运载火箭控制系统箭上电缆网设计*

朱源，赵乐

(北京航天自动控制研究所，北京 100854)

0 引言

运载火箭控制系统箭上电缆网是控制系统的重要组成部分，是全箭信息流的载体，又是全箭协调工作的基础，通过电缆网实现全箭电能的馈送，测量和控制信号的分配传输等[1]。箭上电缆网的设计建立在电气系统电路图的基础上，与各单机提供的用电量指标、传输电气信号的信息种类密切相关，是箭上电气系统供电设计、信息流传输设计、弹地接口设计及电磁兼容性设计的物理实现[2]。箭上电缆网包括电缆束和电阻盒，电缆束是由一定类型与规格的导线和电连接器经过相应工艺要求加工而成的成套电缆[1]，电阻盒是时序控制输出设备，内部安装火工品限流电阻、消反峰电阻及二极管。

随着新一代运载火箭的迅速发展，控制系统为满足可靠性、安全性和经济性不断地优化设计，箭上电缆网也不断向更可靠、简单化、集成化的方向发展，以达到“功能完备、结构合理、高可靠性、安全性和电磁兼容性”的设计要求[3]。

1 一般设计要求

1.1 电连接器的选用

电连接器的选择原则如下：

(1)电连接器的选择应当由系统统一考虑，在满足系统环境条件和技术指标要求的前提下，应尽量选用体积小、重量轻的电连接器，并尽量压缩电连接器的品种规格和厂家；

(2) 应优先选用压接型电连接器，特别是应用在比较恶劣环境中的电缆。

运载火箭控制系统一般优先选用金属类壳体的J599Ⅲ系列电连接器，采用三头螺纹快速连接，并带防松脱机构，能屏蔽电磁干扰，耐冲击和高强度振动[4]，主要性能指标如表1，2所示。

表1 J599Ⅲ系列连接器主要机械和环境性能

表2 J599Ⅲ系列连接器主要电气性能Table 2 Main electrical properties of J599Ⅲseries connectors

1.2 导线及电缆的选择

导线及电缆的选择要求如下：

(1) 导线与电缆应满足安装、敷设处的环境条件和使用要求(包括机械性能、使用温度范围、额定工作电压及各种防护功能要求)，并具有良好的绝缘性能。

(2) 考虑局部高温和火焰的烧蚀，相应位置的电缆应采取防高温措施，线束外套硅橡胶管和玻璃纤维套管。

(3) 电缆的柔软度应满足系统使用要求，对于一般的信号控制线路，应当选择线芯为多股铜丝的软安装线。

(4) 导线截面积选用要求为：用于飞行及安全控制功能的应不小于0.20 mm2，用于信号测量功能的应不小于0.12 mm2，用于供电及火工品电缆应不小于0.35 mm2；除飞行及安全控制功能外的其他重要线路，承受较大振动、多次弯曲的电缆，带有螺纹插头、需经常插拔的电缆一般不宜用截面积小于0.20 mm2的导线。

(5) 1553B总线电缆一般适用于1 MHz及以下频率的数据传输，总线电缆的屏蔽覆盖率至少为90%。

运载火箭控制系统一般选用交联乙烯-四氟乙烯共聚物绝缘导线，导线一般不少于19股，具有良好的柔软性和成束后的可弯曲性。导线额定电压为交流600 V，20 ℃绝缘电阻不小于1 500 MΩ·km。导体材料选用镀锡铜或镀银铜，工作温度范围分别为-65～+150 ℃,-65～+200 ℃，主要性能参数如表3所示。

