运载火箭上面级供配电一体化设计*

朱源，韩峰，杨超

(北京航天自动控制研究所，北京 100854)

0 引言

上面级一般是在基础级运载火箭上面增加相对独立的一级(或多级)，具有较强的任务适应性，能够完成轨道机动、有效载荷分离等任务，是提高火箭性能和任务适应能力的有效途径。上面级一般包括动力系统、控制系统、测量系统、结构系统等。上面级一般具有多次起动、长时间工作、自主飞行等特点，具备多星发射和轨道机动、轨道部署的能力[1-3]。

基础级运载火箭受传统格局的制约，控制、测量等各个分系统各自为政，出现了火箭各系统设备及接口种类繁多、地面系统庞大与重复的现象，给使用、维护带来极大不便，而且测试发射周期长，效率低下[4-5]。上面级以控制系统为核心，采取一体化的设计思想，在运载火箭领域率先建立一种高效率、高可靠、低成本、高通用性的统一供配电体系，合理分配和利用资源，避免重复投资以降低系统造价，减少中间环节以提高系统可靠性和工作效率，最终缩短发射周期并提高发射成功率[5-6]。这对运载火箭电气系统供配电设计的发展，以及对今后提高在国际市场竞争力等都是十分重要和迫切的。

1 供配电一体化设计的思想

上面级电气系统由控制系统、测量系统、主动热控系统组成。上面级供配电一体化设计，不是要取消分系统，而是要在原分系统相对独立的基础上进一步实现系统融合、资源共享和优化配置，提高整个电气系统的可靠性、电磁兼容性与经济性[7-9]。一体化的思想主要基于以下几个方面：

1.1 以控制系统为主体进行一体化设计

以控制系统为主体实现一体化设计，主要是因为控制系统是上面级电气系统的核心组成部分，主要的发射节点都安排在控制系统，并且控制系统硬件技术成熟，系统的集成性及自动化程度均较高[5-6]。以控制系统为主体，实现上面级各系统的集中供配电，能大大减少电池、脱落连接器和地面电源数量，大大简化系统设计，提高发射可靠性，并降低成本。

1.2 基于供电品质要求的一体化设计

根据供电品质要求，将负载分为2类：一类是对供电品质要求较高的控制、测量系统设备；另一类是对供电品质要求不高的热控系统设备以及火工品和电磁阀。火工品、电磁阀的供电与设备供电区分开，是由于引爆火工品时脉冲输出电流大，且电流输出期间电压波动大；同时为了维持大电流输出，电池电压较高，这些都对设备供电不利[10]。

1.3 基于嵌入式电源模块的一体化设计

随着大规模集成电路技术的进步，各用电系统设备的供电均采用二次变换用电体制，即系统提供统一的28V一次电源供电，各用电设备通过各自内部的嵌入式电源转换模块进行电源转换，转换成自身需要的5V，15V等二次电源供电。这样电气系统各单机的一次电源输入需求基本一致，可以采用统一供配电，简化系统设计，实现系统减重。同时嵌入式电源转换模块之间完全独立隔离，能大大简化系统和单机间的电磁兼容设计和试验[7]。

1.4 基于标准接口的一体化设计

各系统用电设备通过标准的电源接口与控制系统进行连接，各用电设备只需保证电源接口不变，设备功能可根据自身需求进行适应性修改。这样既简化了系统间的连接，同时可以缩短研制周期、降低研制成本、从整体上优化系统性能[11]。

2 供配电一体化设计方案

2.1 供配电需求

传统的基础级运载火箭飞行时间一般在10～30 min，上面级要求长时间在轨飞行，飞行时间一般在7 h以上。随着在轨运行时间的增加，上面级各系统的供配电需求也大幅提高，上面级各系统的供配电需求如表1所示。

2.2 设计方案

根据供电品质要求，将控制、测量系统的设备供电划分为一组，由电池I供电；将火工品、电磁阀和主动热控系统的供电划分为另一组，由电池II供电。考虑到主动热控系统为间歇式工作方式，且对电源平稳性要求不高，同时为火工品电池配备常值负载有利于电池的输出特性，因此将热控系统和火工品、电磁阀共用电池II供电。锌银蓄电池组的具体指标如表2所示。

