上面級直接入軌衛星星箭供電接口設計與驗證

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)

上面級是在常規的基礎級運載火箭上增加的相對獨立的一級或多級，是航天運輸系統的重要組成部分[1]。上面級具有較強的任務適應性，相對于常規的基礎級運載火箭，上面級通常具有自主飛行、多次啟動、較長時間在軌工作等顯著特點，能夠實現一箭多星發射和軌道部署[2]。采用上面級直接入軌的衛星大大減少了自身燃料的消耗，提高了有效載荷比重。美國從第六代GPS導航衛星開始，便采用上面級直接入軌策略[3]。俄羅斯也通過弗雷蓋特(Fregat)火箭上面級完成伽利略導航衛星的一箭多星發射任務[4]。

一般衛星在與火箭分離后馬上進行太陽翼展開，衛星電源便有了保障，可以繼續開展后續變軌工作[5-7]。但對于上面級直接入軌的衛星，由于可展開空間和變軌期間安全性的限制，上面級和基礎級分離后，衛星無法對太陽翼進行展開操作，衛星沒有能量來源。由于轉移軌道段時間較長，如果該過程中全部能源均由衛星蓄電池組提供，蓄電池組設計容量大于在軌實際所需容量，造成在軌使用的浪費，同時對衛星的起飛質量造成負面影響。經計算[8]，一個功率等級3 kW的中圓軌道衛星如果上面級轉移軌道段全部由衛星自帶蓄電池組供電，蓄電池組容量需要增加20%，質量增加約12 kg，給衛星設計帶來負擔。而且需要太陽翼在星箭分離后立即展開，如果未正常展開幾乎沒有故障處置時間。如果能設計一種上面級直接入軌衛星星箭供電接口，既可以降低衛星的起飛質量，也可以解決上面級轉移軌道段直至星箭分離時衛星用電難題，對提升衛星轉移軌道段用電的可靠性和安全性有著重要意義。

目前，我國已完成“一箭雙星”上面級直接入軌的實踐。本文首先分析了衛星轉移軌道段星箭供電接口設計原則，在此基礎上提出一種“一箭雙星”上面級星箭電接口的設計方法，并對“一箭雙星”上面級直接入軌的應用與驗證情況進行總結。

1 星箭供電接口設計原則

上面級直接入軌衛星星箭供電接口，其設計難點包括3個方面：①兩個系統之間電接口的匹配性問題。設計時應確保上面級供電品質能夠適應衛星的實際需求，防止出現母線電壓不匹配或負載變化導致母線電壓劇烈波動的問題；②上面級為衛星供電的裕度問題。設計時應確保裕度既能滿足衛星轉移軌道段使用要求，又能最大程度降低發射質量成本；③上面級為衛星供電的安全性問題。設計時應關注供電切換時母線電壓變化以及供電耦合部分的安全性。

綜合以上設計難點，設計時應重點關注衛星用電品質、上面級供電裕度、供電安全設計等原則。

1.1 衛星用電品質原則

衛星的用電品質一般包括母線電壓和負載電流。目前，衛星一次母線一般為全調節設計，中高軌衛星根據功率等級不同，母線電壓各有不同。一般包括42 V和100 V[9]。為確保上面級供電期間衛星一次電源設備不參與調節，上面級供電電壓需要高于衛星母線電壓，取42.5 V和100.5 V。同時，由于衛星用電單機的安全工作電壓限制，上面級供電電壓需要低于安全工作電壓上限。42 V母線負載正常工作電壓范圍一般不超過45 V，100 V母線負載正常工作電壓范圍不超過105 V。因此，上面級供電電壓在衛星入口端應為42.5 V～45 V或100.5 V～105 V。

對于衛星用電電壓的要求，上面級供電接口的設計既要充分考慮滿載時線纜壓降帶來的影響，也要考慮輕載或空載時輸出電壓過高的風險。以衛星一次母線Vbus=42 V為例，一般上面級供電輸出端設計為45 V，即使在空載時母線電壓也不會超過安全工作電壓。同時核算滿載時壓降，對星箭供電電纜阻抗提出約束，確保衛星在滿載時母線電壓仍高于調節上限。

由于衛星在主動段和轉移軌道段處在不斷變化的熱環境中，部分加熱器會在接通和關斷之間變化。此外，衛星程控會在轉移軌道段對部分負載設備加電。以上原因均會導致衛星負載電流變化。上面級供電接口設計中，需要重點關注負載波動對母線電壓的影響，對負載波動時母線電壓變化幅值和回調時間提出要求。

