“資源一號(hào)”衛(wèi)星火工控制系統(tǒng)可靠性安全性設(shè)計(jì)

汪 靜

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 前言

“資源一號(hào)”衛(wèi)星是中國(guó)和巴西兩國(guó)合作的地球資源遙感衛(wèi)星，火工控制系統(tǒng)為其整星關(guān)鍵系統(tǒng)之一，與衛(wèi)星成敗有著非常密切的聯(lián)系。衛(wèi)星的火工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括點(diǎn)火電路設(shè)計(jì)、點(diǎn)火通路電纜設(shè)計(jì)、太陽(yáng)翼可靠展開(kāi)點(diǎn)火起爆冗余設(shè)計(jì)和點(diǎn)火限流電阻可靠設(shè)計(jì)等4個(gè)方面。這4個(gè)方面的設(shè)計(jì)融合了“資源一號(hào)”整星可靠性設(shè)計(jì)和安全性設(shè)計(jì)的理念和方法。

1 火工控制系統(tǒng)的組成

火工控制系統(tǒng)的主要作用是為太陽(yáng)翼成功展開(kāi)提供可靠安全的點(diǎn)火電源和點(diǎn)火通路。整個(gè)火工控制系統(tǒng)由5部分組成，如圖1所示。

圖1 火工控制系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the pyro control system

1）在單體蓄電池之間采用四點(diǎn)四線可靠安全的連線方式；

2）單體蓄電池之間串聯(lián)采用鉤焊形式，并且采用專(zhuān)用成型工裝，保持跨接線較大的彎曲弧度，盡可能地減少導(dǎo)線應(yīng)力對(duì)焊點(diǎn)的影響，以增加單體蓄電池連接的可靠性；

3） 單體蓄電池之間串聯(lián)導(dǎo)線截面積由1.0 mm2調(diào)整為1.5 mm2，提高了使用的可靠性和安全性。

2 點(diǎn)火電路的可靠性安全性設(shè)計(jì)

圖 1中的第一部分和第三部分為火工控制系統(tǒng)的點(diǎn)火電路設(shè)計(jì)。

2.1 點(diǎn)火電源

第一部分為互為備份的2組蓄電池，采取中間抽頭方式[1]，即由一組 36節(jié)鎘鎳電池單體串聯(lián)組成，火工品母線由18節(jié)鎘鎳電池單體中間抽頭引出，為火工品控制器提供可靠的點(diǎn)火電源。

通過(guò)整星熱試驗(yàn)、磁試驗(yàn)和電性能測(cè)試，證明了兩組蓄電池設(shè)計(jì)合理，質(zhì)量可靠。

2.2 點(diǎn)火控制電路

第三部分為火工品控制器，圖2為點(diǎn)火控制電路。

圖2 火工控制系統(tǒng)點(diǎn)火控制電路Fig.2 Pyro control circuit

1）每個(gè)火工品切割器包含冗余的兩個(gè)點(diǎn)火器，兩組蓄電池均可為同一切割器的任意一個(gè)點(diǎn)火器供電，任意一個(gè)點(diǎn)火器點(diǎn)火成功，則太陽(yáng)翼成功展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)；

2）在火工品控制器內(nèi)部設(shè)置了火工品引爆后防短路的保護(hù)電路；

3）衛(wèi)星通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的指令通道，為太陽(yáng)翼點(diǎn)火器的點(diǎn)火提供互為備份的雙通道命令，即啟動(dòng)程控和地面遙控，如圖3所示；

4）點(diǎn)火控制電路分別使用了雙繼電器并聯(lián)，用來(lái)接通或斷開(kāi)的可靠控制方式；

5）對(duì)火工品實(shí)施三道可靠控制：點(diǎn)火回線通/斷控制，點(diǎn)火母線通/斷控制，點(diǎn)火電路接通控制。另外分別使用兩個(gè)分離開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)的壓緊和釋放[2]，可靠控制點(diǎn)火指令電源的接通和斷開(kāi)，以確?；鸸て芳炔徽`爆，又能在規(guī)定的時(shí)刻準(zhǔn)確引爆；

