北斗三號衛星與上面級供電相關接口分析及驗證

曾 毅,賈蒙楊,鮑恩竹,陳世杰,杜卓林,陳定輝

(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，北京 100094; 3. 中國人民解放軍61741部隊，北京 100094)

0 引言

上面級是在常規基礎級運載火箭上增加的相對獨立的一級運載工具，是航天器運輸系統的重要組成部分，具有較強的任務適應性[1]。相對于常規的基礎級運載火箭，上面級具有自主飛行、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]。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]。歐空局利用俄制Fregat上面級完成了伽利略衛星的發射[4]。中國從第三代導航衛星開始，采用一箭雙星上面級直接入軌方式。

北斗三號衛星采用一箭雙星上面級直接入軌方式，受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，仍需依靠蓄電池作為主要能源。由于轉移軌道段時間較長，如果該過程中全部能源由蓄電池組提供，蓄電池組設計容量大于在軌實際所需容量，增加了衛星的的起飛質量，同時造成在軌應用資源的浪費。按照一個功率等級3 kw的中地球軌道衛星全部由衛星自帶蓄電池組供電，蓄電池組的容量需要增加20%，質量增加12 kg，給衛星設計帶來負擔[5]。轉移軌道段采用上面級供電方式，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。

衛星采用運載火箭上面級發射，與上面級組合體飛行時間約4 h，衛星與上面級分離后約40 min后帆板展開，這一過程同采用自身變軌的導航、通信衛星有較大差別。在這期間，衛星飛行軌道經歷了由大橢圓軌道至圓軌道的過程，衛星的飛行姿態經歷了變軌、慢旋、分離后巡航等多個姿態。星箭對界面的溫度是衛星和上面級內設備工作溫度的分析基礎，其中分離電連接器所處的環境最為惡劣。雙星采用起旋+彈簧彈射方式進行同時分離，在分離時刻的碰撞或干涉安全性風險也需要重點關注和分析。

本文針對北斗三號一箭雙星上面級直接入軌方式的特點，分析了衛星與上面級間的供電和相關熱接口，并從雙星分離安全性角度考慮，分析影響衛星與上面級接口安全性的主要要素，并對應用和驗證情況進行總結。

1 接口安全性設計原則

北斗三號采用一箭雙星上面級直接入軌方式，其接口設計難點主要包括3個方面：1)兩個系統之間電接口的電接口匹配性問題，設計時應確保系統供電潛通路不會對供電安全性和遙測準確性造成影響，防止出現母線電壓不匹配或負載劇烈變化導致雙星相互影響的問題;2)在上面級轉移軌道階段，衛星要經歷更為惡劣的高低溫環境，需要確保分離電連接器在產品安全裕度內，確保可靠分離;3)到達目標軌道后，雙星采用起旋+彈簧彈射方式進行同時分離，需要重點關注雙星分離時刻的碰撞或干涉風險。

2 供電接口設計分析與驗證

2.1 系統供電原理

為了確保整個發射入軌過程中衛星能源安全，并為故障處置留有足夠的供電余量，上面級直接入軌發射過程中由上面級向衛星供電，以節省衛星自身攜帶的能源，并降低衛星散熱的壓力。衛星自身采用高性能的全調節母線供電設計，因此上面級向衛星供電也必須是略高于衛星供電電壓的高品質電源。上面級向雙星供電的系統關系如圖1所示[7]。

從射前準備階段到雙星與上面級分離，星上設備供電需要從地面供電轉換到上面級供電，再轉入衛星自身供電，需要設計合理的切換順序。經歷多次一箭雙星發射后，結合上面級和衛星射前準備工作的優化，整個供電轉換時序也不斷優化。整星加電至射前2 h，雙星采用地面電源供電；射前2 h至衛星與上面級分離，采用上面級電源供電;衛星與上面級分離至衛星太陽翼展開前，衛星由自身攜帶的蓄電池組供電。為確保3種供電系統的安全性，在地面電源、上面級電源和衛星電源的電壓輸出端都設置隔離二極管，確保3類電源都不會發生電流倒灌故障。

2.2 系統供電潛通路影響分析

雖然衛星和上面級均設計為電源母線回線單點接地，但雙星與上面級對接后，整個組合體將有3個供電回線接地點，供電電流回路存在潛通路，如圖2所示。衛星1與衛星2基準地之間通過衛星支架與井字梁相聯，則衛星1與衛星2一次回線間將存在一條潛通路，衛星1功率回線可能通過上面級結構流向衛星2功率回線，然后回到上面級供電控制器;衛星2功率回線也可能通過上面級結構流向衛星1功率回線，然后回到上面級供電控制器。

圖1 地面、上面級和衛星3種電接口關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of three electrical interfaces of ground, upper stage and satellite power

圖2 上面級接地潛通路示意圖Fig.2 Schematic diagram of upper stage grounding sneak circuit

由于供電的耦合特性，雙星供電電流回線通過衛星支架連接，供電阻抗和負載電流的不同導致潛通路電流必然存在。經試驗驗證，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通路可以承受最大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[6]。

2.3 上面級轉衛星供電瞬態特性分析與驗證

上面級供電輸出到衛星母線的電壓設計為43～45 V，高于衛星電源系統調制電壓，上面級為衛星供電輸出，衛星PCU工作于分流域的最上端，供電不輸出。當上面級切換為衛星供電時，上面級電源突然切斷，衛星端電源系統開始調制，由于衛星電源系統PCU采用S3R三域調節技術，PCU需要從分流域最上端經過分流域、充電域、放電域才能完成穩定的母線電壓輸出，由于此時上面級已不輸出，PCU調節過程會導致衛星母線電壓出現一定幅度的下跌。 PCU需要從分流域最上端經過分流域、充電域、放電域從而建立母線電壓，是大幅度的跨域調節，對PCU控制系統的穩定性是一個考驗，在設計上需要關注。上面級轉衛星供電時PCU工作點示意如圖3所示。

