某型號運載火箭測量系統(tǒng)測試電源分析

盧存升，陳 博，曾少龍，鄧家權(quán)

(1.63798部隊，四川 西昌 615000；2.中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203)

測量系統(tǒng)是運載火箭的重要系統(tǒng)，擔(dān)負著火箭測試飛行過程中數(shù)據(jù)的采集、傳輸和飛行狀態(tài)的測量等任務(wù)。測量系統(tǒng)按照功能劃分成供電控制、數(shù)據(jù)采集、通信傳輸、外彈道測量、安全控制等幾大環(huán)節(jié)[1]。其中，供電控制設(shè)備的主要功能是在測試和發(fā)射過程中按一定的時間順序控制箭上設(shè)備加電、轉(zhuǎn)電，測量箭上設(shè)備儀器的工作狀態(tài)，配合其他系統(tǒng)完成測試發(fā)射任務(wù)。

供配電設(shè)備是電測系統(tǒng)的重要組成部分，其電路設(shè)計是否完善關(guān)系著運載火箭測試發(fā)射的成敗。本文在系統(tǒng)供配電原理和多次測試數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，對某型號運載火箭測量系統(tǒng)供配電設(shè)備在轉(zhuǎn)電過程中出現(xiàn)測試電源電流跳變現(xiàn)象進行了分析，指出了目前測量系統(tǒng)供配電電路設(shè)計中存在的缺陷，結(jié)合供配電設(shè)計的原則，提出了供配電電路設(shè)計改進的建議。

1 測量系統(tǒng)供配電原理

1.1 測量系統(tǒng)及供電電源分類

某型號運載火箭測量系統(tǒng)分為遙測子系統(tǒng)和外測安全子系統(tǒng)，遙測子系統(tǒng)的主要功能是將運載火箭內(nèi)部的各種物理量參數(shù)通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過采集、編碼處理后通過有線或無線方式傳輸?shù)降孛妗６鉁y安全系統(tǒng)是由箭上應(yīng)答機與地面雷達站配合，完成火箭跟蹤測量和安全遙控任務(wù)[2]。系統(tǒng)的各種設(shè)備根據(jù)供電品質(zhì)需要不同類型的供電電源，基于內(nèi)測量的遙測子系統(tǒng)，其精密性、準(zhǔn)確性和防干擾特點要求提供浮地電源供配電，系統(tǒng)擁有獨立的電源地和信號地，與箭體相互絕緣。外測安全系統(tǒng)使用的是共地電源，系統(tǒng)供電和信號地與箭體相連接。

測量系統(tǒng)供配電電源分為浮地測試電源、共地測試電源、地面供電電源和箭上電池。由于電池本身容量制約，發(fā)射前測試使用地面供電電源供電，火箭點火前轉(zhuǎn)到箭上電池供電，電池供電持續(xù)整個飛行過程，地面供電與箭上供電轉(zhuǎn)換是通過箭上配電器與地面配電組合共同完成。地面供電電源除了給箭上實現(xiàn)地面供電外，在電池未安裝時還通過模擬電纜模擬箭上電池供電。測試電源主要為信號轉(zhuǎn)接裝置中的配電控制設(shè)備執(zhí)行指令動作提供驅(qū)動，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 測量系統(tǒng)供配電過程

圖1 測量系統(tǒng)供配電框圖

測量系統(tǒng)供配電過程主要控制箭上設(shè)備地面供電、地面轉(zhuǎn)箭上供電、箭上設(shè)備斷電以及輔助連接器脫落等動作，這些動作主要由指令執(zhí)行器件——繼電器及開關(guān)電路實現(xiàn)。開關(guān)電路將計算機指令經(jīng)邏輯電路驅(qū)動繼電器，繼電器通過電磁鐵吸合開關(guān)觸點實現(xiàn)接通或斷開電路。測試電源是這些執(zhí)行電路的供電電源，在控制供配電過程中起重要作用。測試電源分為浮地測試電源和共地測試電源，浮地測試電源主要給遙測子系統(tǒng)供配電，共地測試電源給外安子系統(tǒng)及其他設(shè)備供配電。典型的指令執(zhí)行電路如圖2所示[3]。