2 详细设计要求

2.1 可靠性设计要求

箭上电缆网可靠性设计要求如下：

(1) 电连接器应对接触件电流进行降额设计，导线及电缆应对应用电压及电流进行降额设计，一般应满足I级降额[5]。

(2) 线路设计中，所有供电和控制信号传输线路，均需采用双点双线以上的联接方式，确保系统供电及信息传输线路可靠工作[6-7]。

(3) 控制系统各分离面均应采用冗余分离连接器，并根据系统设计需求进行接口冗余设计，确保分离插头一度故障下，控制系统工作正常。

(4) 火工品供电电路设计应尽量减少或消除潜电流。

(5) 火工品引爆线路中应设计限流电阻，既能控制火工品引爆电流，也能承受瞬时大电流的冲击而不出现阻值变化。

(6) 为提高控制系统可靠性，简化电缆网设计，自新一代运载火箭起采用1553B总线技术。1553B数据总线有2种冗余设计方案，一种是单总线三冗余结构，总线由A，B 2条冗余通道组成，控制系统所有智能设备均为3套，采用冗余站点方式挂在总线上；另一种是相对独立的三总线三冗余结构，全箭通过3条双通道(A、B通道互为冗余)1553B总线连接3套完整的电气系统，形成相对独立的冗余设计[8]。

2.2 安全性设计要求

箭上电缆网安全性设计要求如下：

(1) 电缆网中应配有火工品短路保护插头及相应的保护盖，确保射前测试及飞行安全。

(2) 火工品引爆线路的设计，必须考虑火工品引爆前、后的全部状态。对于引爆后可能出现的短路状态，应采取相应保护措施(如保护电阻)，保证系统安全可靠工作。

(3) 位置相近、形状相同的电连接器应有不同的配合位置键以防误插，或涂不同的彩色带以便识别，保证操作安全性。

(4) 在满足使用要求的基础上兼顾安全性，设计中尽量将各组信号间、正负母线间保持一定空点，降低不同信号间、正负母线间可能出现的搭接、短路概率。

2.3 电磁兼容性设计要求

箭上电缆网是电磁干扰的主要耦合通道，箭上诸多干扰都是在传输过程中通过电缆线间串扰和耦合产生的，因此电磁兼容设计非常重要[9-11]，设计要点如下：

(1) 对箭上传输信息进行分类、清理、汇总，根据线路特点选用相应的电缆，具体要求见表4。

表3 镀锡铜芯交联乙烯-四氟乙烯共聚物绝缘导线主要参数Table 3 Main parameters of tin coated copper conductor cross-linked ethylene tetrafluoro-ethylene copolymer insulated conductor

注：导线型号55A0111-20中55 A表示55号线缆；0表示无屏蔽，无外绝缘层；1表示600 V单层绝缘；1表示内导线根数为1根；1表示镀锡铜；20表示线规为20，对应截面积为0.6 mm2。导线型号82A0111-22中82 A表示80号柔软线缆，其余编号含义均和55号线缆相同。

表4 电信号分类和屏蔽要求Table 4 Electrical signal classification and shielding requirements

(2) 电源线、信号线，高频线、低频线，强电、弱电信号，数字量、模拟量等在布线设计时应归类、分离，不同性质的传输线应尽量避免在同一束电缆和同一插头座上通过[9]。

(3) 对外易产生干扰的电缆，如给伺服机构供电的中频电缆，应采用360目铜网将线束包裹，并将铜网可靠接地，同时将这类电缆与其他信号电缆分开走线，减小干扰[8,12]。

(4) 接地设计是解决电磁干扰的重要手段，接地好坏直接影响箭上设备的电气匹配性能[13-14]。运载火箭控制系统采用浮地设计，屏蔽地与设备壳相连，各设备的壳体就近与箭体壳相连[8]。

控制系统电缆网屏蔽接地设计的具体要求如下：

(1) 脉冲上升或下降时间小于1 μs的数字电路(频率高于100 kHz)和火工品引爆电路，应采用电缆屏蔽体多点接地，其他所有电路一般采用单端屏蔽接地。当单端屏蔽接地用于使电路避免引入辐射时，应在接收器或高阻抗端接地；当单端屏蔽接地用于使电路辐射减至最小时，应在信号源端接地[9]。

(2) 优先选用360°屏蔽尾罩，采用360目铜网将电缆屏蔽层处理到屏蔽尾罩的屏蔽环上，使插头尾罩与插座、设备壳体保持足够的接触面积，有效地提高抗干扰能力[8,12]。