1.2 上面級供電裕度原則

上面級供電時間一般從起飛前開始，直至衛星與上面級分離。起飛前，由于存在處理脫落插頭、人員撤離等操作，需要衛星在發射前提前將地面供電轉為衛星自身蓄電池組供電，再轉為上面級供電。時間一般在發射前1 h或2 h。從該時刻起，直至上面級與衛星分離，衛星均通過星箭供電接口由上面級供電(見圖1)。

圖1 衛星上面級供電時序Fig.1 Sequence of power supply by upper stages

拋掉整流罩后，衛星太陽翼由于受太陽光照能夠產生部分能源，但由于上面級供電電壓高于衛星母線調節電壓，太陽翼產生的能源在轉移軌道段直接被分流掉。因此，太陽翼不作為轉移軌道段衛星的能量來源。

供電需求方面，上面級供電期間，衛星平臺供配電、數管、測控、控制及推進等分系統處于加電狀態。熱控分系統加熱器一般處于自控使能狀態。用電需求統計時，既要關注平臺恒定負載，也要關注短時工作的加熱器等瞬時負載，確定衛星轉移軌道段長期和瞬時功率需求，為上面級供電接口設計提供依據。

設上面級共攜帶n顆衛星起飛，n顆衛星起飛前平均功率需求分別為Pq1，Pq2……Pqn，起飛后平均功率需求分別為Pr1，Pr2……Prn。設起飛前上面級供電時間為T1i，起飛后至星箭分離時刻上面級供電時間為T2i。n顆衛星對上面級電量需求W(單位：Wh)為

(1)

式中：Pqi為第i顆衛星起飛前平均功率需求，Pri為第i顆星起飛后平均功率需求。

設上面級供電綜合效率為η，上面級電池組在整個放電周期內平均放電電壓為Vbat，上面級電池組放電深度為D。上面級電池容量C理論值為

(2)

上面級的衛星供電系統只在轉移軌道使用，星箭分離后便沒有使用價值，因此，為減輕發射重量，上面級供電裕度應在保證衛星使用需求的基礎上，僅留少量余量。星箭分離時，上面級電池組放電深度一般設計為80%～90%。

1.3 供電安全原則

上面級與衛星供電接口設計中，尤其要注意供電安全問題。包括衛星和上面級分離時母線壓降、“一箭多星”上面級供電回線共地問題。

由于上面級供電時衛星母線電壓處于分流調節閾值以上，衛星自身供電不輸出。當上面級斷電瞬間，衛星電源系統開始調制。衛星系統調制需要一定響應時間，且調制從放電域開始，導致上面級與衛星分離時，衛星母線電壓出現一定幅度下跌。設計時，需要通過分析和試驗手段，確認分離時母線電壓下跌幅度和響應時間，并確保母線電壓的瞬變不會造成星上設備斷電。

“一箭多星”上面級供電接口設計時，應關注供電公共部分耦合情況。一般衛星一次母線回線與結構直接連接，如果多星共同安裝于上面級支架上，則會造成多星一次母線回線聯通。一旦負載發生波動導致多星之間負載差異變化，供電回線上會產生“竄電”現象。設計時，需要加強衛星一次母線回線接地設計，還需要注意該現象對功率負端采樣電路精度的影響。

2 一箭雙星上面級直接入軌衛星星箭供電接口設計

根據上面級直接入軌衛星星箭供電接口設計原則，對一箭雙星上面級供電接口進行具體設計。

2.1 上面級供電拓撲設計

由于上面級供電母線有嚴格的限制，需要在上面級和衛星之間設計蓄電池放電調節器(Battery Discharge Regulator，BDR)。每顆衛星對應兩個BDR電路，一箭雙星上面級與衛星電接口理論拓撲如圖2所示。

圖2 上面級供電理論拓撲Fig.2 Theoretical topological structure of power supply by upper stages

實際設計中，為節省資源，上面級通過3路BDR電路匯流成一條公共母線，再分別送與兩顆衛星，具體拓撲如圖3所示。

圖3 上面級供電實際拓撲Fig.3 Practical structure of power supply by upper stages

該設計雖然增加了雙星供電的公共部分，節省了質量，但同樣會增加耦合部分的共因失效和共源干擾風險，需要加強供電通路的可靠性設計，確保供電安全。

2.2 箭內星用電池組設計

雙星起飛前2 h由外部供電轉為上面級供電，起飛后3.5 h星箭分離。起飛前單星平均功耗為310 W，起飛后平均功耗為480 W。根據式(1)，衛星對上面級電量需求為4600 Wh。

