朱源，韓峰，楊超

(北京航天自動控制研究所，北京 100854)

0 引言

上面級一般是在基礎(chǔ)級運載火箭上面增加相對獨立的一級(或多級)，具有較強的任務(wù)適應性，能夠完成軌道機動、有效載荷分離等任務(wù)，是提高火箭性能和任務(wù)適應能力的有效途徑。上面級一般包括動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等。上面級一般具有多次起動、長時間工作、自主飛行等特點，具備多星發(fā)射和軌道機動、軌道部署的能力[1-3]。

基礎(chǔ)級運載火箭受傳統(tǒng)格局的制約，控制、測量等各個分系統(tǒng)各自為政，出現(xiàn)了火箭各系統(tǒng)設(shè)備及接口種類繁多、地面系統(tǒng)龐大與重復的現(xiàn)象，給使用、維護帶來極大不便，而且測試發(fā)射周期長，效率低下[4-5]。上面級以控制系統(tǒng)為核心，采取一體化的設(shè)計思想，在運載火箭領(lǐng)域率先建立一種高效率、高可靠、低成本、高通用性的統(tǒng)一供配電體系，合理分配和利用資源，避免重復投資以降低系統(tǒng)造價，減少中間環(huán)節(jié)以提高系統(tǒng)可靠性和工作效率，最終縮短發(fā)射周期并提高發(fā)射成功率[5-6]。這對運載火箭電氣系統(tǒng)供配電設(shè)計的發(fā)展，以及對今后提高在國際市場競爭力等都是十分重要和迫切的。

1 供配電一體化設(shè)計的思想

上面級電氣系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、主動熱控系統(tǒng)組成。上面級供配電一體化設(shè)計，不是要取消分系統(tǒng)，而是要在原分系統(tǒng)相對獨立的基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)系統(tǒng)融合、資源共享和優(yōu)化配置，提高整個電氣系統(tǒng)的可靠性、電磁兼容性與經(jīng)濟性[7-9]。一體化的思想主要基于以下幾個方面：

1.1 以控制系統(tǒng)為主體進行一體化設(shè)計

以控制系統(tǒng)為主體實現(xiàn)一體化設(shè)計，主要是因為控制系統(tǒng)是上面級電氣系統(tǒng)的核心組成部分，主要的發(fā)射節(jié)點都安排在控制系統(tǒng)，并且控制系統(tǒng)硬件技術(shù)成熟，系統(tǒng)的集成性及自動化程度均較高[5-6]。以控制系統(tǒng)為主體，實現(xiàn)上面級各系統(tǒng)的集中供配電，能大大減少電池、脫落連接器和地面電源數(shù)量，大大簡化系統(tǒng)設(shè)計，提高發(fā)射可靠性，并降低成本。

1.2 基于供電品質(zhì)要求的一體化設(shè)計

根據(jù)供電品質(zhì)要求，將負載分為2類：一類是對供電品質(zhì)要求較高的控制、測量系統(tǒng)設(shè)備；另一類是對供電品質(zhì)要求不高的熱控系統(tǒng)設(shè)備以及火工品和電磁閥?；鸸て?、電磁閥的供電與設(shè)備供電區(qū)分開，是由于引爆火工品時脈沖輸出電流大，且電流輸出期間電壓波動大；同時為了維持大電流輸出，電池電壓較高，這些都對設(shè)備供電不利[10]。

1.3 基于嵌入式電源模塊的一體化設(shè)計

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的進步，各用電系統(tǒng)設(shè)備的供電均采用二次變換用電體制，即系統(tǒng)提供統(tǒng)一的28V一次電源供電，各用電設(shè)備通過各自內(nèi)部的嵌入式電源轉(zhuǎn)換模塊進行電源轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成自身需要的5V，15V等二次電源供電。這樣電氣系統(tǒng)各單機的一次電源輸入需求基本一致，可以采用統(tǒng)一供配電，簡化系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)減重。同時嵌入式電源轉(zhuǎn)換模塊之間完全獨立隔離，能大大簡化系統(tǒng)和單機間的電磁兼容設(shè)計和試驗[7]。

