長征五號運載火箭電氣系統布局布線設計技術綜述與展望

宋漪萍，欒 宇，吳 潔，馮韶偉

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引 言

長征五號運載火箭（后簡稱CZ-5）是中國自主研制的新一代大型低溫液體運載火箭，芯級直徑5 m、助推直徑3.35 m，使用無毒無污染的液氫、液氧和煤油作為推進劑，采用新一代全低溫大推力發動機，起飛推力超過1000 t，近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）運載能力達25 t、地球同步轉移軌道（Geosynchronous Transfer Orbit，GTO）運載能力達14 t，是中國目前技術最為先進、運載能力最強的運載火箭，是探月工程、深空探測和載人空間站等中國重大航天工程的主要依托，是中國進入航天強國的重要保障和標志[1,2]。

CZ-5的箭上電氣系統主要由控制系統和測量系統組成，系統硬件產品包括575臺儀器設備（控制計算機、慣性器件、供電設備、數據處理、天線、圖像采集等）和302套電纜（傳輸指令和信號、供電等）。一般將運載火箭電氣系統的儀器設備和電纜網統稱為儀器電纜。儀器電纜分布于火箭所有結構部段，主要功能包括：火箭的飛行姿態與彈道控制，飛行環境監測、傳輸、記錄和反饋，飛行過程關鍵項目的圖像監測，以及作動機構指令傳輸與執行反饋，是運載火箭的“大腦”與“神經”。電氣系統布局及安裝的可靠性直接決定其自身可靠性以及火箭發射任務的成敗，同時，布局方案的優劣直接決定電氣系統質量對于火箭運載能力的影響程度。因此，電氣系統的儀器電纜布局設計是運載火箭研制過程中的重要研究內容。