上面级地面供电统一由控制系统地面电源供电，箭上供电统一由控制系统电池I、电池II供电。考虑到整个供配电系统的重量，上面级在设计时电池I、电池II均采用单台电池供电；箭上由单台配电器完成仪器设备稳压供电以及火工品和电磁阀的功率供电。这样，整个上面级电气系统用地面电源和电池都大幅减少，电缆和电源机柜随之减少，系统成本大幅降低[12]。控制系统电缆网将一次电源送到各用电设备，并将各系统间的信号和指令有机地连接起来，使上面级各系统连接成一个协调的电气系统[13-14]。上面级各用电设备通过标准的J599III系列连接器和控制系统电缆网连接，这样各系统设备的供电接口规范统一。J599III系列连接器符合GJB599A标准，采用三头螺纹快速连接，并带防松脱机构，连接可靠度高，耐高强度振动，适合在航天等军事领域使用。各系统用电设备将一次电源(28 V直流电压)通过内部的DC/DC和DC/AC模块，转换为设备所需的2.5, 3.3, 15 V等二次电源供电。上面级供配电一体化原理框图如图1所示。

3 详细设计

3.1 基于磁保持继电器的多母线供配电设计

基础级火箭配电器内一般选用电磁继电器，需要飞行全程始终给继电器线包供电，从而保证设备的供电。上面级若选用电磁继电器，飞行全程给继电器线包供电将消耗一部分电池容量，同时电磁继电器自身发热功率高，而真空环境的散热率低，会造成继电器自身温升过高而失效，这些都不利于实现上面级长时间高可靠供配电。因此，上面级选用磁保持继电器，只需在控制线包处一次接通供电激励即可吸合，然后通过内部永久磁钢的作用进行自保持[15]，不必对控制线包始终加电，可以有效降低长时间供电时的功耗，适应上面级长时间空间环境的要求。

图1 上面级供配电一体化原理框图Fig.1 Schematic diagram of integrated power supplyand distribution for upper stage

序号分系统供电对象供电电流/A任务时间要求/h1控制系统激光惯组最大7．5，稳定后4不小于72控制系统计算机、综合控制器、星敏感器等最大6不小于73测量系统一部分测量系统设备最大6不小于74测量系统另一部测量系统设备最大4不小于75动力系统 火工品、电磁阀、姿控喷管、分离机构火工品单桥5～10电磁阀最大2分离插头线包5不小于76主动热控系统主动热控系统4不小于7

表2 电池技术指标Table 2 Technical indicators of batteries

上面级设置4条地面电源供电母线±N1,±N2，4条箭上电池供电母线±D1,±D2，±N1,±D1母线用于给各系统设备供电，±N2,±D2母线用于给火工品、电磁阀和热控系统供电。根据供电通路分类处理和电磁兼容设计要求，将±D1,±D2,±N1,±N2母线的控制供电、转电用磁保持继电器进行了分组控制，形成4条设备供电母线，+G母线用于惯组供电，+J母线用于计算机、综合控制器等控制设备供电，+Y1,+Y2母线用于测量系统设备供电，多母线供配电如图2所示。配电器内为多条供配电母线分别设置汇流条，汇流条之间尽量远离，通过继电器的分组控制使各系统供电线路间相互独立且尽量远离，以保证整机内不同通路间的电磁兼容性。

3.2 统一供配电、转电设计

上面级各系统由控制系统统一供配电，统一转电，转电前统一由控制系统地面电源供电，转电后由箭上电池供电。上面级通过配电器内的地面供配电继电器和转电继电器组，实现对各系统仪器的供配电，如图3所示，其中KP1～KP4为地面供电用磁保持继电器，KZ1～KZ4为转电用磁保持继电器，电阻R1～R10和二极管V1～V10组成磁保持继电器的消反峰电路。

图2 上面级多母线供配电原理框图Fig.2 Schematic diagram of multi bus power supply and distribution for upper stage