圖2 指令執(zhí)行電路

測量系統(tǒng)供配電設(shè)備主要由VXI工控機、VXI測控組合、信號隔離箱、信號轉(zhuǎn)接裝置、配電控制組合、控制電源組合及地面電源單機組成。供配電指令通過VXI工控機接收轉(zhuǎn)發(fā)至VXI測控組合，經(jīng)信號隔離箱到信號轉(zhuǎn)接裝置，轉(zhuǎn)換成28 V控制電平驅(qū)動配電組合中的繼電器，配電組合通過繼電器控制地面電源與箭上的配電電路的通斷，實現(xiàn)給箭上設(shè)備的供配電，其供配電電路如圖3所示[3]。

圖3 測量系統(tǒng)供配電電路

1.2.1 箭上設(shè)備地面供電

箭上設(shè)備地面供電是指箭上設(shè)備由地面電源通過配電組合經(jīng)由脫落連接器給箭上配電器供電的過程。從圖3可以看出，當(dāng)?shù)孛婀╇娭噶钏偷叫盘栟D(zhuǎn)接裝置相應(yīng)的執(zhí)行電路后，執(zhí)行電路輸出28 V控制電平至配電組合，配電組合中繼電器吸合地面電源與箭上配電母線相連接的電路開關(guān)觸點，即可實現(xiàn)箭上設(shè)備地面供電。地面供電指令為保持型指令，28 V控制電平保持高電平持續(xù)輸出。

1.2.2 地面轉(zhuǎn)箭上供電

地面轉(zhuǎn)箭上供電是指箭上供電電源由地面電源切換為箭上電池或者模擬電纜供電的過程。地面轉(zhuǎn)箭上供電過程主要由箭上配電器實現(xiàn)，轉(zhuǎn)電指令送達信號轉(zhuǎn)接裝置后，驅(qū)動執(zhí)行電路輸出28 V控制電平經(jīng)由脫落連接器至箭上配電器，箭上配電器中的轉(zhuǎn)電繼電器吸合箭上電池供電母線與箭上配電母線開關(guān)觸點，同時地面配電組合斷開地面電源跟箭上配電母線電路開關(guān)觸點。轉(zhuǎn)電指令為脈沖型指令，執(zhí)行電路輸出的控制電平只持續(xù)一定時間即停止，轉(zhuǎn)電繼電器通過自保電路保持觸點吸合。

1.2.3 箭上設(shè)備斷電

箭上設(shè)備斷電是指斷開箭上配電母線與供電電源電路的開關(guān)觸點，根據(jù)供電狀態(tài)分為斷開地面供電和斷開箭上供電。當(dāng)箭上設(shè)備處于地面供電狀態(tài)時，發(fā)送斷地面供電指令至信號轉(zhuǎn)接裝置，執(zhí)行電路停止28 V控制電平輸出，配電組合中的繼電器復(fù)位，使地面電源與箭上配電母線觸點分離，實現(xiàn)斷地面供電。當(dāng)箭上設(shè)備處于箭上供電狀態(tài)時，需發(fā)送斷箭上供電指令，信號轉(zhuǎn)接裝置中相應(yīng)的驅(qū)動執(zhí)行電路輸出28 V控制電平至箭上配電器中斷電繼電器，斷電繼電器是個常閉型觸點，控制轉(zhuǎn)電繼電器自保電路，收到斷電控制信號后，自保電路復(fù)位，箭上配電母線與箭上供電母線斷開。斷箭上供電信號在斷箭供時為脈沖型電平，緊急關(guān)機時為保持型電平。

1.3 測量系統(tǒng)供配電控制過程

測量系統(tǒng)供配電控制的基本過程有箭上設(shè)備地面供電、轉(zhuǎn)電、斷電，其中地面供電方式有遙測分級地面供電、遙測統(tǒng)一地面供電、外安單機分別地面供電、外安統(tǒng)一地面供電；轉(zhuǎn)電方式有遙測分級轉(zhuǎn)電、遙測統(tǒng)一轉(zhuǎn)電、外安分級轉(zhuǎn)電、外安統(tǒng)一轉(zhuǎn)電、測量統(tǒng)一轉(zhuǎn)電、控制轉(zhuǎn)電、應(yīng)急轉(zhuǎn)電；斷電方式有箭上設(shè)備斷電和緊急關(guān)機。不同的測試狀態(tài)，按照供電、轉(zhuǎn)電、斷電的順序選擇相應(yīng)的方式進行。在總檢查流程中，測量系統(tǒng)首先地面供電，4 min準(zhǔn)備時，測量系統(tǒng)統(tǒng)一轉(zhuǎn)電同時允許控制轉(zhuǎn)電，2 min準(zhǔn)備時控制系統(tǒng)再次給測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)電，直至模飛結(jié)束斷電或者緊急關(guān)機[3]。