1.4 基于標準接口的一體化設(shè)計

各系統(tǒng)用電設(shè)備通過標準的電源接口與控制系統(tǒng)進行連接，各用電設(shè)備只需保證電源接口不變，設(shè)備功能可根據(jù)自身需求進行適應性修改。這樣既簡化了系統(tǒng)間的連接，同時可以縮短研制周期、降低研制成本、從整體上優(yōu)化系統(tǒng)性能[11]。

2 供配電一體化設(shè)計方案

2.1 供配電需求

傳統(tǒng)的基礎(chǔ)級運載火箭飛行時間一般在10～30 min，上面級要求長時間在軌飛行，飛行時間一般在7 h以上。隨著在軌運行時間的增加，上面級各系統(tǒng)的供配電需求也大幅提高，上面級各系統(tǒng)的供配電需求如表1所示。

2.2 設(shè)計方案

根據(jù)供電品質(zhì)要求，將控制、測量系統(tǒng)的設(shè)備供電劃分為一組，由電池I供電；將火工品、電磁閥和主動熱控系統(tǒng)的供電劃分為另一組，由電池II供電。考慮到主動熱控系統(tǒng)為間歇式工作方式，且對電源平穩(wěn)性要求不高，同時為火工品電池配備常值負載有利于電池的輸出特性，因此將熱控系統(tǒng)和火工品、電磁閥共用電池II供電。鋅銀蓄電池組的具體指標如表2所示。

上面級地面供電統(tǒng)一由控制系統(tǒng)地面電源供電，箭上供電統(tǒng)一由控制系統(tǒng)電池I、電池II供電。考慮到整個供配電系統(tǒng)的重量，上面級在設(shè)計時電池I、電池II均采用單臺電池供電；箭上由單臺配電器完成儀器設(shè)備穩(wěn)壓供電以及火工品和電磁閥的功率供電。這樣，整個上面級電氣系統(tǒng)用地面電源和電池都大幅減少，電纜和電源機柜隨之減少，系統(tǒng)成本大幅降低[12]?？刂葡到y(tǒng)電纜網(wǎng)將一次電源送到各用電設(shè)備，并將各系統(tǒng)間的信號和指令有機地連接起來，使上面級各系統(tǒng)連接成一個協(xié)調(diào)的電氣系統(tǒng)[13-14]。上面級各用電設(shè)備通過標準的J599III系列連接器和控制系統(tǒng)電纜網(wǎng)連接，這樣各系統(tǒng)設(shè)備的供電接口規(guī)范統(tǒng)一。J599III系列連接器符合GJB599A標準，采用三頭螺紋快速連接，并帶防松脫機構(gòu)，連接可靠度高，耐高強度振動，適合在航天等軍事領(lǐng)域使用。各系統(tǒng)用電設(shè)備將一次電源(28 V直流電壓)通過內(nèi)部的DC/DC和DC/AC模塊，轉(zhuǎn)換為設(shè)備所需的2.5, 3.3, 15 V等二次電源供電。上面級供配電一體化原理框圖如圖1所示。

3 詳細設(shè)計

3.1 基于磁保持繼電器的多母線供配電設(shè)計

基礎(chǔ)級火箭配電器內(nèi)一般選用電磁繼電器，需要飛行全程始終給繼電器線包供電，從而保證設(shè)備的供電。上面級若選用電磁繼電器，飛行全程給繼電器線包供電將消耗一部分電池容量，同時電磁繼電器自身發(fā)熱功率高，而真空環(huán)境的散熱率低，會造成繼電器自身溫升過高而失效，這些都不利于實現(xiàn)上面級長時間高可靠供配電。因此，上面級選用磁保持繼電器，只需在控制線包處一次接通供電激勵即可吸合，然后通過內(nèi)部永久磁鋼的作用進行自保持[15]，不必對控制線包始終加電，可以有效降低長時間供電時的功耗，適應上面級長時間空間環(huán)境的要求。

圖1 上面級供配電一體化原理框圖Fig.1 Schematic diagram of integrated power supplyand distribution for upper stage

