運載火箭冗余分級智能供配電技術(shù)研究

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(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109; 2.北京航天微機電技術(shù)研究所，北京 100064)

0 引言

運載火箭供配電系統(tǒng)主要為全箭電氣設(shè)備提供工作電源。隨著航天技術(shù)發(fā)展，運載火箭電氣系統(tǒng)一體化程度越來越高，快速測試要求越來越強，這給運載火箭供配電系統(tǒng)的集成化、智能化、快速測試等提出更高的要求。目前國內(nèi)運載火箭仍采用傳統(tǒng)供配電技術(shù)，即普遍采用電池配置電磁繼電器的配電方式。電磁繼電器的線圈控制、觸點狀態(tài)檢測、母線電壓狀態(tài)檢測等均由地面測發(fā)控系統(tǒng)完成，造成箭地之間信號較多，箭地接口較為復雜；同時，由于電磁繼電器體積較大，不利于集成設(shè)計，狀態(tài)檢測信息較少，一旦電磁繼電器元件或某一用電負載失效可能導致運載火箭其他用電設(shè)備無法正常工作，系統(tǒng)無法通過狀態(tài)檢測進行故障診斷和隔離。

從國外火箭發(fā)展來看，以固體功率控制器(Solid-state power controller,SSPC)為核心的供配電方案逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁繼電器方案。基于SSPC的火箭智能配電方案易于實現(xiàn)配電設(shè)備機內(nèi)自檢測，在供配電系統(tǒng)出現(xiàn)局部故障時實現(xiàn)有效隔離，易于集成總線接口，可以極大地簡化箭地接口，縮短火箭測試周期，提高火箭供配電可靠性。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

以SSPC為核心的智能供配電技術(shù)在航空領(lǐng)域發(fā)展迅速。現(xiàn)代飛機自動化配電系統(tǒng)主要是有三部分組成的，包括電源系統(tǒng)處理器(PSP)、電氣負載管理中心(ELMC)和固態(tài)功率控制器(SSPC)[1-5]。其中ELMC負責局部負載的管理和控制，監(jiān)控該中心內(nèi)的匯流條電壓，統(tǒng)計SSPC的電流值，控制各路SSPC，并具有一定的自檢測能力。PSP監(jiān)控整個供電系統(tǒng)，實現(xiàn)負載自動管理，提高了飛機受損后的生存能力。目前，美國的F22戰(zhàn)斗機、P7A反潛機、空客A380、波音787都采用了基于SSPC的智能供電系統(tǒng)。

在航天領(lǐng)域，歐美的航天器[6-7](如SMART-1月球探測器)已經(jīng)應用SSPC配電技術(shù)。中國的航天器也正積極推進SSPC配電技術(shù)應用[8-9]。韓國的羅老號運載火箭[10]已經(jīng)采用基于SSPC的智能配電技術(shù)。韓國羅老號運載火箭使用PDU設(shè)備對二子級用電設(shè)備進行配電控制及管理。PDU內(nèi)部設(shè)置通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、I/O控制模塊、監(jiān)測模塊及電源模塊、配電模塊；提供9條負載輸出線路，均由SSPC控制，可以保護供電回路，避免過載或短路；同時監(jiān)測輸出電流和工作狀態(tài)信息。PDU與地面設(shè)備通過RS-422進行通訊。

2 智能配電系統(tǒng)方案

針對運載火箭供配電系統(tǒng)集成化、智能化、快速測試等發(fā)展需求，本文提出以SSPC為核心的冗余分級智能供配電系統(tǒng)方案。以新一代某型號二級半火箭為例，冗余分級智能供配電系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 運載火箭智能配電系統(tǒng)方案架構(gòu)

冗余分級智能供配電系統(tǒng)有以下幾個特點：

1)分布式供配電。箭載電氣系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量多且分散，火箭智能配電系統(tǒng)按子級區(qū)域進行分布式供配電，有利于提高供電品質(zhì)，減少各子級之間的供電及信號連接，降低箭上電纜網(wǎng)復雜度。火箭配電中心與地面設(shè)備之間采用1553B總線進行通訊，簡化了箭地接口。配電中心內(nèi)部采用嵌入式控制芯片，單機功能集成度大幅提升。

