之間的供電安全需要重點(diǎn)關(guān)注，任意一類電源發(fā)生故障時(shí)都不應(yīng)產(chǎn)生故障蔓延，以免影響其他電源的供電安全。針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，分別采取相應(yīng)的解決措施。

3.2.1 供電順序和電源切換控制

整星加電至發(fā)射前的某時(shí)刻，采用地面電源供電；發(fā)射前某時(shí)刻至衛(wèi)星與上面級(jí)分離，采用上面級(jí)電源供電；衛(wèi)星與上面級(jí)分離至衛(wèi)星太陽翼展開，采用星載蓄電池組供電。設(shè)地面電源的輸出電壓為Vd，衛(wèi)星電源的輸出電壓為Vw，上面級(jí)電源的輸出電壓為Vs，則三者關(guān)系為Vd＝Vs＞Vw。其中，Vw和Vd、Vs的電壓差值均保持在1V。

衛(wèi)星加電時(shí)，三類供電電源的初始狀態(tài)設(shè)置為：星載蓄電池組放電開關(guān)為閉合狀態(tài)；地面電源供電處于連接狀態(tài)；上面級(jí)電源供電開關(guān)處于斷開狀態(tài)。由于地面電源電壓高于衛(wèi)星輸出電壓，因此衛(wèi)星電源輸出被鉗位，不輸出功率，衛(wèi)星負(fù)載全部由地面電源供電。發(fā)射前某時(shí)刻，發(fā)送指令將地面電源斷開，衛(wèi)星轉(zhuǎn)為由星載蓄電池組供電，監(jiān)視衛(wèi)星供電狀態(tài)并確認(rèn)正常后，發(fā)送指令將上面級(jí)供電開關(guān)閉合。由于上面級(jí)輸出電壓高于衛(wèi)星輸出電壓，因此衛(wèi)星輸出電壓被鉗位，不輸出功率，衛(wèi)星負(fù)載將全部由上面級(jí)電源供電。在衛(wèi)星與上面級(jí)分離前，發(fā)送指令斷開上面級(jí)供電開關(guān)，供電方式重新切換為衛(wèi)星電源供電，上面級(jí)電源供電過程結(jié)束，之后衛(wèi)星負(fù)載將全部由衛(wèi)星電源供電。對(duì)三類供電電源供電開關(guān)的控制和輸出電壓差值的設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)它們之間可靠、有效的切換，確保自整星加電，經(jīng)歷發(fā)射、主動(dòng)段、衛(wèi)星／上面級(jí)分離和衛(wèi)星太陽翼展開全過程的有效供電，保證輸出母線電壓的平穩(wěn)過渡。

3.2.2 上面級(jí)電源供電設(shè)計(jì)裕度

上面級(jí)電源要確定鋅銀電池的容量CXY和供電控制器的輸出功率PS。其中，CXY可由式（3）計(jì)算。

式中：Vf，XY為鋅銀電池的平均放電電壓，V；ηXY 為放電效率；DXY為鋅銀電池允許使用的放電深度。

根據(jù)工程實(shí)際，這里Vf，XY取30V，ηXY 取90%，DXY取90%。經(jīng)計(jì)算，對(duì)于“一箭雙星”，鋅銀電池容量至少應(yīng)為250A·h，考慮一定裕量，取280A·h。上面級(jí)供電控制器內(nèi)BDR的輸出功率應(yīng)大于雙星的負(fù)載功率（600×2＝1200 W），考慮裕量，在供電控制器內(nèi)設(shè)置3個(gè)額定功率600 W 的BDR，采用“三取二冗余”方式，以滿足單星峰值功率900 W 的需求。這樣，即使損失1個(gè)BDR，仍可滿足功率需求。

3.2.3 供電安全

在地面電源、上面級(jí)電源和衛(wèi)星電源的電壓輸出端都設(shè)置隔離二極管，確保三類供電電源都不會(huì)發(fā)生電流倒灌故障。

發(fā)射前某時(shí)刻至衛(wèi)星／上面級(jí)分離，上面級(jí)電源和衛(wèi)星電源處于供電狀態(tài)（衛(wèi)星電源電壓較低，被鉗位，不輸出功率）。上面級(jí)供電控制器的BDR 設(shè)計(jì)具備輸出限流保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載大于設(shè)定限流保護(hù)點(diǎn)（17A）或者鋅銀電池容量不足（蓄電池組電壓小于22V）時(shí)，供電控制器呈現(xiàn)恒流輸出特性，輸出電流不變，輸出電壓將逐漸降低。當(dāng)輸出電壓下降至衛(wèi)星電源電壓時(shí)，衛(wèi)星電源將自主介入供電，與上面級(jí)電源實(shí)現(xiàn)聯(lián)合供電，確保供電安全。此后，如果供電過程持續(xù)，上面級(jí)電源輸出電壓繼續(xù)降低，當(dāng)?shù)陀谛l(wèi)星電源電壓時(shí)，上面級(jí)將退出供電，由衛(wèi)星電源系統(tǒng)獨(dú)自供電。