圖3 上面級轉衛星供電時PCU工作點示意Fig.3 Working point of PCU during power supply switchfrom upper stage to satellite

經試驗驗證，在上面級轉衛星供電過程中，母線下跌最大幅度不超過6 V，恢復時間小于10 ms，母線最低電壓大于37 V，在此過程中，平臺單機工作穩定，沒有單機發生欠壓保護或復位的現象，可以保證整星供電安全。上面級轉衛星供電母線瞬態波形如圖4所示。

圖4 上面級轉衛星供電母線瞬態圖Fig.4 Transient diagram of power bus from upper stage to satellite

3 熱接口分析與驗證

3.1 分離電連接器熱分析與驗證

北斗二號采用衛星自身變軌方式，分離電連接器在射前10 min轉衛星蓄電池供電后就不參與整星工作,因此分離電連接器的溫度情況就不需要關注。北斗三號在上面級轉移軌道階段，上面級通過分離電連接器給衛星供電，分離電連接器的分離特性關乎到星箭能否正常分離的系統間接口，必須保證可靠分離。分離電連接器安裝在衛星-Z板外表面，所處的空間環境較為復雜，考慮到分離電連接器結構較為復雜，出于突出主要矛盾、簡化熱分析模型的目的，進行如下合理的簡化假設：

1)忽略與分離電連接器相連的電纜和周邊的支架對分離電連接器溫度的影響因素。

2)為簡化模型，將上面級轉移軌道所經歷的不同軌道段處理為一個統一的軌道參數。

通過熱分析和在軌驗證，分離電連接器低溫工況下分離電連接器最低溫度不低于10℃，高溫工況下分離電連接器最高溫度不大于70℃，滿足產品的安全裕度。轉移軌道分離電連接器溫度變化如圖5和圖6所示。

3.2 星箭對接面熱分析與驗證

衛星采用運載火箭上面級發射與上面級組合體飛行時間約4 h，衛星的飛行姿態經歷了變軌、慢旋、分離后巡航等多個姿態，星箭對界面的溫度是衛星和上面級內設備工作溫度的分析基礎。星箭對接處的溫度主要受上面級衛星支架、分配器及衛星服務艙的影響。其熱設計狀態主要如下：

(a)-X-Y側插頭及插座

(b)+X+Y側插頭及插座

(a)-X-Y側插頭及插座

(b)+X+Y側插頭及插座

1)整個分配器支架的外表面均為散熱面，噴涂KS-Z白漆，分配器支架上端面粘貼聚酰亞胺薄膜鍍鋁二次表面鏡，儀器安裝板下面板噴涂SR107白漆；

2)分配器支架上端面包覆一層50 μm厚的聚酰亞胺薄膜，外面再粘貼一層25μm防靜電聚酰亞胺薄膜鍍鋁二次表面鏡壓敏膠帶；

3)衛星支架包覆10單元多層隔熱組件，最外層為25 μm防靜電F46鍍銀二次表面鏡。

通過熱分析和驗證，其在低溫工況和高溫工況時的溫度分別如圖7和8所示。從上述圖可以看出，衛星支架上星箭對接處在低溫工況的溫度在-12～+15℃范圍內，在高溫工況的溫度在+5～+25℃范圍內，滿足衛星支架星箭對接處提出的溫度指標要求為-15～+30℃。

圖7 低溫工況衛星支架上星箭對接處溫度Fig.7 Temperature of satellite and rocket docking on satellite support under low temperature condition

圖8 高溫工況衛星支架上星箭對接處溫度Fig.8 Temperature of satellite and rocket docking on satellite support under high temperature condition

4 分離時刻太陽翼安全性分析

常規的的衛星采用一箭一星發射方式，不需要考慮分離時刻衛星的碰撞情況。采用一箭雙星直接入軌發射方式，由上面級將衛星直接送入工作軌道高度，雙星采用起旋+彈簧彈射方式同時分離。分離時刻兩衛星質心最小距離及太陽翼展開最小安全時刻直接關系到分離時刻整星的安全，要避免發生碰撞或干涉風險。兩衛星的太陽翼展開狀態最遠點之間距離變化隨著時間變化而擴大。

通過動力學模型分析驗證，兩顆衛星分離過程中不會相互接觸，分離過程是安全的。在分離1 min后雙星質心距離大于16 m，可滿足雙星同時展開太陽翼無碰撞風險的要求。目前太陽翼展開時機是與上面級分離后35 min，滿足上述條件要求，可以確保整星分離安全。

5 結論

本文針對北斗三號一箭雙星上面級直接入軌方式特點，分析了接口安全性設計原則，并通過實際飛行結果進行了驗證。綜合全文，可以得到如下結論：

1) 上面級與雙星兩個系統之間供電潛通路不會對供電安全性和遙測準確性造成影響，在上面級轉衛星供電過程中，電壓下跌幅度小于6 V，平臺單機工作穩定，可以保證整星供電安全。

2) 在上面級轉移軌道階段，對系統安全最重要的分離電連接器所處的溫度環境在產品安全裕度內，確保分離可靠展開。

3) 采用一箭雙星直接入軌發射方式，雙星采用起旋+彈簧彈射方式進行同時分離，兩顆衛星分離過程中不會相互接觸，分離過程是安全的。