2)分負載特點供電。打破傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)與測量系統(tǒng)單機分開供電體制，根據(jù)箭上電氣負載不同特點進行供配電設(shè)計。將在整個飛行過程中消耗恒定功率的箭上負載，如箭載計算機、綜合控制器、測量數(shù)據(jù)綜合器等由功能型電池供電；將高電流脈沖型的箭上電氣負載，如箭上電磁閥、火工品、伺服機構(gòu)、慣組加溫等由脈沖型電池供電。

3)自檢測與故障隔離。火箭智能供配電系統(tǒng)能夠完成自身故障的自檢測及故障信息反饋，進一步縮短測試周期。采用了SSPC后，能在供電對象出現(xiàn)過流、短路情況時及時斷開故障負載，保證其他正常設(shè)備不受影響。供電對象出現(xiàn)短路故障時，SSPC立即完成切斷；供電對象出現(xiàn)過流時，根據(jù)I2t控制曲線，SSPC在規(guī)定時間內(nèi)完成切斷。

4)冗余供配電。系統(tǒng)除采用多SSPC并聯(lián)冗余、多點多線等冗余技術(shù)提高單機可靠性外，箭上電池之間實現(xiàn)互為冗余。各級智能配電中心對電池狀態(tài)進行實時監(jiān)控，當某一電池出現(xiàn)故障時，完成其他電池的接班及故障電池的隔離，解決了電池的一度故障。

5)通用化模塊設(shè)計。火箭智能配電系統(tǒng)核心設(shè)備智能配電中心采用層疊式通用化模塊設(shè)計，各級智能配電中心各模塊之間可實現(xiàn)硬件模塊互換。通用化模塊設(shè)計進一步降低了設(shè)計成本，提高了產(chǎn)品的靈活度。

智能配電中心原理樣機方案見圖2所示。智能配電中心以功能型電池及脈沖型電池電源作為電源輸入，通過1553B總線接收來自于BC發(fā)出的指令，實現(xiàn)電氣設(shè)備的配電、轉(zhuǎn)電、電池冗余管理、負載保護等功能。智能配電中心采用層疊式模塊化設(shè)計，由通信控制模塊、轉(zhuǎn)電模塊、功率模塊等組成。各模塊采用通用化設(shè)計，適用于各級智能配電中心。智能配電中心較傳統(tǒng)電磁配電器體積和重量均減少約60%，優(yōu)勢明顯如表1所示。

圖2 智能配電中心原理方案

參數(shù)傳統(tǒng)電磁配電器智能配電中心電壓/V2828電流/A8080負載路數(shù)56外形尺寸/mm3290×180×110180×180×60重量/kg4.51.7

3 智能配電關(guān)鍵技術(shù)

3.1 固體功率控制技術(shù)

固態(tài)功率控制技術(shù)核心是固體功率控制器(SSPC)。SSPC主要由控制與保護模塊、電源模塊、隔離電路模塊三部分組成。控制與保護電路模塊實現(xiàn)了功率驅(qū)動控制、反時限過流保護、短路保護以及狀態(tài)檢測鎖存等功能。隔離電路是SSPC與上級模塊的輸入輸出接口部分，實現(xiàn)與上級模塊的信息交換。電源模塊為SSPC提供內(nèi)部供電電源。SSPC功能原理框圖見圖3。

圖3 SSPC功能原理框圖

驅(qū)動管選用MOSFET，具有導通電阻小、功率損耗小、電路設(shè)計簡單等優(yōu)點。由于運載火箭電氣負載多為阻感性或阻容性負載，若采用硬開通、關(guān)斷的驅(qū)動電路，在阻容性或阻感負載開通或關(guān)斷時，會產(chǎn)生較大的瞬時浪涌電流。如圖4所示，MOSFET負載電流I受柵源電壓Ugs的控制，且隨著Ugs的增大而增加，故在MOSFET的驅(qū)動電路中使用RC網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)Ugs的變化率，從而調(diào)節(jié)負載電流I的上升和下降時間，使得SSPC適用于火箭電氣系統(tǒng)各類負載。“緩開通、緩關(guān)斷”設(shè)計使得SSPC具備良好的EMC特性。

