箭载电子设备供电接口统一化研究

张金刚， 王星来， 吴燕茹， 徐 力， 王 刚

(北京宇航系统工程研究所，北京100076)

箭载电子设备供电接口统一化研究

张金刚， 王星来， 吴燕茹， 徐 力， 王 刚

(北京宇航系统工程研究所，北京100076)

针对我国现役运载火箭供配电系统的设计体制，对箭载电子设备供电接口的设计分别从工作电流、接插件种类、线路接点等方面进行统计，从统计特征上分析电子设备供电接口的现状，进一步通过对典型接口设计电路的理论分析，归纳影响因素，定义了影响因子，提出供电接口统一化设计的思路和方法，并给出统一化设计要求和建议。

运载火箭；供配电；供电接口；产品化

0 概述

我国现役运载火箭电子系统普遍采用28V直流供电体制，箭上电子设备一般通过单独的供电接口从母线取电[1]。由于现有的产品设计规范和要求更多的针对功能、性能指标的设计，对于供电接口的设计更多依靠设计师的经验[2]，缺乏从供配电系统的角度形成对设备接口的统一设计规范或要求，造成电子设备28V一次供电接口的设计主观性较大，结果是设备接口种类较多，要求不一。一方面设备接口的复杂增加了系统设计的复杂性，对供电的可靠性带来隐患；另一方面接口类型的不统一，使得与之相关的系统电缆接口、转接盒、转接电缆、测试台等测试产品的数量大大增加，使得产品及系统成本增大，同时难以进行批量采购、生产，不利于产品货架的建立。

本文通过对箭载电子设备的供电接口进行统计学分析，总结经验和特点，从系统总体的角度提出设备供电接口统一化设计的思路和方法，为电子设备的产品化设计提供参考。

1 箭载电子设备供电接口现状分析

对我国现役火箭中使用的114台电子设备为样本进行统计分析，发现其选用的供电接口类型达到了94类。没有系统条件进行约束的话，各设备供电接口的选型与设计主观性较大，难以形成一致的标准。本文通过对样本供电电流(功耗)、电连接器类型、正负母线接点分配等多角度的分析，从统计学上分析现役火箭电子设备供电接口的特性。

1.1 按供电电流分析

对114台设备样本的供电电流按0A～0.5A、0.5A～1A、1A～2A、2A～3A、3A～4A、>4A分成6档，统计特征如表1所示。从统计特征可以看出，箭载电子设备大多属于小功耗设备，工作电流在0.5A以内的占了57%，工作电流大于4A的大功率设备仅占2%。

为反映大多数电子设备的用电特性，便于开展供电设计，按0A～2A、2A～3A、>3A进一步进行分类统计。可以看出0A～2A的用电设备属于绝大多数，占了91.3%，2A～3A和>3A分别各占4.4%，总体来看0A～3A以内的用电设备占到了95.7%。

表1 箭载电子设备供电电流分析

1.2 按电连接器类型分析

尽管114台样本具体选用的电连接器型号差异较大，但从电连接器所属的规格类型来看还是有明显的统计特征的，对样本在0A～2A、2A～3A、>3A工作电流段的条件下，按所用电连接器的规格类型进行统计，如表2所示。可以看出J14系列矩形电连接器是使用最广泛的接插件，占到了样本总数的68.4%；Y11系列圆形和J599系列圆形连接器数量次之，分别占到样本总数的12.3%、7.0%；J30J系列占4.4%；CX2系列、Y8C系列以及J36系列使用较少，分别占3.5%、2.6%和1.8%。

表2 箭载电子设备供电接口电连接器类型统计

1.3 按线路接点分析

正负母线线路接点的分配主要与产品的工作电流以及冗余设计等可靠性相关的措施有关，一般电流越大，分配的接点越多，对可靠性要求越高，冗余的接点越多。电子设备正负母线接点一般成对使用，最少分别用2个点做正、负母线接点，最多用到了4个点，也有不规则的非成对使用等特殊应用情况。

对样本在0A～2A、2A～3A、>3A工作电流段的条件下，按母线接点进行分类统计的结果见表3。

表3 箭载电子设备母线接点分类统计

可以看出在0A～2A工作电流时，大量采用了2正2负，其次是3正3负的接点分配方法；在2A～3A供电电流时，绝大多数采用3正3负的接点分配方法；在>3A的供电电流时，多数采用了4正4负，其次是3正3负的接点分配方法。