6）火工品控制器內(nèi)部配置了專(zhuān)用的靜電釋放電路，以消除靜電積累。

圖3 點(diǎn)火指令控制電路Fig.3 Pyro TC control circuit

3 點(diǎn)火通路電纜的可靠性安全性設(shè)計(jì)

圖 1中的第二部分和第四部分為火工控制系統(tǒng)的點(diǎn)火通路電纜設(shè)計(jì)。

3.1 電源電纜通路

第二部分表示 2組蓄電池為火工品控制器提供點(diǎn)火電源的電纜通路。在電連接器上考慮了電源正線和電源負(fù)線的可靠安全間距，如圖4所示。

接點(diǎn)2、4、6、8、10、12和14為沒(méi)有使用的空點(diǎn)，接點(diǎn)9、11、13和15為電源正線接點(diǎn)，接點(diǎn)1、3、5和7為電源回線接點(diǎn)。

圖4 點(diǎn)火電源電連接器接點(diǎn)布局Fig.4 Ignited power connector pin layout

1） 電源正線和回線均勻分布在電連接器的上下兩排，且接點(diǎn)間距滿(mǎn)足可靠性安全性要求；

2）電源正線和電源回線均采用了4正、4負(fù)引線，且在電纜插頭內(nèi)分別進(jìn)行短接，提高了可靠性；

3）點(diǎn)火電源電纜采用屏蔽電纜，且在電纜兩端采取屏蔽接地，保證了屏蔽的連續(xù)性[3]；

4）點(diǎn)火電源電纜引出導(dǎo)線在引腳端頭20 mm處進(jìn)行彎曲，彎曲角度不大于90°，以減緩?fù)獠繎?yīng)力對(duì)導(dǎo)線根部的作用和對(duì)焊點(diǎn)的損傷。

3.2 點(diǎn)火電纜

第四部分表示從火工品控制器到太陽(yáng)翼的點(diǎn)火電纜設(shè)計(jì)。

1）點(diǎn)火電纜均采用了兩正、兩負(fù)，且分別在插頭內(nèi)部進(jìn)行可靠短接，避免單點(diǎn)失效；

2）點(diǎn)火電纜均為雙絞屏蔽電纜，且在電纜兩端采取屏蔽接地，保證點(diǎn)火通路的連續(xù)性，以避免射頻干擾；

3）點(diǎn)火電纜按照電纜裝聯(lián)工藝標(biāo)準(zhǔn)，使電纜的絕緣處理和尾罩處理不出現(xiàn)任何制作缺陷；

4）嚴(yán)格檢驗(yàn)點(diǎn)火電纜屏蔽層的金屬絲有無(wú)磨破現(xiàn)象或刺破導(dǎo)線現(xiàn)象以防造成短路。

4 太陽(yáng)翼可靠展開(kāi)的冗余設(shè)計(jì)

圖 1中的第五部分為太陽(yáng)翼點(diǎn)火器可靠起爆的冗余設(shè)計(jì)。太陽(yáng)翼共有 6個(gè)切割器，在星箭分離后，通過(guò)接收程控指令和遙控指令，順序執(zhí)行太陽(yáng)翼火工品的起爆。圖 5為太陽(yáng)翼點(diǎn)火器設(shè)計(jì)示意圖。

1）圖5定義了6個(gè)切割器的位置，每個(gè)切割器靠一個(gè)火工品解鎖，每個(gè)火工品內(nèi)裝有兩個(gè)點(diǎn)火器；

2）12個(gè)點(diǎn)火器分2次解鎖：第一次切割器1、4、5解鎖，第二次切割器2、3、6解鎖；

3）每個(gè)起爆裝置上連接2個(gè)點(diǎn)火器，互為冗余，即1A/1B、2A/2B、3A/3B、4A/4B、5A/5B、6A/6B，只要A或B中任一路點(diǎn)火器成功點(diǎn)火，則該路點(diǎn)火成功起爆[4]；