測量系統(tǒng)供配電控制過程與供配電電路邏輯密切相關(guān)，每一個測試動作都對應(yīng)著電路的一個邏輯狀態(tài)，反過來，電路的每一個邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換都是一個測試指令執(zhí)行的結(jié)果。因此，熟悉系統(tǒng)供配電電路原理及狀態(tài)邏輯關(guān)系，對分析排除測試中可能出現(xiàn)的異常現(xiàn)象具有重要的參考作用。

2 測試電流跳變現(xiàn)象及原理分析

2.1 測試電源電流跳變現(xiàn)象

測量系統(tǒng)地面設(shè)備改造后，測量系統(tǒng)地面供配電設(shè)備經(jīng)歷了十多次任務(wù)，其中每次任務(wù)的第三次總檢查，狀態(tài)為：模擬電纜供電、不脫落、不分離，在2 min準(zhǔn)備時控制系統(tǒng)執(zhí)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)電，測量系統(tǒng)浮地/共地測試電源電流同時下跳至0 A左右，同時05、06電源單機電流分別增加了約0.3和0.4 A，直至外安二級斷電時，發(fā)斷允許控制轉(zhuǎn)電指令后，電流才恢復(fù)至浮地0.2 A、共地0.8 A左右，如圖4所示(某任務(wù)地測數(shù)據(jù))。經(jīng)電路分析知，轉(zhuǎn)電后測試電源仍有部分負載，正常情況下浮地電源電流為0.2 A，共地電源電流為0.8 A。經(jīng)比對歷次任務(wù)相同測試狀態(tài)下第三次總檢查皆有類似現(xiàn)象。

圖4 某任務(wù)地測數(shù)據(jù)

2.2 測試電源負載分析

根據(jù)測量系統(tǒng)地面供配電電路設(shè)計圖，分別對浮地/共地兩路測試電源進行負載分析，浮地測試電源負載有遙測5 V/DC-DC二次電源模塊，3個電流采樣模塊和2個漏電檢測模塊，均由DC-DC模塊輸出的±15 V供電，遙測地面供電繼電器、遙測轉(zhuǎn)電繼電器、遙測斷箭供繼電器、遙測脫落繼電器、遙測傳輸機柜加斷電繼電器以及遙測供配電狀態(tài)指示，其中DC-DC模塊、遙測地面供電繼電器、遙測供配電狀態(tài)指示為持續(xù)型負載，其他均為脈沖型瞬時負載。按照測試流程，啟動測試電源時，負載為DC-DC模塊，浮地測試電源電流約為0.2 A，遙測一二級地面供電，增加4個繼電器負載，電流增至約1.0 A，遙測三級地面供電，增加4個繼電器負載，電流增至1.6 A左右，天基地面供電，增加2個繼電器負載，電流增至1.8～1.9 A，若轉(zhuǎn)至箭上供電，則以上地面供電10個繼電器負載斷開，電流降至初始狀態(tài)0.2 A。

共地測試電源負載有外安5 V/DC-DC二次電源模塊、外安地面供電繼電器、8臺電源單機控制繼電器、外安傳輸機柜控制繼電器、外安斷箭供繼電器、外安脫落繼電器、外安供配電狀態(tài)指示以及信號轉(zhuǎn)接裝置內(nèi)所有邏輯驅(qū)動電路，其中電源單機控制繼電器、外安地面供電繼電器、外安傳輸機柜控制繼電器及外安供配電狀態(tài)指示為主要負載。按照測試流程，啟動測試電源時，共地電源負載為DC-DC二次電源和外安地供狀態(tài)指示，電流約為0.1 A，依次啟動地面電源單機，電流增至約0.8 A，外安各單機地面供電后，電流增至1.2 A左右，若轉(zhuǎn)至箭上供電，則電流恢復(fù)到0.8 A。

由于脈沖型控制指令持續(xù)時間較短，電流采樣無法捕捉到其中的電流變化，上述分析中諸如轉(zhuǎn)電、脫落、斷箭上供電等脈沖型控制電平變化不影響對持續(xù)電流的觀察。