2 箭载电子设备供电接口统一化设计

2.1 箭载供电线路理论模型

设供电母线电压为U0，用电负载即设备输入端电压为U1，供电距离为L。供电传输线一般由平行导体构成，可看作均匀传输线[3]，供电线路的等效电路模型如图1所示，图中参数定义为：

R0——两根平行导线每单位长度具有的电阻，单位为Ω/m；

L0——两根平行导线每单位长度具有的电感，单位为H/m；

C0——每单位长度两根导线之间的电容，单位为F/m；

G0——每单位长度两根导线之间的电导，单位为S/m；

图1 供电设计等效电路模型Fig.1 Equivalent circuits of power supply design

对一段无穷小的长度元dx，设在dx左端的电压和电流为u和i，根据均匀传输线的偏微分方程[4]有：

可见负载的实际电压、电流受线路导线的电阻、电感以及导线间的电容、电导影响。由于单位长度的电导率代表了两导体之间流动的传导电流，考虑火箭选用导线的绝缘方式，该电流将会非常小，因此G0值可以忽略。且目前火箭供电体制通常为28V直流，考虑稳态情况，在火箭常规供电距离内，C0、L0值较小，可以忽略。设系统设计的线路允许压降损耗为ΔU，对上述偏微分方程进行积分，则应满足：

(1)

供电接点或线路一般采用冗余设计，设供电线路的冗余度为m(m≥1)，定义为当供电线路出现m个点或m根线断开时，供电线路仍能保持其设计功能。若供电线路为N点N线(供电接点为N正N负，正、负接点各采用N根导线连接)，则令n=N-m，定义为线路设计度，设I为负载稳态工作电流，则式(1)变为：

即：

(2)

2.2 箭载供电接口设计影响因素分析

从公式(2)可以看出，箭载电子设备供电接口的设计不仅受本身工作电流的影响，而且和安装位置、供电母线的距离、供配电系统设计的允许压降、供电线路的直流电阻值等相关，而供电线路的直流电阻又取决于导线规格以及线路设计度，影响因素较多，可以归纳出如图2所示的影响因素图。

图2 箭载供电接口设计影响因素

从图2中可以看出，如何在众多的因素中，找出对供电接口设计的直接影响关系，简化初次设计时的影响变量，对减少设计方案的迭代次数，提高供电系统的设计效率，具有重要意义。

2.3 供电接口的系统设计思路

从系统工程的角度考虑，供电接口的设计包括供电线路设计、电连接器设计两个方面，涵盖供电电压、电流、供电距离、允许压降、导线规格、线路设计度、电连接器选型等多个设计要素，需要结合实际箭载环境综合考虑。

2.3.1 供电线路线型统一化设计

一般情况下当供配电系统方案确定之时，即系统的电池、设备供电指标等分解设计完成之后，线路允许的压降即确定下来了，为了便于分析，设：

(3)

定义为影响因子，则公式(2)变为：

L≤μ/R0

(4)

根据国内导线电缆生产厂使用手册及以电缆和元器件降额的相关标准，可以得到航空航天供电线路常用导线(C55A系列)的性能指标，如表4所示，对于供电线缆一般不推荐使用截面积小于0.2mm2的导线。

表4 供电线路常用导线性能指标

根据导线规格将表4中的百米长度电阻值统一量纲后代入公式(3)，可以得出如表5所示的线路选型表。为便于应用，转化为如图3所示的箭载供电线路统一化设计选型图。

表5 供电线路选型表

图3 供电线路统一化设计选型图Fig.3 Unified design table for power supply lines

供电线路统一化选型图将众多的接口设计影响因素整合为以影响因子表征的供电距离与导线规格之间的关系，借助直观的二维坐标图，实现供电线路的准确设计。设计选型图使用方法为：

1)根据传输允许压降损耗ΔU、线路设计度n、供电电流I计算影响因子μ值；

2)根据图3，在供电长度L≤12μ时，可以选用线规号为24#的导线；在供电长度L≤20μ时，可以选用22#导线；在供电长度L≤33μ时，可以选用20#导线。

例如，某电池电压设计指标为(28.5±2.5)V，一次用电设备工作电压为(28±3)V，为保证一次用电设备在极端供电情况下的正常工作，传输路径的压降损耗应不大于1V，按冗余度为1，线路设计度为2的三点三线供电方式，供电电流1A，根据式(3)，可以得出：

按照图3，得出在供电距离12μ=24m范围内选用24#导线，供电距离20μ=40m范围内选用22#导线，供电距离33μ=66m范围内选用20#导线。

2.3.2 电连接器统一化设计

电连接器的选型设计需综合考虑机械性能、电性能和环境适应性[5]，并且应从系统总体上考虑所选导线规格、电连接器的接线孔直径、额定电流、接触件规格、连接工艺等性能或使用指标。

