運載火箭控制系統箭上電纜網設計*

朱源，趙樂

(北京航天自動控制研究所，北京 100854)

0 引言

運載火箭控制系統箭上電纜網是控制系統的重要組成部分，是全箭信息流的載體，又是全箭協調工作的基礎，通過電纜網實現全箭電能的饋送，測量和控制信號的分配傳輸等[1]。箭上電纜網的設計建立在電氣系統電路圖的基礎上，與各單機提供的用電量指標、傳輸電氣信號的信息種類密切相關，是箭上電氣系統供電設計、信息流傳輸設計、彈地接口設計及電磁兼容性設計的物理實現[2]。箭上電纜網包括電纜束和電阻盒，電纜束是由一定類型與規格的導線和電連接器經過相應工藝要求加工而成的成套電纜[1]，電阻盒是時序控制輸出設備，內部安裝火工品限流電阻、消反峰電阻及二極管。

隨著新一代運載火箭的迅速發展，控制系統為滿足可靠性、安全性和經濟性不斷地優化設計，箭上電纜網也不斷向更可靠、簡單化、集成化的方向發展，以達到“功能完備、結構合理、高可靠性、安全性和電磁兼容性”的設計要求[3]。

1 一般設計要求

1.1 電連接器的選用

電連接器的選擇原則如下：

(1)電連接器的選擇應當由系統統一考慮，在滿足系統環境條件和技術指標要求的前提下，應盡量選用體積小、重量輕的電連接器，并盡量壓縮電連接器的品種規格和廠家；

(2) 應優先選用壓接型電連接器，特別是應用在比較惡劣環境中的電纜。

運載火箭控制系統一般優先選用金屬類殼體的J599Ⅲ系列電連接器，采用三頭螺紋快速連接，并帶防松脫機構，能屏蔽電磁干擾，耐沖擊和高強度振動[4]，主要性能指標如表1，2所示。

表1 J599Ⅲ系列連接器主要機械和環境性能

表2 J599Ⅲ系列連接器主要電氣性能Table 2 Main electrical properties of J599Ⅲseries connectors

1.2 導線及電纜的選擇

導線及電纜的選擇要求如下：

(1) 導線與電纜應滿足安裝、敷設處的環境條件和使用要求(包括機械性能、使用溫度范圍、額定工作電壓及各種防護功能要求)，并具有良好的絕緣性能。

(2) 考慮局部高溫和火焰的燒蝕，相應位置的電纜應采取防高溫措施，線束外套硅橡膠管和玻璃纖維套管。

(3) 電纜的柔軟度應滿足系統使用要求，對于一般的信號控制線路，應當選擇線芯為多股銅絲的軟安裝線。

(4) 導線截面積選用要求為：用于飛行及安全控制功能的應不小于0.20 mm2，用于信號測量功能的應不小于0.12 mm2，用于供電及火工品電纜應不小于0.35 mm2；除飛行及安全控制功能外的其他重要線路，承受較大振動、多次彎曲的電纜，帶有螺紋插頭、需經常插拔的電纜一般不宜用截面積小于0.20 mm2的導線。

(5) 1553B總線電纜一般適用于1 MHz及以下頻率的數據傳輸，總線電纜的屏蔽覆蓋率至少為90%。

運載火箭控制系統一般選用交聯乙烯-四氟乙烯共聚物絕緣導線，導線一般不少于19股，具有良好的柔軟性和成束后的可彎曲性。導線額定電壓為交流600 V，20 ℃絕緣電阻不小于1 500 MΩ·km。導體材料選用鍍錫銅或鍍銀銅，工作溫度范圍分別為-65～+150 ℃,-65～+200 ℃，主要性能參數如表3所示。