上面級BDR模塊實測效率為92%，供電通路效率為94%，綜合效率為86%。上面級采用升壓調節電路，蓄電池平均放電電壓取26 V。根據式(2)上面級蓄電池全部放空的條件下，蓄電池設計容量為212 Ah。

蓄電池選型方面，可以選擇航天中常用的鋅銀電池組，也可以選擇鋰離子蓄電池組。鋅銀電池優點在于成熟度高，應用面廣，但空間用鋅銀電池一般采用單體密封電池，一旦推遲發射，蓄電池組便不能再充電，影響任務使用；鋰離子蓄電池組優點在于質量輕，可重復充放電，可以在型譜內挑選合適的鋰離子蓄電池單體并聯得到需要的容量。

對于最低212 Ah的容量需求和平均放電電壓26 V的需求，選擇型譜為60 Ah的單體3并7串。壽命初期充滿電時容量約為220 Ah，滿足使用要求，預計放電深度在90%左右。

2.3 上面級供電安全設計

雙星母線電壓均為42 V，根據星箭供電設計原則，將上面級供電衛星端電壓設計為42.5 V～45 V。在星箭電纜設計時，重點關注上面級給衛星供電功率通路的阻抗，減小大電流時電纜壓降，確保上面級供電電壓始終大于衛星母線調節電壓的上限。上面級供電功率通路正線和回線阻抗分別為60 mΩ。衛星轉移軌道段最大瞬時負載為710 W，壓降為2.1 V，母線電壓仍滿足大于42.5 V的要求。

一箭雙星上面級供電時潛通路如圖4所示，由于供電端的耦合特性，雙星供電電流回線通過衛星支架聯通，供電阻抗和負載電流的不同導致潛通路電流必然存在；當上面級為兩顆衛星因加、斷電操作不同步時，同樣會產生潛通路電流。經試驗，雙星負載電流差異越大，潛通路電流越大。負載差異10 A，潛通路電流2 A。雙星電源控制設備設計時，電源控制設備和電纜可以容忍功率回線和結構上流過最大10 A的潛通路電流，確保該電流不會對供電安全性和遙測準確性造成影響。

圖4 上面級供電潛通路示意圖Fig.4 Current potentially path at power supply by upper stages

3 一箭雙星上面級轉移軌道段供電接口驗證

以一箭雙星上面級轉移軌道段實際飛行情況為例，對設計進行驗證。一箭雙星分別為A星和B星。起飛后，A星母線電壓和母線電流見圖5和圖6。

B星母線電壓和母線電流見圖7和圖8。其中，起飛前為恒定負載，數據顯示為一條直線。

上面級供電采用鋰離子蓄電池組，供電能力為5700 Wh。設T為整個轉移軌道段時長(單位s)，IAi、VAi、IBi、VBi等表示第i時刻相應衛星的母線電壓和母線電流遙測值。分別對A星和B星電壓和電流的乘積結果對時間積分如下：

(3)

式中：E為雙星轉移軌道段總用電電量。計算得到衛星轉移軌道段總用電量E為4370 Wh。按綜合放電效率86%計算，得到上面級放電深度為89%。

該設計滿足了衛星從起飛前到入軌過程中5 h以上的用電需求，使衛星蓄電池組在衛星與上面級分離時刻仍為滿荷電狀態，為衛星太陽翼正常展開留有了足夠的余量。有效減少了衛星起飛質量，對一箭雙星的成功發射具有重要的意義。

圖5 上面級供電A星母線電壓Fig.5 Bus voltage of satellite A at power supply by upper stages

圖6 上面級供電A星母線電流Fig.6 Bus current of satellite A at power supply by upper stages

圖7 上面級供電B星母線電壓Fig.7 Bus voltage of satellite B at power supply by upper stages

圖8 上面級供電B星母線電流Fig.8 Bus current of satellite B at power supply by upper stages

4 結束語

本文提出了“一箭雙星”直接入軌衛星上面級供電接口設計，通過實際飛行結果進行了驗證。上面級直接入軌衛星星箭供電接口的設計滿足了衛星從起飛前到直接入軌過程中的用電需求，減小了衛星的起飛質量，提高了轉移軌道段衛星用電的安全性。綜合全文，可以得到如下結論：

(1)對于后續衛星，上面級供電接口設計中除了關注供電品質、供電裕度以外，也要重點關注供電安全性問題，尤其是多星供電耦合部分設計問題。

(2)上面級蓄電池放電深度可以設計為80%～90%，既可以滿足衛星用電需求，也可以最大限度減小起飛質量。

(3)對于起飛質量余量較大衛星，可以采用互相隔離的上面級功率變換模塊，減少供電耦合部分，增加系統可靠性。