2.3 測試電源電流跳變原因分析

按照故障問題排查思路，對測試電源電流跳變現(xiàn)象進行故障模式分析、問題定位和機理分析。

2.3.1 故障模式分析

根據(jù)電路原理和測量系統(tǒng)供配電電路圖，測試電流跳變至0的可能故障模式有：

X1：測試電源掉電導(dǎo)致電流下跳；

X2：測試電源輸出端負載卸載；

X3：電流采樣模塊異常；

測試電源被其他電源旁路，可分為：

X4：測試電源與控制系統(tǒng)電源母線搭接；

X5：測試電源與箭上供電母線搭接。

故障樹如圖5所示。

圖5 測試電源電流跳變故障樹

2.3.2 問題定位

對故障樹的5種模式進行逐一分析排查：

(1)X1測試電源掉電導(dǎo)致電流下跳

主控微機測控軟件采樣測試電源電壓始終顯示為28 V，在電流下跳過程中沒有受到影響，前端電源機柜控制電源面板上測試電源供電指示燈顯示為常亮，電流跳變現(xiàn)象出現(xiàn)過程中沒有變化，因此可以排除測試電源掉電導(dǎo)致電流下跳的可能性。

(2)X2測試電源輸出端負載卸載

浮地電源在轉(zhuǎn)電后，遙測地面供電繼電器斷開，但DCDC二次電源模塊輸出±15 V給漏電模塊供電仍正常工作，遙測5 V二次電源VXI采樣參數(shù)正常，共地電源控制電源單機繼電器沒有斷開，傳輸機柜控制繼電器沒有斷開，外安5 V二次電源VXI采樣參數(shù)正常，浮地、共地兩路測試電源均存在負載，正常工作電流為0.2和0.8 A。因此，可以排除測試電源輸出端負載卸載的可能性。

(3)X3電流采樣模塊異常

測試電源電流采樣模塊位于控制電源組合內(nèi)，由控制電源獨立供電，不受供配電過程影響，而斷允許控制轉(zhuǎn)電后電流恢復(fù)正常，說明電流采樣模塊工作正常，因此可以排除電流采樣模塊異常的情況。

(4)X4測試電源與控制系統(tǒng)電源母線搭接

經(jīng)查測量系統(tǒng)與控制系統(tǒng)接口中轉(zhuǎn)電信號為不帶電觸點，信號交換通過繼電器開關(guān)觸點吸合/斷開來傳遞，系統(tǒng)間供配電完全隔離，不存在測試電源與控制系統(tǒng)電源母線搭接，因此該項可排除。

(5)X5測試電源與箭上供電母線搭接

經(jīng)查詢箭上遙測配電器、外安控制器電路設(shè)計圖，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)電繼電器線圈供電由地面測試電源提供，轉(zhuǎn)電指令發(fā)出后繼電器吸合，其中繼電器的自保開關(guān)觸點接通了繼電器線圈與箭上供電母線通路，使得箭上供電母線與地面測試電源在轉(zhuǎn)電過程中存在搭接的現(xiàn)象。而在總檢I、總檢III狀態(tài)下，控制轉(zhuǎn)電時跳變現(xiàn)象仍然存在，脫插脫落后，箭地電路通路斷開，測試電流恢復(fù)至正常的0.2和0.8 A。因此，測試電源與箭上供電母線搭接不能排除，問題得到定位。

2.3.3 機理分析

經(jīng)現(xiàn)象分析、問題定位得知，測試電源電流跳變現(xiàn)象是由于在轉(zhuǎn)電過程中，測試電源供電母線與箭上供電母線搭接導(dǎo)致測試電源被旁路所引起，測試電源與箭上供電電源形成并聯(lián)電源。根據(jù)電路原理，兩個并聯(lián)電源給同一負載供電時，電壓較高的電源起主要作用，負載電流集中匯聚到電壓較高的電源上。

測量系統(tǒng)在總檢II狀態(tài)下，箭上供電經(jīng)模擬電纜由地面電源單機供電，轉(zhuǎn)電后，地面電源單機電流即為箭上供電電流。測量系統(tǒng)按規(guī)程要求，測試時地面電源單機電壓設(shè)置在30.0～31.0 V，而測試電源電壓固定為28.0 V，因而在轉(zhuǎn)電過程中，測試電源的負載被加載到電壓較高的地面電源單機上，使得測試電源電流下跳至0 V，電源單機電流增大。外安子系統(tǒng)箭上負載較小，而遙測子系統(tǒng)箭上負載較大，電流增大現(xiàn)象在05、06電源上尤為明顯。