2 詳細設計要求

2.1 可靠性設計要求

箭上電纜網可靠性設計要求如下：

(1) 電連接器應對接觸件電流進行降額設計，導線及電纜應對應用電壓及電流進行降額設計，一般應滿足I級降額[5]。

(2) 線路設計中，所有供電和控制信號傳輸線路，均需采用雙點雙線以上的聯接方式，確保系統供電及信息傳輸線路可靠工作[6-7]。

(3) 控制系統各分離面均應采用冗余分離連接器，并根據系統設計需求進行接口冗余設計，確保分離插頭一度故障下，控制系統工作正常。

(4) 火工品供電電路設計應盡量減少或消除潛電流。

(5) 火工品引爆線路中應設計限流電阻，既能控制火工品引爆電流，也能承受瞬時大電流的沖擊而不出現阻值變化。

(6) 為提高控制系統可靠性，簡化電纜網設計，自新一代運載火箭起采用1553B總線技術。1553B數據總線有2種冗余設計方案，一種是單總線三冗余結構，總線由A，B 2條冗余通道組成，控制系統所有智能設備均為3套，采用冗余站點方式掛在總線上；另一種是相對獨立的三總線三冗余結構，全箭通過3條雙通道(A、B通道互為冗余)1553B總線連接3套完整的電氣系統，形成相對獨立的冗余設計[8]。

2.2 安全性設計要求

箭上電纜網安全性設計要求如下：

(1) 電纜網中應配有火工品短路保護插頭及相應的保護蓋，確保射前測試及飛行安全。

(2) 火工品引爆線路的設計，必須考慮火工品引爆前、后的全部狀態。對于引爆后可能出現的短路狀態，應采取相應保護措施(如保護電阻)，保證系統安全可靠工作。

(3) 位置相近、形狀相同的電連接器應有不同的配合位置鍵以防誤插，或涂不同的彩色帶以便識別，保證操作安全性。

(4) 在滿足使用要求的基礎上兼顧安全性，設計中盡量將各組信號間、正負母線間保持一定空點，降低不同信號間、正負母線間可能出現的搭接、短路概率。

2.3 電磁兼容性設計要求

箭上電纜網是電磁干擾的主要耦合通道，箭上諸多干擾都是在傳輸過程中通過電纜線間串擾和耦合產生的，因此電磁兼容設計非常重要[9-11]，設計要點如下：

(1) 對箭上傳輸信息進行分類、清理、匯總，根據線路特點選用相應的電纜，具體要求見表4。

表3 鍍錫銅芯交聯乙烯-四氟乙烯共聚物絕緣導線主要參數Table 3 Main parameters of tin coated copper conductor cross-linked ethylene tetrafluoro-ethylene copolymer insulated conductor

注：導線型號55A0111-20中55 A表示55號線纜；0表示無屏蔽，無外絕緣層；1表示600 V單層絕緣；1表示內導線根數為1根；1表示鍍錫銅；20表示線規為20，對應截面積為0.6 mm2。導線型號82A0111-22中82 A表示80號柔軟線纜，其余編號含義均和55號線纜相同。

表4 電信號分類和屏蔽要求Table 4 Electrical signal classification and shielding requirements

(2) 電源線、信號線，高頻線、低頻線，強電、弱電信號，數字量、模擬量等在布線設計時應歸類、分離，不同性質的傳輸線應盡量避免在同一束電纜和同一插頭座上通過[9]。

(3) 對外易產生干擾的電纜，如給伺服機構供電的中頻電纜，應采用360目銅網將線束包裹，并將銅網可靠接地，同時將這類電纜與其他信號電纜分開走線，減小干擾[8,12]。

(4) 接地設計是解決電磁干擾的重要手段，接地好壞直接影響箭上設備的電氣匹配性能[13-14]。運載火箭控制系統采用浮地設計，屏蔽地與設備殼相連，各設備的殼體就近與箭體殼相連[8]。

控制系統電纜網屏蔽接地設計的具體要求如下：

(1) 脈沖上升或下降時間小于1 μs的數字電路(頻率高于100 kHz)和火工品引爆電路，應采用電纜屏蔽體多點接地，其他所有電路一般采用單端屏蔽接地。當單端屏蔽接地用于使電路避免引入輻射時，應在接收器或高阻抗端接地；當單端屏蔽接地用于使電路輻射減至最小時，應在信號源端接地[9]。

(2) 優先選用360°屏蔽尾罩，采用360目銅網將電纜屏蔽層處理到屏蔽尾罩的屏蔽環上，使插頭尾罩與插座、設備殼體保持足夠的接觸面積，有效地提高抗干擾能力[8,12]。