3.2.1 地面供配电设计

地面供配电阶段，测发控系统给出接通第1路、第2路仪器供电信号，通过对供配电继电器KP1～KP4控制线包+X施加供电激励，KP1～KP4继电器触点吸合，地面供电+N1母线通过KP1,KP2触点输出第1路仪器供电信号，通过KP3,KP4触点输出第2路仪器供电信号。

图3 地面供电和箭上供电示意图Fig.3 Schematic diagram of ground and onboard power supply and distribution

3.2.2 统一转电设计

上面级各系统由控制系统统一转电，即由地面供电转为箭上电池供电，通过地面供配电继电器和转电继电器的逻辑组合来实现。

当地面测发控系统发出转电信号时，通过对转电继电器KZ1～KZ4控制线包+X施加供电激励，KZ1～KZ4继电器触点吸合，箭上电池供电+D1母线通过KZ1～KZ4触点分别输出2路仪器供电信号，实现箭上电池母线与单机供电接口的连通。然后地面供电+N1母线断电，完成从地面供电到箭上供电的转换，实现正向转电控制功能。

地面供配电继电器KP1～KP4在地面供配电阶段接通后，触点始终处于吸合状态，直到收到测发控系统发出的断开第1路、第2路仪器供电指令才断开。这样，通过KP1～KP4,KZ1～KZ4的吸合触点可以将地面供电+N1母线与箭上供电+D1母线构成环形供电通路[10]，确保上面级在飞行供电过程中可以吸收任意两度以上的故障。

若上面级在转电后遇突发情况需要紧急断电，只需接通上面级断电控制，通过对转电继电器KZ1～KZ4复位线包+Y施加供电激励，使转电继电器KZ1～KZ4再次动作，由吸合转为断开，即可断开电池母线供电，通过地面供电继电器KP1～KP4的吸合触点，恢复到地面供电状态。这样，上面级既能够在不断电的情况下，断开电池母线供电，又能确保地面供电母线和箭上电池母线间的隔离，使上面级具备对射前突发事件的适应能力，能较长时间推迟发射，提高发射可靠性。

3.3 统一断电设计

上面级各系统由控制系统统一断电。为满足基础级火箭与上面级可独立测试，也可联合测试的要求，上面级在传统的母线断电电路基础上，采用了“2×2”的断电控制方式，即+D1,+D2 2条箭上电池供电母线断电控制通路均可以通过基础级、上面级分别实施断电控制。脱落插头脱落前，断电信号由上面级地面测发控系统发出。脱落插头脱落后，上面级通过与基础级连接的分离插头，接收基础级火箭发出的断电信号，跟随基础级火箭断电。断电时先断开火工品母线，再断开设备供电母线。断电控制电路如图4所示，其中4TC为上面级箭上和地面测发控系统连接的脱落插头，SMJ为上面级和基础级连接的分离插头，80C为配电器的插头，KD3～KD10为电磁继电器。

地面测发控系统通过脱落插头4TC给出上面级+D1断电控制信号，KD3,KD4线包加电，触点吸合，地面测发控系统发送的+D1断电信号通过KD3,KD4的触点输出+D1断电控制信号；当基础级火箭通过SMJ插头给出+D1断电控制信号时，KD7,KD8线包加电，触点吸合，电池供电+D1母线通过KD7,KD8的触点输出+D1断电控制信号。+D1断电控制信号通过箭上电缆网连至图3中转电继电器KZ1～KZ4的复位线包+Y端，使转电继电器KZ1～KZ4触点断开，断开箭上电池+D1母线供电。+D2母线断电通过继电器KD5,KD6,KD9,KD10实现，原理和+D1母线断电相同。断电继电器在基础级火箭起飞后处于不通电状态，确保起飞后不会误断电。基础级断电和上面级断电2个控制通路之间通过继电器触点相互隔离，保障了基础级与上面级之间的供电安全性、可靠性和电磁兼容性。

图4 断电控制电路示意图Fig.4 Schematic diagram of turn off control circuit

4 结束语

本文详细介绍了上面级电气系统供配电一体化设计方案和设计方法。通过供配电一体化设计，可以进一步提高上面级的可靠性、电磁兼容性和经济性。上面级电气系统供配电一体化设计已在上面级系列型号上成功应用，为后续运载火箭电气系统一体化设计的发展奠定良好的技术基础。

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