(3) 对于采用非屏蔽尾罩的，用截面积不小于0.35 mm2的导线将电缆束屏蔽层焊接在单向焊片上[15]，利用插头尾罩出线夹的螺钉，把单向焊片与尾罩搭接，通过插头、插座与箭体壳相连。

(4) 电缆束中的屏蔽层应相互连通，与插头、插座的接壳点相连，并通过P2×4的防波套或6根以上截面积为0.5 mm2的导线与电缆束接地焊片连接，接地焊片与箭体壳相连，从而使电缆束屏蔽层、插头、插座的壳体、箭体壳均相连，确保可靠接地。

3 箭上电缆网线路设计

3.1 1553B总线冗余设计

1553B总线网络一般包括总线电缆、耦合器和终端电阻，一般采用终端隔离的变压器耦合方式，短截线长度不超过6 m，总长度不超过190.5 m。总线电缆设计时需满足总体对电缆网分支走向的要求，也需考虑站点的布局，减少总线弯折，装配时应保证一定的弯曲半径，避免180°弯折捆扎。图1以单总线双通道冗余设计方案为例，给出A通道总线拓扑结构图，B通道与A通道互为冗余，结构相同，图1中的耦合器分为五大类，如表5所示。

图1 单总线A通道拓扑结构示意图Fig.1 Schematic diagram of single bus Achannel topology

表5 耦合器分类Table 5 Classification of couplers

注：Z0为总线电缆的标称特性阻抗，范围为70.0～85.0 Ω。

Ⅰ，Ⅱ级分离前，由综合控制器发出总线切换指令，控制总线复用器A3的control端，使复用器内部切换到终端匹配电阻上，保证在总线分离后Ⅱ级总线网络完整。1553B总线网络一般选用含8#双同轴的总线分离电连接器连接。A，B通道各使用1个分离电连接器，实现总线双通道的分离冗余设计，确保总线可靠切换和分离。

3.2 供配电线路冗余设计

箭上电缆网进行供配电线路设计前，必须依据系统布置图和电路图分析供配电需求和电缆束分配，以便更好地实现供配电设计。图2给出某运载火箭+B1供配电需求框图。图3以仪器舱B01电缆为例，给出+B1供电线路的拓扑设计。图3中箭地脱落插头XS1TC和级间分离插头XP1FC为焊接插头，其余设备端插头均为压接插头。焊接插头每个接点可以焊多根导线，而压接插头每个接点只能压接一根导线，电缆网中采用压接套管实现并联设计。压接套管一般选用瑞侃公司D-436套管(图3中的XB55～XB63)，将多根导线分别压入套管两端，压紧后外套绝缘热缩套管，实现压接方式下并联设计。

图2 +B1供配电需求框图Fig.2 Block diagram of +B1 bus power supply and distribution

图3 +B1供电线路的拓扑设计Fig.3 Topology design of +B1 bus power supply circuit

箭地脱落插头XS1TC为地面+B1供电端，80XS2为箭上配电器+B1供电端，为使地面供电和箭上电池供电两种情况下，箭上设备的供配电路径最短，将XS1TC和80XS2插头同时出线压入压接套管的一端，再从压接套管的另一端分别给各设备供电，设计中尽量保证各压接套管均匀出线，同一设备采用多个压接套管并联供电，任意一个压接套管出现故障，都能保证箭上设备可靠供电。地面和箭上+B1供电端利用XS1TC插头的跨线、压接套管以及压接套管间的跨线实现环形供电，供电插头任一接点异常断开，箭上设备的供电都不受影响。

3.3 电阻盒线路设计

电阻盒内控制线路分为电磁阀和火工品2类，图4给出电阻盒线路设计的示例。电磁阀为感性负载，为抑制反电势，提高电磁兼容性，设计由电阻和二极管组成的消反峰电路，并联在电磁阀两端，图4中R1，V5为电磁阀1的消反峰电路。电阻盒中为每一路火工品负载设置相应的限流电阻，用于控制火工品引爆电流，并避免由火工品桥丝搭壳引起的电源短路故障。限流电阻一般选用TRY-A型火工品限流电阻，能承受200 ms，200 W的瞬时过载。