1 電氣系統布局布線的方案設計

1.1 設計依據

CZ-5火箭的電氣系統布局布線設計遵循各級、各類設計規范，主要以電氣系統、箭體結構、飛行環境、系統接口、發射流程等條件為主要約束，包括（見圖1）：

圖1 布局布線設計依據Fig.1 Inputs of Placement an Routing Design

a）明確電纜網連接關系的電氣系統的原理圖或布置圖；

b）明確設備外形及安裝位置、朝向、精度、等電位、電磁兼容等要求的技術條件；

c）明確火箭部段結構形式、材料、尺寸及結構分布的設計文件；

d）明確運輸、吊裝、飛行過程中力學環境、熱環境、自然環境的技術條件；

e）明確電氣系統與動力系統、增壓輸送系統、有效載荷、火工品等系統或產品之間機械、電氣接口及介質相容性的設計文件；

f）明確發射流程及操作細則的技術條件。

1.2 設計特點

CZ-5火箭作為新一代大型低溫液體運載火箭，具有區別于其他運載火箭的顯著特點，因此電氣系統布局布線方案在滿足前述設計依據要求的基礎上，需要解決以下問題：

a）兼顧低溫推進劑加注后的低溫環境和飛行過程中氣動加熱、發動機工作帶來的熱環境；

b）低溫加注后箭體結構變形對儀器電纜的變形協調；

c）大直徑箭體結構上安裝的操作適應性；

d）海南發射場多雨、高溫、高濕、高鹽霧環境對儀器電纜防水、防潮、防鹽霧能力的要求；

e）火箭采用統一供配電，跨部段電纜的布局和尾部脫拔的設置；

f）首次在芯級與助推器的主捆綁對接和分離面設置的電連接器，對其布局、操作和防護要求；

g）電氣系統功能可靠的同時最優化電纜網的布線、最小化電纜網的質量。

1.3 設計內容

CZ-5火箭電氣系統布局布線方案的設計內容是基于對上述要求進行各個維度的充分協調，并協同相關系統和專業，綜合確定儀器電纜的布局布線的具體狀態，主要包括：

a）儀器設備的安裝位置和朝向；

b）儀器設備的安裝固定形式；

c）儀器設備的防護要求；

d）電纜的主束和各個分支的路徑，并給出電纜分支長度；

e）電纜主束和分支的固定形式；

f）電纜主束和分支的防護要求；

g）提出對其他系統及產品的機械、電氣接口設計要求。

1.4 設計方法

儀器電纜布局設計方法主要包括以下方面：

a）確定各個部段儀器電纜的分布位置，確保其處于要求的艙段和方位，并且位于較好的安裝環境以盡量降低其所承受的環境載荷、提高工作可靠性，同時平衡各個部段質心位置；

b）確定各個分離面的電連接器選型及分布設置，確保電氣傳輸可靠性，確保運輸、連接的可操作性，確保分離動作可靠性，使火箭電纜網規模可控、質量可控；

c）確定各階段有操作儀器電纜的布局位置、朝向，使其滿足正常工作流程及故障處理流程下操作需求；

d）確定儀器電纜在安裝、操作、更換等工藝過程中的空間大小、人員動作、工具使用具備可實現性；

e）設計合理的工作流程確保實現電氣系統測試檢查及飛行功能，同時確保對其他系統的影響最小；

f）設計專用安裝結構及安裝接口，用于儀器電纜的特殊布局要求，并設計針對性的驗證試驗；

g）設計專用措施用于使儀器電纜適應超出自身承受能力外的力、熱、電磁等環境條件，確保實現正常功能。

1.5 技術手段

運載火箭常用的電氣系統布局布線設計依托二維設計工具開展，方案的可實現性、工藝性以及系統間接口匹配依靠實物模裝驗證，方案的優化迭代依靠人工維護，研制周期長、效率低。

CZ-5火箭電氣系統設備、傳感器接近800臺套，電纜網關系較為復雜，傳統的設計方法已經不適應龐大的電氣系統產品規模。因此，CZ-5火箭在電氣系統布局設計中，引入了三維數字化樣機，貫徹自頂向下設計思想，率先實現基于全三維數字樣機的電氣系統布局布線的協同設計和優化，并以此為基礎進行多項數字化仿真試驗，例如動態干涉檢查、裝配工藝規劃、人機工程仿真、強度預示等。大量減少了布局布線方案設計不完善問題，減小對電氣系統實物產品生產、裝配周期的影響，顯著提高研制效率。在CZ-5火箭試樣飛行產品投入生產之前，即已消除電氣系統布局布線的絕大多數技術風險。

2 布局布線的可靠性設計

電氣系統布局布線方案的可靠性直接決定電氣系統產品在CZ-5火箭上正常工作的概率，進而決定火箭發射及飛行試驗的成敗。降低電氣系統布局布線設計中的潛在風險是提高設計可靠性的主要途徑。

2.1 布局冗余設計

控制系統按時序向電磁閥、分離裝置、發動機點火藥盒等發火供電，是飛行過程的關鍵環節，直接影響任務的成敗。為提高點火指令傳輸可靠性，在CZ-5火箭的研制中，將電纜網中點火電纜設計為冗余狀態，使點火電纜數量2倍于分離火工品數量，每1路都具備單獨使終端作動的能力，確保點火指令依時序使火工品起爆。對點火電纜進行布線設計時，將冗余電纜以對稱布線的方式與分離火工品連接，確保冗余電纜在物理結構上互不干擾、獨立工作，實現提高點火指令傳輸可靠性的目的。此外，測量系統重要單機和核心參數也按照雙點雙線的方式進行電纜設計，顯著提高系統的可靠性。

圖2 冗余點火布線方案Fig.2 Routing Design of Reduntent Firing Circuit

2.2 電連接器防插錯設計

CZ-5火箭電氣系統在電纜網分離面處設置的電連接器數量較多，特別是在同一分離面的同型號電連接器，在安裝插接時互相混淆、連接錯誤的風險較高。以前捆綁為例，每個助推器前捆綁分離面設置6對分離電連接器，分別是控制系統3對、測量系統3對。進行分離電纜布線設計時，將控制系統及測量系統分離電連接器均分在捆綁機構兩側，使同一側電連接器型號各異、同型號的電連接器分別位于捆綁機構兩側，從布局方位和電纜網長度上消除插頭、插座連接錯誤的風險，提高芯級與助推器間電纜網連接的可靠性。

圖3 電連接器防插錯布局Fig.3 Anti-mistake Design of Connectors

2.3 分離電連接器布局設計

CZ-5火箭電氣系統各分離面間，通過設置分離電連接器實現各級電纜網之間分離前可靠連接、分離時可靠分離、分離后互不干擾。分離過程中依靠箭體結構的運動帶動插頭上分離鋼索運動，直至將插頭從插座上拉拽開而實現分離，分離后的插頭一般均可在分離鋼索長度范圍內自由活動。故電連接器拉脫力和分離后自由運動對結構分離姿態和過程均為外部干擾。

分離電連接器布局設計中，通過對電連接器進行有針對性的排布，確保分離面上來自電連接器拉脫瞬間的干擾力盡量均勻分布，減小其對結構分離姿態的干擾；通過選擇分離電連接器的布局位置、設計必要的限位結構和裝置，確保分離后插頭不與繼續飛行的火箭產品干涉，或在限制的范圍內自由運動，消除分離過程發生碰撞的風險，提高分離過程可靠性。