測試電源電流跳變現(xiàn)象出現(xiàn)在控制轉(zhuǎn)電到斷允許控制轉(zhuǎn)電之間，而在系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)電時現(xiàn)象不明顯，是因為系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)電指令均為脈沖型指令，轉(zhuǎn)電繼電器吸合后，很短時間內(nèi)就切斷了測試電源與箭上供電母線的搭接，而控制轉(zhuǎn)電指令為保持型指令，轉(zhuǎn)電信號一直持續(xù)至斷允許控制轉(zhuǎn)電指令的執(zhí)行。

綜上所述，測量系統(tǒng)浮地/共地測試電源電流在控制轉(zhuǎn)電時出現(xiàn)跳變是由于測試電源與箭上供電母線搭接而引起，控制轉(zhuǎn)電只是促使跳變現(xiàn)象浮現(xiàn)的一個因素。根據(jù)供配電箭地分開的原則，這是系統(tǒng)供配電電路設(shè)計中的一個缺陷。

3 電路設(shè)計改進建議

3.1 箭地電源搭接可能導(dǎo)致的隱患

根據(jù)電路原理，電源并聯(lián)原則是并聯(lián)電源電壓相對一致，若并聯(lián)電壓不一致，除了出現(xiàn)負載不平衡外，還會導(dǎo)致電壓高的電源向電壓低的電源倒灌電流，對于開關(guān)電源來說可能導(dǎo)致內(nèi)部控制邏輯混亂。針對供配電系統(tǒng)本身來說，浮地測試電源內(nèi)部設(shè)有限流裝置，倘若箭上供電電源電壓低于測試電源電壓時，箭上負載將分配至測試電源上，可能會出現(xiàn)測試電源電流過流而導(dǎo)致掉電的風(fēng)險。此外，遙測箭上設(shè)備要求供電母線完全浮地，箭上供電跟地面測試電源搭接可能導(dǎo)致系統(tǒng)漏電、測量設(shè)備抗干擾性降低等風(fēng)險。

3.2 供配電電路設(shè)計改進方案

運載火箭供配電設(shè)計應(yīng)遵循箭地供配電隔離、供電與配電分開的原則。針對上述轉(zhuǎn)電電路設(shè)計不足，可改進的方法很多，從有效、可靠、經(jīng)濟的角度，本文提出3個建議方案。

方案1：在箭上配電器轉(zhuǎn)電繼電器正母線端，分別在地面控制電平和自保電路上各增加一個穩(wěn)壓二極管，當(dāng)兩個電源電壓不相等時也能防止相互干擾，如圖6所示。

方案2：箭上配電器轉(zhuǎn)電繼電器改為兩級繼電器，地面轉(zhuǎn)電控制電平控制初級繼電器，初級繼電器觸點接通次級繼電器，次級繼電器觸點控制轉(zhuǎn)電電路并實現(xiàn)自保，初級繼電器線圈由地面測試電源供電，次級繼電器線圈由箭上供電，實現(xiàn)箭地供配電電氣隔離，如圖7所示。

方案3：不改變箭上配電器電路，而是更改地面信號轉(zhuǎn)接裝置中轉(zhuǎn)電指令執(zhí)行單元中的驅(qū)動電路，將轉(zhuǎn)電控制電平的供電電源改為地面供電電源，當(dāng)轉(zhuǎn)電控制電平送至配電器的轉(zhuǎn)電繼電器時，轉(zhuǎn)電繼電器自保電路觸點吸合，控制電平與箭上供電搭接的是同一個電源，如圖8所示。

圖6 方案1：箭上增加穩(wěn)壓二極管

圖7 方案2：箭上轉(zhuǎn)電改為兩級繼電器

圖8 方案3：地面轉(zhuǎn)電控制電平改為地面供電電源供電

綜合上述，方案1不足之處在于箭地之間沒有完全電氣隔離，但是增加穩(wěn)壓二極管對原設(shè)計改動不大，比較簡單可靠；方案2需要改變箭上配電器轉(zhuǎn)電控制電路，增加繼電器控制級數(shù)，提高了系統(tǒng)復(fù)雜度；方案3只對地面配電電路稍作改動，無需更改箭上設(shè)計，成本較小，風(fēng)險較低，建議采用該方案。

4 結(jié)論

本文從某型號運載火箭測量系統(tǒng)供配電測試電源電流跳變現(xiàn)象出發(fā)，結(jié)合系統(tǒng)供配電原理與歷次任務(wù)測試數(shù)據(jù)，分析了測試電源電流跳變現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，指出了轉(zhuǎn)電電路設(shè)計中存在的不足，根據(jù)供配電設(shè)計原則，提出了系統(tǒng)供配電設(shè)計三種改進方案。