序號分系統(tǒng)供電對象供電電流/A任務(wù)時間要求/h1控制系統(tǒng)激光慣組最大7．5，穩(wěn)定后4不小于72控制系統(tǒng)計算機、綜合控制器、星敏感器等最大6不小于73測量系統(tǒng)一部分測量系統(tǒng)設(shè)備最大6不小于74測量系統(tǒng)另一部測量系統(tǒng)設(shè)備最大4不小于75動力系統(tǒng) 火工品、電磁閥、姿控噴管、分離機構(gòu)火工品單橋5～10電磁閥最大2分離插頭線包5不小于76主動熱控系統(tǒng)主動熱控系統(tǒng)4不小于7

表2 電池技術(shù)指標Table 2 Technical indicators of batteries

上面級設(shè)置4條地面電源供電母線±N1,±N2，4條箭上電池供電母線±D1,±D2，±N1,±D1母線用于給各系統(tǒng)設(shè)備供電，±N2,±D2母線用于給火工品、電磁閥和熱控系統(tǒng)供電。根據(jù)供電通路分類處理和電磁兼容設(shè)計要求，將±D1,±D2,±N1,±N2母線的控制供電、轉(zhuǎn)電用磁保持繼電器進行了分組控制，形成4條設(shè)備供電母線，+G母線用于慣組供電，+J母線用于計算機、綜合控制器等控制設(shè)備供電，+Y1,+Y2母線用于測量系統(tǒng)設(shè)備供電，多母線供配電如圖2所示。配電器內(nèi)為多條供配電母線分別設(shè)置匯流條，匯流條之間盡量遠離，通過繼電器的分組控制使各系統(tǒng)供電線路間相互獨立且盡量遠離，以保證整機內(nèi)不同通路間的電磁兼容性。

3.2 統(tǒng)一供配電、轉(zhuǎn)電設(shè)計

上面級各系統(tǒng)由控制系統(tǒng)統(tǒng)一供配電，統(tǒng)一轉(zhuǎn)電，轉(zhuǎn)電前統(tǒng)一由控制系統(tǒng)地面電源供電，轉(zhuǎn)電后由箭上電池供電。上面級通過配電器內(nèi)的地面供配電繼電器和轉(zhuǎn)電繼電器組，實現(xiàn)對各系統(tǒng)儀器的供配電，如圖3所示，其中KP1～KP4為地面供電用磁保持繼電器，KZ1～KZ4為轉(zhuǎn)電用磁保持繼電器，電阻R1～R10和二極管V1～V10組成磁保持繼電器的消反峰電路。

圖2 上面級多母線供配電原理框圖Fig.2 Schematic diagram of multi bus power supply and distribution for upper stage

3.2.1 地面供配電設(shè)計

地面供配電階段，測發(fā)控系統(tǒng)給出接通第1路、第2路儀器供電信號，通過對供配電繼電器KP1～KP4控制線包+X施加供電激勵，KP1～KP4繼電器觸點吸合，地面供電+N1母線通過KP1,KP2觸點輸出第1路儀器供電信號，通過KP3,KP4觸點輸出第2路儀器供電信號。

圖3 地面供電和箭上供電示意圖Fig.3 Schematic diagram of ground and onboard power supply and distribution

3.2.2 統(tǒng)一轉(zhuǎn)電設(shè)計

上面級各系統(tǒng)由控制系統(tǒng)統(tǒng)一轉(zhuǎn)電，即由地面供電轉(zhuǎn)為箭上電池供電，通過地面供配電繼電器和轉(zhuǎn)電繼電器的邏輯組合來實現(xiàn)。

當?shù)孛鏈y發(fā)控系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)電信號時，通過對轉(zhuǎn)電繼電器KZ1～KZ4控制線包+X施加供電激勵，KZ1～KZ4繼電器觸點吸合，箭上電池供電+D1母線通過KZ1～KZ4觸點分別輸出2路儀器供電信號，實現(xiàn)箭上電池母線與單機供電接口的連通。然后地面供電+N1母線斷電，完成從地面供電到箭上供電的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)正向轉(zhuǎn)電控制功能。