每一路综合控制器时序信号进入电阻盒，均需串联一组并联二极管，提高设计可靠性，防止出现潜通路。图4中如果没有二极管V1～V4，则综控器时序输出信号1→4KZ/1，2→电磁阀1→4KZ/31，32→567/31，32→电池负母线→电磁阀2的消反峰回路V6，R2→时序回采端2，形成潜通路，造成时序回采端2在综控器没有输出时序信号的情况下误采到时序信号。

3.4 火工品短路插头设计

为确保安全，箭上电缆网应配备短路保护插头，将火工品正负两端短接，以防止静电引起火工品引爆。短路插头用红色做显著标记，发射前取下。短路插头分为支路和总短路插头2类。支路短路插头配备在靠近火工品一端的电连接器上，仅将该支路的火工品正负两端短接；总短路插头配备在电阻盒测试插头上，用于在控制系统和动力系统火工品电缆对接后，将电阻盒控制的全部火工品正负两端短接。

3.5 助推分离线路冗余设计

助推分离线路冗余设计分为2类：一类利用火工品桥丝互为冗余，系统分别从不同的助推分离插头给出左桥、右桥的控制信号，从而使控制线路和火工品桥丝形成的控制回路整体冗余，如图5所示；另一类是利用综合控制器中给出冗余时序控制信号，再分别从不同的助推分离插头控制相应的火工品，从而保证火工品控制通路的冗余，如图6所示。

图5中ZF13～ZF16每个侧推火箭有左右2个引爆桥丝(ZF13(L)表示左桥，ZF13(R)表示右桥)。综合控制器分别给出左桥、右桥两路控制信号，时序控制信号和电池负母线供电信号分别经过分离插头11FCZ，12FCZ到达火工品的正、负端，确保任一分离插头异常断开，都能保证火工品可靠引爆。设计中时序控制信号走11FCZ的5，6点，负母线走11FCZ的45，46点，正负母线隔开，避免出现搭接短路，确保系统安全。

图6中综合控制器给出冗余的Ⅰ，Ⅲ副系统关机信号YF-A，YF-C，时序控制信号和电池负母线供电信号分别经11FCZ，12FCZ到达火工品的正、负端，控制YF-A，YF-C的4路火工品桥丝同时引爆，任一分离插头异常断开，助推器Ⅰ，Ⅲ都能正常关机。

图5 助推器侧推线路设计示意图Fig.5 Schematic diagram of booster side push circuit design

图6 Ⅰ，Ⅲ副系统关机线路设计示意图Fig.6 Schematic diagram of Ⅰ and Ⅲ subsystem power off circuits

4 试验验证情况

4.1 电缆网验收试验

电缆网应根据设计图纸，按电缆网专用技术条件进行100%的出厂检验；并在每批产品中按图纸要求抽取相应比例的电缆进行例行试验。电缆束出厂检验项目一般包括配套和外观质量检查、线路检查、绝缘电阻、绝缘强度检查。电阻盒出厂检验项目较电缆束增加5项：火工品限流电阻阻值测试、筛选试验、低温、高温和振动试验。例行试验项目一般包括低温、高温、振动、冲击、高湿度、低气压和运输试验[6]。

4.2 控制系统验证试验

电缆网由工厂交付系统后，应随控制系统参加综合试验、匹配试验、火工品引爆试验、电磁兼容试验、出厂测试和飞行试验等，并根据实际使用中反馈的信息，对电缆网的设计进行修改和完善。

5 结束语

箭上电缆网是控制系统密不可分的一部分，电缆网设计中要充分考虑供配电和信号传输的可靠性、安全性和电磁兼容性要求，以及导线及电连接器的降额要求。本文详细介绍了电连接器和电缆的选择要求以及电缆的屏蔽和接地设计要求，并给出了1553B总线、供配电线路、电阻盒以及助推分离等线路的具体设计，为运载火箭箭上电缆网设计提供经验和参考。