3.3 供電過程和供電時(shí)序

通過上述分析，衛(wèi)星所經(jīng)歷的供電過程和供電時(shí)序如下。

（1）整星準(zhǔn)備至發(fā)射前某時(shí)刻，供電時(shí)間約為8h，單星負(fù)載為平臺(tái)基礎(chǔ)負(fù)載，由地面電源供電。

（2）發(fā)射前某時(shí)刻，轉(zhuǎn)為星載蓄電池組供電，單星負(fù)載功率不大于400 W 時(shí)，由上面級(jí)電源供電。

（3）衛(wèi)星發(fā)射后，上面級(jí)攜帶衛(wèi)星進(jìn)行變軌到兩者分離，時(shí)間為4～5h；當(dāng)衛(wèi)星負(fù)載超出上面級(jí)電源供電能力時(shí)，衛(wèi)星電源與上面級(jí)電源實(shí)現(xiàn)聯(lián)合供電；單星負(fù)載不大于600 W 時(shí)，由上面級(jí)電源供電。

（4）衛(wèi)星與上面級(jí)分離至太陽翼展開，時(shí)間約為1.5h，單星負(fù)載功率不大于1000 W 時(shí)，由星載蓄電池組供電。

（5）太陽翼展開后，根據(jù)在軌工作情況由衛(wèi)星的太陽電池陣和蓄電池組聯(lián)合供電。

3.4 方案驗(yàn)證

按照上文論述方案，以雙星為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案見圖4。地面試驗(yàn)驗(yàn)證過程為：①將雙星按照?qǐng)D4連接好地面電源裝置及上面級(jí)電源裝置；②關(guān)閉上面級(jí)電源系統(tǒng)，接通地面電源系統(tǒng)為衛(wèi)星供電，檢查雙星工作狀態(tài)；③之后，衛(wèi)星轉(zhuǎn)為星載蓄電池組供電，確認(rèn)單星負(fù)載功率小于400 W；④調(diào)整衛(wèi)星負(fù)載模式，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后轉(zhuǎn)為上面級(jí)供電，并關(guān)閉地面電源；⑤調(diào)整單星負(fù)載模式，使功率不超過600 W，此時(shí)，衛(wèi)星負(fù)載以上面級(jí)電源供電為主，衛(wèi)星電源系統(tǒng)作為備份；⑥衛(wèi)星再次轉(zhuǎn)為星載蓄電池組供電，完全由自身電源系統(tǒng)供電；⑦轉(zhuǎn)為星載蓄電池組供電完畢后，調(diào)整衛(wèi)星工作模式。

切換過程的母線電壓變化狀態(tài)見圖5?？梢?，本文提出的方案正確可行，在衛(wèi)星變軌階段的供電過程可靠安全，母線電壓平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)電能平衡，滿足任務(wù)要求。

圖4 供電方案設(shè)計(jì)Fig.4 Design of power supply scheme

圖5 母線電壓波形圖Fig.5 Wave of bus voltage

4 結(jié)束語

本文以直接入軌的中、高軌道衛(wèi)星為例，通過分析衛(wèi)星供電需求，結(jié)合衛(wèi)星電源供電能力，提出了一種變軌階段供電方案，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星電源、上面級(jí)電源和地面電源三類電源的聯(lián)合供電，解決了“一箭雙星”發(fā)射條件下變軌階段衛(wèi)星的電能需求問題。相比傳統(tǒng)衛(wèi)星電源方案，新方案增加了一套上面級(jí)電源，但衛(wèi)星的電源接口不發(fā)生任何變化；而且，上面級(jí)電源的變化不會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星電源技術(shù)狀態(tài)的改變，可以增加整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性和安全性。目前，上面級(jí)供電技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究還較為薄弱，實(shí)施方案也僅針對(duì)某類特定的衛(wèi)星開發(fā)，如何搭配不同的運(yùn)載火箭，適用于多種衛(wèi)星，也是上面級(jí)供電的后續(xù)研究方向。

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