地面供配電繼電器KP1～KP4在地面供配電階段接通后，觸點始終處于吸合狀態(tài)，直到收到測發(fā)控系統(tǒng)發(fā)出的斷開第1路、第2路儀器供電指令才斷開。這樣，通過KP1～KP4,KZ1～KZ4的吸合觸點可以將地面供電+N1母線與箭上供電+D1母線構(gòu)成環(huán)形供電通路[10]，確保上面級在飛行供電過程中可以吸收任意兩度以上的故障。

若上面級在轉(zhuǎn)電后遇突發(fā)情況需要緊急斷電，只需接通上面級斷電控制，通過對轉(zhuǎn)電繼電器KZ1～KZ4復位線包+Y施加供電激勵，使轉(zhuǎn)電繼電器KZ1～KZ4再次動作，由吸合轉(zhuǎn)為斷開，即可斷開電池母線供電，通過地面供電繼電器KP1～KP4的吸合觸點，恢復到地面供電狀態(tài)。這樣，上面級既能夠在不斷電的情況下，斷開電池母線供電，又能確保地面供電母線和箭上電池母線間的隔離，使上面級具備對射前突發(fā)事件的適應能力，能較長時間推遲發(fā)射，提高發(fā)射可靠性。

3.3 統(tǒng)一斷電設(shè)計

上面級各系統(tǒng)由控制系統(tǒng)統(tǒng)一斷電。為滿足基礎(chǔ)級火箭與上面級可獨立測試，也可聯(lián)合測試的要求，上面級在傳統(tǒng)的母線斷電電路基礎(chǔ)上，采用了“2×2”的斷電控制方式，即+D1,+D2 2條箭上電池供電母線斷電控制通路均可以通過基礎(chǔ)級、上面級分別實施斷電控制。脫落插頭脫落前，斷電信號由上面級地面測發(fā)控系統(tǒng)發(fā)出。脫落插頭脫落后，上面級通過與基礎(chǔ)級連接的分離插頭，接收基礎(chǔ)級火箭發(fā)出的斷電信號，跟隨基礎(chǔ)級火箭斷電。斷電時先斷開火工品母線，再斷開設(shè)備供電母線。斷電控制電路如圖4所示，其中4TC為上面級箭上和地面測發(fā)控系統(tǒng)連接的脫落插頭，SMJ為上面級和基礎(chǔ)級連接的分離插頭，80C為配電器的插頭，KD3～KD10為電磁繼電器。

地面測發(fā)控系統(tǒng)通過脫落插頭4TC給出上面級+D1斷電控制信號，KD3,KD4線包加電，觸點吸合，地面測發(fā)控系統(tǒng)發(fā)送的+D1斷電信號通過KD3,KD4的觸點輸出+D1斷電控制信號；當基礎(chǔ)級火箭通過SMJ插頭給出+D1斷電控制信號時，KD7,KD8線包加電，觸點吸合，電池供電+D1母線通過KD7,KD8的觸點輸出+D1斷電控制信號。+D1斷電控制信號通過箭上電纜網(wǎng)連至圖3中轉(zhuǎn)電繼電器KZ1～KZ4的復位線包+Y端，使轉(zhuǎn)電繼電器KZ1～KZ4觸點斷開，斷開箭上電池+D1母線供電。+D2母線斷電通過繼電器KD5,KD6,KD9,KD10實現(xiàn)，原理和+D1母線斷電相同。斷電繼電器在基礎(chǔ)級火箭起飛后處于不通電狀態(tài)，確保起飛后不會誤斷電?；A(chǔ)級斷電和上面級斷電2個控制通路之間通過繼電器觸點相互隔離，保障了基礎(chǔ)級與上面級之間的供電安全性、可靠性和電磁兼容性。

圖4 斷電控制電路示意圖Fig.4 Schematic diagram of turn off control circuit

4 結(jié)束語

本文詳細介紹了上面級電氣系統(tǒng)供配電一體化設(shè)計方案和設(shè)計方法。通過供配電一體化設(shè)計，可以進一步提高上面級的可靠性、電磁兼容性和經(jīng)濟性。上面級電氣系統(tǒng)供配電一體化設(shè)計已在上面級系列型號上成功應用，為后續(xù)運載火箭電氣系統(tǒng)一體化設(shè)計的發(fā)展奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

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