(3) 對于采用非屏蔽尾罩的，用截面積不小于0.35 mm2的導線將電纜束屏蔽層焊接在單向焊片上[15]，利用插頭尾罩出線夾的螺釘，把單向焊片與尾罩搭接，通過插頭、插座與箭體殼相連。

(4) 電纜束中的屏蔽層應相互連通，與插頭、插座的接殼點相連，并通過P2×4的防波套或6根以上截面積為0.5 mm2的導線與電纜束接地焊片連接，接地焊片與箭體殼相連，從而使電纜束屏蔽層、插頭、插座的殼體、箭體殼均相連，確保可靠接地。

3 箭上電纜網線路設計

3.1 1553B總線冗余設計

1553B總線網絡一般包括總線電纜、耦合器和終端電阻，一般采用終端隔離的變壓器耦合方式，短截線長度不超過6 m，總長度不超過190.5 m。總線電纜設計時需滿足總體對電纜網分支走向的要求，也需考慮站點的布局，減少總線彎折，裝配時應保證一定的彎曲半徑，避免180°彎折捆扎。圖1以單總線雙通道冗余設計方案為例，給出A通道總線拓撲結構圖，B通道與A通道互為冗余，結構相同，圖1中的耦合器分為五大類，如表5所示。

圖1 單總線A通道拓撲結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of single bus Achannel topology

表5 耦合器分類Table 5 Classification of couplers

注：Z0為總線電纜的標稱特性阻抗，范圍為70.0～85.0 Ω。

Ⅰ，Ⅱ級分離前，由綜合控制器發出總線切換指令，控制總線復用器A3的control端，使復用器內部切換到終端匹配電阻上，保證在總線分離后Ⅱ級總線網絡完整。1553B總線網絡一般選用含8#雙同軸的總線分離電連接器連接。A，B通道各使用1個分離電連接器，實現總線雙通道的分離冗余設計，確保總線可靠切換和分離。

3.2 供配電線路冗余設計

箭上電纜網進行供配電線路設計前，必須依據系統布置圖和電路圖分析供配電需求和電纜束分配，以便更好地實現供配電設計。圖2給出某運載火箭+B1供配電需求框圖。圖3以儀器艙B01電纜為例，給出+B1供電線路的拓撲設計。圖3中箭地脫落插頭XS1TC和級間分離插頭XP1FC為焊接插頭，其余設備端插頭均為壓接插頭。焊接插頭每個接點可以焊多根導線，而壓接插頭每個接點只能壓接一根導線，電纜網中采用壓接套管實現并聯設計。壓接套管一般選用瑞侃公司D-436套管(圖3中的XB55～XB63)，將多根導線分別壓入套管兩端，壓緊后外套絕緣熱縮套管，實現壓接方式下并聯設計。

圖2 +B1供配電需求框圖Fig.2 Block diagram of +B1 bus power supply and distribution

圖3 +B1供電線路的拓撲設計Fig.3 Topology design of +B1 bus power supply circuit

箭地脫落插頭XS1TC為地面+B1供電端，80XS2為箭上配電器+B1供電端，為使地面供電和箭上電池供電兩種情況下，箭上設備的供配電路徑最短，將XS1TC和80XS2插頭同時出線壓入壓接套管的一端，再從壓接套管的另一端分別給各設備供電，設計中盡量保證各壓接套管均勻出線，同一設備采用多個壓接套管并聯供電，任意一個壓接套管出現故障，都能保證箭上設備可靠供電。地面和箭上+B1供電端利用XS1TC插頭的跨線、壓接套管以及壓接套管間的跨線實現環形供電，供電插頭任一接點異常斷開，箭上設備的供電都不受影響。

3.3 電阻盒線路設計

電阻盒內控制線路分為電磁閥和火工品2類，圖4給出電阻盒線路設計的示例。電磁閥為感性負載，為抑制反電勢，提高電磁兼容性，設計由電阻和二極管組成的消反峰電路，并聯在電磁閥兩端，圖4中R1，V5為電磁閥1的消反峰電路。電阻盒中為每一路火工品負載設置相應的限流電阻，用于控制火工品引爆電流，并避免由火工品橋絲搭殼引起的電源短路故障。限流電阻一般選用TRY-A型火工品限流電阻，能承受200 ms，200 W的瞬時過載。