2.4 布線余量設計

CZ-5火箭用于助推器分離的火工品使用非電傳爆導爆索引爆側推火箭，導爆索在起爆瞬間內部燃氣產生壓力使導爆索發生膨脹，直徑變大而長度縮短。

布線設計時針對此特點，在相鄰的綁扎固定點之間，導爆索均預留不少于固定點間隔距離4%的松弛量，確保點火瞬間導爆索有足夠的伸縮能力、避免因導爆索拉斷而無法引爆側推火箭的風險。

3 布局布線的環境適應性設計

CZ-5火箭電氣系統布局布線方案的環境適應性設計針對總裝、運輸、測試、發射、飛行等過程中儀器電纜所面臨的力、熱、電磁、自然環境載荷防護進行，目的是通過采用合理方式，提高電氣系統對載荷環境的耐受性，確保實現正常功能。

3.1 電磁環境防護設計

CZ-5火箭對電氣系統內及系統間的電磁相容性要求通過系統級試驗或仿真進行確認，在電氣系統布局布線設計中，體現為將儀器電纜按要求實施接地或浮地、將不同系統產品盡量分開布局。

應接地的儀器電纜，布局在與箭體結構導通良好的安裝結構上，通常通過自帶接地線或打磨安裝面保持與箭體良好導通；控制系統和測量系統的儀器電纜在同一部段內分別相對集中布局于不同區域，在無法完全分開的布線路徑上，電纜網采取物理隔離、屏蔽和高頻濾波的方式，強化電磁抗干擾能力。

3.2 復合環境防護設計

CZ-5火箭是中國運載火箭中唯一將芯級與助推器前捆綁連接結構作為主傳力結構的火箭，也是唯一在主傳力結構位置設置電氣系統電纜網分離面的火箭。此方案是突破性的，優勢是可以確保芯級與助推器之間供電及信號傳輸效率高、損耗少，大幅減少電纜網規模及質量對運載能力帶來的損失。但在此布局中分離面的電纜網面臨前所未有的復雜環境，插頭及電纜完全處于箭體之外、無可依附的布局結構，結構振動及氣動加熱劇烈，在載荷作用下主捆綁處助推器相對于芯級還會發生轉動，連接裝配操作空間受限嚴重，分離過程中插頭及電纜自由運動嚴格受控，與常規情況下分離電纜布局在捆綁連桿的情況完全不同。

在布局布線設計中，CZ-5火箭采用以波紋結構為核心的組合防護罩進行綜合防護，能同時滿足結構接口匹配、裝配操作工藝、箭體變形適應、產品防熱防水、可靠分離及多余物控制等需求。組合防護罩各組成部分相互之間通過插接和螺紋連接形成整體，以金屬材料性能確保強度、以波紋可壓縮特性確保變形補償、以外表面防熱涂層和縫隙防水涂層確保防護。

3.3 減振設計

CZ-5火箭對增壓輸送系統管路元件壓力的監測一般通過引出獨立小導管連接傳感器實現，連接后傳感器作為導管末端的集中質量載荷，如沿用傳統的布局設計方案以鈑金支架或帶彈簧的鈑金支架作為其安裝結構，在運輸、飛行過程中將放大力學環境的影響，是引起小導管末端焊縫開裂、推進劑泄露甚至火箭爆炸的潛在風險。

在管路測壓傳感器布局設計中，CZ-5火箭創新采用非金屬材料臥式支架結構形式對傳感器進行固定，使傳感器最大程度貼近安裝部位所依附的箭體結構，減小壓力傳感器作為集中質量對導管引起的附加載荷，使連接后的導管和壓力傳感器對載荷環境的響應盡量一致；同時，對傳感器進行夾持限位，大幅減小壓力傳感器作為集中質量在載荷作用下的響應振幅,以此消除導管末端接管嘴焊縫的開裂風險。

3.4 防水防潮設計

文昌發射場自然環境為高濕多雨高鹽霧，CZ-5火箭加注低溫推進劑后箭體內外表面產生大量冷凝水，電氣系統的防水防潮性能面臨比以往其它運載火箭更為嚴苛的挑戰，故防水防潮設計應從產品提升、環境改善等多個切入點主動提高電氣系統適應性。