圖4 SSPC控制電路及緩開通波形

3.2 故障隔離技術(shù)

SSPC最大的特點是其過載后跳閘所需時間由電流的大小決定，具有輕度過載跳閘時間長，嚴重過載跳閘時間短的I2t反時限保護特性[11]。采用I2t保護跳閘曲線，一方面是因為傳統(tǒng)靠熔斷進行保護的斷路器是根據(jù)自身發(fā)熱量而產(chǎn)生物理熔斷，類似反時限跳閘保護曲線；另一方面考慮到電子跳閘保護的可靠性，不產(chǎn)生誤報誤跳，需要反時限過載延時跳閘保護。

典型I2t反時限保護曲線如圖5所示。I/Ie為負載電流I與額定電流Ie的比值，即電流倍數(shù)。a、b是兩常數(shù)，代表跳閘保護點和立即跳閘保護點。a是跳閘點的電流Ia與額定電流的比值，b是立即跳閘點的電流Ib與額定電流的比值：

1)I/Ie

2)a≤I/Ie

3)I/Ie≥b，立即切斷負載。

圖5 I2t過流保護曲線圖

反時限過流保護算法是基于硬件電路模擬線路中熱量隨電流變化的動態(tài)模型，當線路中熱量(溫度)達到指定溫度時產(chǎn)生跳閘信號。圖6為不同線路電流對應的能量變化曲線。

圖6 不同線路電流對應的能量變化曲線

不同線路電流值達到跳閘點的時間公式如下所示：

(1)

其中:Vref是跳閘點電流對應的電壓基準值，對應于圖6中曲線3所要趨近的穩(wěn)定值；Iw為當前線路實際電流值。

解得不同線路電流的跳閘時間為：

(2)

圖6中指數(shù)曲線的時間常數(shù)是τ=RiCi，達到穩(wěn)定值98%的時間是4τ。圖6中的曲線1、曲線2電流均超過額定值，可見超過額定電流值越大，指數(shù)曲線達到跳閘值的時間越短，保護越快。

在設(shè)計時，采用軟件算法實現(xiàn)I2t反時限保護。采用非接觸式的霍爾傳感器芯片，實現(xiàn)對各配電支路電流實時采集功能。霍爾傳感器信號經(jīng)運算放大器、配電檢測部分ADC采集，進入處理器中，處理器通過反時限算法，計算各自支路的電流熱量累計值，當?shù)竭_設(shè)定閾值后，處理器關(guān)斷相應支路的負載開關(guān)。該方式簡單、靈活，可根據(jù)具體線路調(diào)整保護曲線。

3.3 系統(tǒng)冗余設(shè)計技術(shù)

為提高智能供配電系統(tǒng)的可靠性，采用以下冗余設(shè)計技術(shù)：

1)配電關(guān)鍵器件冗余。SSPC器件是智能供配電系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，在設(shè)計時根據(jù)電氣負載特點進行冗余。對于影響任務(wù)成敗的關(guān)鍵負載(如箭載計算機、伺服控制器等)支路，采用多個SSPC并聯(lián)冗余方案。輸出線路采用多點雙線冗余設(shè)計，提高輸出接口的可靠性。

2)控制指令冗余設(shè)計。智能配電中心采用主備雙冗余設(shè)計，配置雙冗余1553B總線接口，實現(xiàn)了指令傳輸線路的冗余。

3)電池雙冗余設(shè)計。在正常工作時，功能性及脈沖型電池供電母線互相隔離，一旦某一臺電池出現(xiàn)問題，則由智能配電中心完成正常電池的接班和故障電池的隔離，保證各路負載正常供電。

3.4 智能BIT檢測技術(shù)