4）太陽(yáng)翼的每個(gè)點(diǎn)火器按照工藝規(guī)程進(jìn)行裝藥并控制藥量，藥層清晰，無(wú)錯(cuò)裝、漏裝現(xiàn)象。

圖5 太陽(yáng)翼點(diǎn)火器設(shè)計(jì)示意圖Fig.5 SAG pyro design

5 點(diǎn)火限流電阻的可靠性安全性設(shè)計(jì)

圖 1中的五個(gè)部分是火工控制系統(tǒng)點(diǎn)火限流電阻選取的重要因素，限流電阻選取是否合理，對(duì)太陽(yáng)翼火工品能否成功解鎖至關(guān)重要?！百Y源一號(hào)”衛(wèi)星點(diǎn)火限流電阻（TRY-A-1W）采用了新的工藝和材料，瞬態(tài)過(guò)負(fù)荷特性更好，可以滿(mǎn)足點(diǎn)火后限流電阻無(wú)需更換的要求。

在火工品電源電壓確定的基礎(chǔ)上，火工品起爆電流的數(shù)值是否在指標(biāo)范圍之內(nèi)，由火工品起爆電路阻值決定。

式中：I為火工品起爆電流；U為起爆電源蓄電池輸出電壓；Rh為火工裝置點(diǎn)火橋絲電阻；Rx為限流電阻；Rl為起爆回路導(dǎo)線電阻；Rj為起爆回路繼電器觸點(diǎn)和電連接器接點(diǎn)的接觸電阻（阻值很小，可忽略不計(jì)）。

單個(gè)火工品橋絲阻值為0.9～1.1 Ω，火工品限流電阻設(shè)為2.7 Ω（最大誤差為5%），電纜線路上阻值根據(jù)所用導(dǎo)線的類(lèi)型、長(zhǎng)度和路徑計(jì)算得出。

計(jì)算蓄電池組在不同工作模式下的火工品電源電壓：

1）計(jì)算兩組蓄電池單體電池在沒(méi)有失效情況下的電源電壓；

2）計(jì)算一組蓄電池有一節(jié)單體電池發(fā)生短路失效情況下的電源電壓。

通過(guò)在上述兩種情況下計(jì)算得出的起爆電流，可以滿(mǎn)足在規(guī)定指標(biāo)范圍內(nèi)的起爆要求，說(shuō)明火工品限流電阻選取合理、可靠。

6 結(jié)束語(yǔ)

“資源一號(hào)”衛(wèi)星火工控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)繼承了以往成功型號(hào)的經(jīng)驗(yàn)，在可靠性、安全性和電磁兼容性設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了完善和提高。根據(jù)太陽(yáng)翼上3個(gè)切割器同時(shí)起爆的起爆電流，合理設(shè)計(jì)點(diǎn)火指令控制電路和點(diǎn)火電路繼電器、點(diǎn)火通路電纜和點(diǎn)火限流電阻，并在點(diǎn)火限流電阻的可靠選取和設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了改進(jìn)。經(jīng)過(guò)地面和在軌的無(wú)故障運(yùn)行，進(jìn)一步驗(yàn)證了火工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性與安全性。

（References）

[1]馬世俊.衛(wèi)星電源技術(shù)[M].北京： 宇航出版社, 2001

[2]鄭鄭.4KX-2行程開(kāi)關(guān)技術(shù)條件[G].北京： 中國(guó)航天時(shí)代電子公司一六五廠, 2005

[3]蔡仁鋼.電磁兼容原理、設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社, 1997-11

[4]QJ 3019—1998.太陽(yáng)電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S], 1998