每一路綜合控制器時序信號進入電阻盒，均需串聯一組并聯二極管，提高設計可靠性，防止出現潛通路。圖4中如果沒有二極管V1～V4，則綜控器時序輸出信號1→4KZ/1，2→電磁閥1→4KZ/31，32→567/31，32→電池負母線→電磁閥2的消反峰回路V6，R2→時序回采端2，形成潛通路，造成時序回采端2在綜控器沒有輸出時序信號的情況下誤采到時序信號。

3.4 火工品短路插頭設計

為確保安全，箭上電纜網應配備短路保護插頭，將火工品正負兩端短接，以防止靜電引起火工品引爆。短路插頭用紅色做顯著標記，發射前取下。短路插頭分為支路和總短路插頭2類。支路短路插頭配備在靠近火工品一端的電連接器上，僅將該支路的火工品正負兩端短接；總短路插頭配備在電阻盒測試插頭上，用于在控制系統和動力系統火工品電纜對接后，將電阻盒控制的全部火工品正負兩端短接。

3.5 助推分離線路冗余設計

助推分離線路冗余設計分為2類：一類利用火工品橋絲互為冗余，系統分別從不同的助推分離插頭給出左橋、右橋的控制信號，從而使控制線路和火工品橋絲形成的控制回路整體冗余，如圖5所示；另一類是利用綜合控制器中給出冗余時序控制信號，再分別從不同的助推分離插頭控制相應的火工品，從而保證火工品控制通路的冗余，如圖6所示。

圖5中ZF13～ZF16每個側推火箭有左右2個引爆橋絲(ZF13(L)表示左橋，ZF13(R)表示右橋)。綜合控制器分別給出左橋、右橋兩路控制信號，時序控制信號和電池負母線供電信號分別經過分離插頭11FCZ，12FCZ到達火工品的正、負端，確保任一分離插頭異常斷開，都能保證火工品可靠引爆。設計中時序控制信號走11FCZ的5，6點，負母線走11FCZ的45，46點，正負母線隔開，避免出現搭接短路，確保系統安全。

圖6中綜合控制器給出冗余的Ⅰ，Ⅲ副系統關機信號YF-A，YF-C，時序控制信號和電池負母線供電信號分別經11FCZ，12FCZ到達火工品的正、負端，控制YF-A，YF-C的4路火工品橋絲同時引爆，任一分離插頭異常斷開，助推器Ⅰ，Ⅲ都能正常關機。

圖5 助推器側推線路設計示意圖Fig.5 Schematic diagram of booster side push circuit design

圖6 Ⅰ，Ⅲ副系統關機線路設計示意圖Fig.6 Schematic diagram of Ⅰ and Ⅲ subsystem power off circuits

4 試驗驗證情況

4.1 電纜網驗收試驗

電纜網應根據設計圖紙，按電纜網專用技術條件進行100%的出廠檢驗；并在每批產品中按圖紙要求抽取相應比例的電纜進行例行試驗。電纜束出廠檢驗項目一般包括配套和外觀質量檢查、線路檢查、絕緣電阻、絕緣強度檢查。電阻盒出廠檢驗項目較電纜束增加5項：火工品限流電阻阻值測試、篩選試驗、低溫、高溫和振動試驗。例行試驗項目一般包括低溫、高溫、振動、沖擊、高濕度、低氣壓和運輸試驗[6]。

4.2 控制系統驗證試驗

電纜網由工廠交付系統后，應隨控制系統參加綜合試驗、匹配試驗、火工品引爆試驗、電磁兼容試驗、出廠測試和飛行試驗等，并根據實際使用中反饋的信息，對電纜網的設計進行修改和完善。

5 結束語

箭上電纜網是控制系統密不可分的一部分，電纜網設計中要充分考慮供配電和信號傳輸的可靠性、安全性和電磁兼容性要求，以及導線及電連接器的降額要求。本文詳細介紹了電連接器和電纜的選擇要求以及電纜的屏蔽和接地設計要求，并給出了1553B總線、供配電線路、電阻盒以及助推分離等線路的具體設計，為運載火箭箭上電纜網設計提供經驗和參考。