對于供配電系統(tǒng)而言，有效的故障診斷能夠及早發(fā)現(xiàn)故障并及時處理，對保障火箭正常工作有重要意義。智能配電中心采用了狀態(tài)檢測、監(jiān)控和故障隔離綜合技術(shù)(built-in-test，BIT)，在發(fā)生故障時，能夠檢測到故障，確定故障模式，界定故障范圍，并執(zhí)行故障預測和隔離等相關(guān)措施，具有一定的報警能力。智能配電中心具備以下BIT功能：

1) 智能配電中心在上電時或接收到上位機自檢指令時，完成自身初始狀態(tài)自檢，自檢內(nèi)容包括接口芯片、處理器芯片、內(nèi)存、供電電源、寄存器狀態(tài)、SSPC開關(guān)狀態(tài)等。

2) 對于智能配電中心內(nèi)部控制芯片、采樣電路、SSPC等突然發(fā)生損壞或停止工作的“硬故障”，智能配電中心根據(jù)采集的狀態(tài)信息，對照內(nèi)嵌的狀態(tài)分析表進行故障模式判斷和定位，并將故障信息上傳上位機。

3) 對于參數(shù)漂移或變化緩慢的“軟故障”，智能配電中心通過總線通信接口將監(jiān)測點信號數(shù)據(jù)上傳給上位機，由上位機或地面設(shè)備通過對歷史和現(xiàn)行數(shù)據(jù)進行對比判斷，得出該電路或器件是否將要發(fā)生故障的結(jié)論。

4 試驗驗證與分析

運載火箭冗余分級智能配電技術(shù)驗證試驗平臺組成如圖7所示。測試微機作為主控微機，可通過總線向智能配電中心發(fā)送自檢測、轉(zhuǎn)電、配電、斷電等指令，采集、解析、顯示相應狀態(tài)參數(shù)。智能配電中心原理樣機配電通路具備I2t保護能力。電子負載可以提供純阻性、阻容性、阻感性負載，可以模擬負載過流、短路等故障。

圖7 試驗驗證平臺組成

4.1 負載匹配測試

對智能配電中心L1路(5A)、L2路(10A)、L3路(20A)進行了阻容及阻感性負載匹配測試。阻容性負載采用電容與電阻并聯(lián)模型進行測試，電阻值固定，然后逐漸加大電容容值，以測試SSPC對各類阻容性負載的適應性。不同容值情況下，各路負載電流峰值及上升時間見表3所示。可以看出，在采用了緩開緩斷控制技術(shù)后，各路負載浪涌電流基本控制在4倍以內(nèi)。圖8給出了L3路1000μF容性負載開通曲線。

表3 阻容性負載測試數(shù)據(jù)

圖8 L3路1000μF容性負載開通曲線

阻感性負載采用電感與電阻串聯(lián)模式進行測試，電阻值固定，以使得各路SSPC工作在額定電流下，然后逐漸加大電感值。不同電感情況下，各路負載電壓及上升時間見表4所示。可以看出，隨著電感的增加，浪涌電壓也在逐漸增加，但各路浪涌電壓均抑制在36 V以下。圖9給出

L

3

路3 mH感性負載開通曲線。

表4 阻容性負載測試數(shù)據(jù)

圖9 L3路3 mH感性負載開通曲線

4.2 過流保護測試

智能配電中心在反時限曲線設(shè)計時，設(shè)定起跳點為額定電流的1.3倍，立即跳閘點為額定電流的3倍。利用電子負載對智能配電中心各路進行過流及短路保護測試。測試結(jié)果如表5所示。可以看出，隨著過流倍數(shù)越來越大，SSPC進入保護的時間也越來越短。當過流倍數(shù)達到3倍以上時，SSPC在3.5 ms關(guān)斷，以隔離故障負載。

表5 L3路過流及短路保護測試

5 結(jié)論

火箭智能供配電技術(shù)是當代火箭供配電系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。本文以新一代某型號火箭為背景，設(shè)計了一套冗余分級智能供配電系統(tǒng)，梳理了關(guān)鍵技術(shù)，并開發(fā)了原理樣機。經(jīng)過各項試驗測試數(shù)據(jù)表明，冗余分級智能供配電系統(tǒng)智能化程度高、負載適應性強、故障診斷和保護效果明顯，提升了火箭供配電技術(shù)水平。