根据供电接口电连接器统计现状，并结合目前现役火箭实际使用情况，在满足箭载机械及环境适应性的条件下，选用J14T-9ZJ、J14C-9ZJ、Y11P-1210ZJ、J599/20FC98PN-H等4型连接器作为供电接口的统一化优选接口类型，其电气及总体性能指标如表6所示，推荐使用焊接连接工艺。

表6 统一化选型电连接器性能指标

2.3.3 供电接口统一化设计要求

根据第2小节的统计分析结果，可知供电电流0A～3A的用电设备达到了95.7%，箭载供电接口的统一化设计要求针对此类设备为主进行分析。

按照供电接口设计影响因素的分析及供电线路统一化设计选型图，取ΔU=1，i=1，即传输允许压降损耗为1V，线路冗余度为1，在N点N线线路条件下，线路设计度n=N-1，在一定工作电流范围内，对导线规格的选择、供电线路接点的设计、影响因子、供电距离的综合分析计算，形成如表7所示的箭载供电接口的统一化设计要求，为减小偏差，表中工作电流按每0.5A为一档，要求说明如下：

1)工作电流为0A～3A的箭载电子设备供电接口优先并统一选用J14T-9ZJ电连接器；

2)工作电流>3A的箭载电子设备参考本设计要求，根据具体使用情况设计，不做统一要求；

3)根据适用的供电距离，当不满足使用要求时，按照表7根据适用的供电距离选用J14C-9ZJ、Y11P-1210ZJ、J599/20FC98PN-H等型电连接器；

4)在满足设计要求的情况下，尽量选用供电线路点线数较少、导线规格号较大(导线截面积较小)的方案，以减少电缆网质量；

5)当选用导线类型与本文所用导线直流阻值均值相差较大时，应根据本文推导公式重新计算设计选型图以及影响因子，进而完成电连接器选型。

表7 供电接口统一化设计要求

3 后续思考及建议

本文通过对目前我国现役火箭中用电设备供电接口的统计分析，针对箭载供电线路进行理论建模，通过对供电接口设计的影响因素进行分析，提出影响因子的概念，得到供电线路的统一化设计选型方法，进一步形成了供电接口的统一化设计要求，并给出箭载电子设备的供电接口统一化建议，为设备供电接口产品化设计提供思路。

在本文的供电接口统一化设计要求论证过程中，结合现役火箭电池供电电压下限以及28V一次用电设备工作电压下限的实际指标情况，取传输允许压降ΔU=1。由影响因子的定义可以看出，μ值与ΔU成正比例关系，即传输允许压降的增加可以使影响因子变大，进而可以在同等设计条件下获得更远的供电距离。可见，从系统总体角度研究箭载电池供电电压以及用电设备工作电压上下限偏差，分析需要开展的工作以及可能的影响，实现指标的优化分配和设计，将大大改善28V直流远距离供电的工况，对后续我国大推力大直径运载火箭的设计具有一定的借鉴意义。

[1] 祝伟, 张金刚, 张佳宁, 等. 基于 1553B 总线的运载火箭供电测控系统设计[J]. 计算机测量与控制, 2016, 24(5): 21-24.

[2] 杨奋为.航天电连接器的选用[J].上海航天，2002，19(3)：57-62.

[3] Paul C R.电磁兼容导论[M].闻映红, 等译.北京：机械工业出版社，2006：76-80.

[4] 邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，2006：478-480.

[5] 宋冬, 刘正勇. 电连接器的特性与选用[J]. 电子机械工程, 2009, 25(2): 47-49.

Research on Unification of Power Supply Interface on Launch Vehicle Devices

ZHANG Jin-gang, WANG Xing-lai, WU Yan-ru, XU Li, WANG Gang

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China)

According to the design of power supply and distribution system in launch vehicle of our country, the working current, the connector type and the connection point of electronic equipment power supply interface was analyzed statistically in this article. Furthermore, the typical design method was discussed, influencing environments and influencing factor were concluded. Therefore, the unification design method and suggestion of power supply interface was put forward in this article.

Launch vehicle; Power supply and distribution; Power supply interface; Production

2017-05-11；

2017-06-02

张金刚(1984-)，男，硕士，工程师，主要从事遥测系统设计与研究。E-mai:zhangjg85@126.com

V475.1

A

2096-4080(2017)02-0020-06