在進行布局布線設計時，首先從提高儀器電纜自身防水性能入手，通過選用防水元器件從基礎上提高電氣系統防水能力臺階，通過在儀器電纜生產過程中增加防水工藝措施，如電連接器尾罩灌膠、電纜外包防水套管等進一步提高電氣系統自身防水能力；在前述工作基礎上，通過設計電連接器插接方向、增加縱向電纜反向打彎、在必要位置增加儀器電纜防水包覆等，進一步使電氣系統隔離水環境；同時，要求箭體結構在易儲水位置增加排水孔引流、在火箭外部凸起物上增加導流擋水條、增加艙段熱氮吹除等改善環境濕度，進一步優化電氣系統所處的箭上環境。

4 布局布線的工藝性設計

CZ-5火箭作為中國首個芯級直徑達到5 m的新一代運載火箭，電氣系統在總裝、運輸、測試、發射等流程中各項工作的可實現性、可操作性、流程規劃合理性是布局布線方案設計中需要專項設計、驗證和優化的重要方面，是決定一發火箭發射任務順利開展、持續推進的基礎。

4.1 人機工程仿真驗證

CZ-5火箭的規模之大已無法基于實物進行各項設計驗證和優化迭代，否則將對研制周期有非常明顯的影響，難以滿足發射任務的進度需求。CZ-5火箭設計使用數字化工具建立了全箭級的數字樣機和發射場數字樣機，電氣系統布局布線設計以數字樣機為基礎，針對關鍵產品、難操作產品、特殊操作流程進行人機工程仿真。在初步規劃工藝過程的前提下，以最接近操作實際情況的人員、工具、環境對特定產品和特定流程進行仿真，除了驗證布局布線設計合理性之外，同時實現對特定產品和特定流程操作步驟調整優化、提出專用工具工裝設計要求、調整儀器電纜布局方案、細化箭地接口協調內容，確保電氣系統的布局布線方案設計符合工藝實施需求，仿真優化見圖4。

圖4 布局布線仿真優化Fig.4 Simulation and Optimization of Placement and Routing

4.2 關鍵產品操作風險控制

將CZ-5火箭分離火工品點火電纜連接、固定及防護的操作作為關鍵項目，必須在控制系統各級電纜網分別實施短路保護后進行，此流程設計方案導致部分點火電纜的相關操作受限于火箭箭體的方位和操作位置的高度以及具體操作實施空間，成為易錯難操作項目，操作工藝性差、完成可靠性低。僅通過增加必要的電纜網分支短路保護并提前實施，即使得上述操作工藝性差的點火電纜相關操作在條件更有保障、可靠性更高的情況下提前完成，且對火箭測發主流程不產生任何影響，實現以最小代價消除火工品點火電纜易錯難操作風險。

圖5 操作工藝人機工程仿真Fig.5 Human-machine Engineering Simulation of Operating Process

5 基于數字樣機的布局布線三維設計協同

CZ-5火箭電氣系統規模龐大，連接關系尤其復雜，加之火箭總裝、運輸、測試、發射、飛行等階段工作對電氣系統要求繁多、特點突出，故儀器電纜布局布線設計難度和復雜程度急劇增加。

5.1 三維數字化協同設計

在全箭數字樣機建立的基礎上，開展電氣系統與其他系統布局布線設計協同，以參數化數據約束的方式，首次實現無實物的機械接口協調和技術狀態協定，并通過自頂向下模式提出布局布線方案對其他系統產品設計的改進要求。數字化協同設計成果有力支撐數字化研制及數據管理的標準體系建立，為新一代運載火箭數字化研制打下堅實基礎。

5.2 布局布線的三維數字化設計

在全型號開展數字化研制之初，所使用的三維建模軟件CREO 2.0電纜模塊（CABLIN）無法勝任大型運載火箭多系統、多艙段、多電纜的復雜布線設計，故采用對CREO 2.0軟件進行二次開發的THINKER智能布局工具，規劃布線主干及分支網絡、調用電氣原理關系、導入邏輯參照信息實現電纜的快速布線，形成的布線數字化模型具備直徑、撓性、質量等電纜特性，電纜更加準確和真實，并且可實現隨總體設計方案的變化保持電纜布線模型的自動更新，解決了布線工藝性和電纜網重量優化的兩大難題。

6 展 望

隨著CZ-5火箭進入在役火箭行列，繼續承擔國家重大航天工程的發射任務，電氣系統布局布線設計技術將更加側重于快速響應發射應用對火箭提出的具體需求，在質心配平、減重分析、維修性分析、機構動作分析、自動布局和布線優化等方面進行進一步研究，開展設計工具和設計平臺的針對性建設，以進一步提高電氣系統布局布線設計的迭代優化效率和準確率，進而促進方案設計的可靠性提升。