運載火箭箭上電氣系統基礎架構研究

張宏德,彭 越,徐利杰,何 巍

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

運載火箭箭上電氣系統主要完成飛行控制、參數測量以及故障檢測等功能。《GJB 7360-2011 運載火箭電氣系統匹配試驗方法》中對運載火箭電氣系統(electrical subsystem of launch vehicle)的定義為：由電氣、電子設備和軟件組成能完成某一功能的系統，一般由控制、遙測、外測安全、推進劑利用、故障檢測、測試發控、總體網等系統組成。國外一般對運載火箭電氣系統稱為Avionics System或Avionics & Electrical System或Avionics, And Guidance, Navigation And Control，直譯為航電系統、航電與電氣系統或航電和導航、制導與控制。

運載火箭電氣系統涵蓋箭上所有電子設備，除傳統控制、測量、故檢、利用、附加等系統外，還包括后續研制的新型閥門電控部分、電驅動渦輪泵、預冷循環泵電控部分、電驅伺服等。

長征五號、長征七號等新一代運載火箭[1-4]代表了我國大中型運載火箭電氣系統的最新應用成果，其中箭上飛行控制指令采用1553B總線通信，電子設備主要采用三模冗余和分布式設計架構，實現了基本的箭上重要單機自測試[6]；然而，隨著SLS運載火箭、Ariane 6運載火箭的研制，國外運載火箭電氣技術水平[8]顯著提升，在保持原有高可靠性、高可測性的基礎上，電氣系統向著更加輕質、智能的方向發展[6]。

本文對運載火箭電氣系統的技術特點進行研究，結合國外運載火箭發展現狀，針對國內運載火箭開展了技術演進路線分析，提出了第一代到第四代箭上電氣系統的概念，歸納了未來運載火箭電氣系統總體特征。

圖1 SLS運載火箭電氣系統原理圖

1 國內外運載火箭電氣系統發展現狀

1.1 美國space launch system(SLS)運載火箭

美國SLS重型運載火箭電氣系統特點如圖1所示，綜合電子架構方面采用模塊化綜合電子；數據通信架構采用多級、三冗余MIL_STD_1553總線方式，部分設備間通信仍采用點對點通信(如RS422)，可以通過自檢測和總線偵聽提高系統測試性[12]；能源管理采用分布式能源管理，化學電池供電，供配電雙冗余；軟件應用架構采用基于ARINC 653標準的VxWorks653分時分區實時操作系統(time and space partition real-time operation system)作為箭載飛控計算機操作系統。

1.2 歐洲Ariane6運載火箭

Ariane運載火箭是1973年7月由法國提議并聯合西歐11個國家成立的歐洲空間局著手實施、研制的火箭計劃。現已研制成功5種型號。分別是“Ariane-1”、“Ariane-2”、“Ariane-3”、“Ariane-4”和“Ariane-5”。Ariane6運載火箭電氣系統繼承Ariane5運載火箭并進行了一定的升級[11]，如圖2所示。其電氣系統的特點是綜合電子架構采用模塊化綜合電子；數據通信架構采用TTE實時以太網[10]總線作為全箭主干網絡通信數據總線；能源管理架構采用分布式能源管理，化學電池供電，供配電雙冗余；軟件應用架構采用基于ARINC 653標準的VxWorks653分時分區實時操作系統(time and space partition real-time operation system)作為箭載飛控計算機操作系統。

圖2 Ariane6 運載火箭電氣系統原理圖

1.3 我國新型運載火箭

CZ-5、CZ-7、CZ-8等運載火箭為我國新型運載火箭電氣系統代表，其主要特點如下：

1)采用模塊化綜合電子架構，將傳統多臺單機設備進行小型化設計，以模塊板卡的形式組合，用以完成飛行控制、利用調節、伺服控制、貯箱增壓等功能；

2)全箭采用集中式中等密度能源管理架構，使用不能在線充電的銀鋅電池作為能源，充電需將電池進行加液后再安裝。各個子級間存在交叉供電，全箭一般分為儀器設備電池、火工品電池。部分子集采用一塊電池完成儀器設備和火工品、電磁閥的所有供電；

3)采用基于三冗余的1553B總線和高速422總線制的分布式全數字控制系統，實現信息資源的互通和共享，但是由于1553B總線特點，全箭站點數量和通信帶寬資源較為緊張。通過總線切換解決分離時總線拓撲結構變化；

4)軟件部分還是以無操作系統為主，比如關鍵的飛行控制軟件未使用操作系統，僅局部功能采用實時操作系統實現。

2 電氣系統平臺

運載火箭電氣系統平臺類似綜合化航空電子處理平臺IMA(intergrated modular arionics,IMA)或者汽車平臺。IMA平臺是指飛機上的分布式的實時計算平臺，該平臺的各部件均為標準化的計算處理硬件模塊，通過傳輸網絡連接分布于飛機的各個部分，每一個計算處理模塊均能駐留多個不同功能的應用軟件，各種類型的數據均可在IMA 中進行轉換、計算與傳輸；汽車平臺是將汽車的基礎零件如發動機、車身結構、底盤等設計得基本一致，只在造型和軸距以及配置上加以區分，從而滿足不同需求。運載火箭電氣系統平臺與上述兩種平臺類似，包括基礎架構和可擴展組件兩部分，基礎架構決定運載火箭整體性能，可進行標準化設計，通過配置不同擴展組件滿足控制、測量、健康管理需求。

2.1 電氣系統功能劃分

電氣系統自頂向下可分為功能層、基礎架構層、物理層，如圖3所示。

圖3 運載火箭全箭電氣系統頂層功能劃分

功能層包括控制、測量、健康管理三部分。控制功能負責飛行過程中的導航解算、制導控制、姿態控制、飛行時序控制、執行機構控制、飛行過程中的推進劑剩余混合比調節、貯箱壓力閉環控制；測量功能負責全箭傳感器參數、總線參數等遙測數據的采編、編幀處理、飛行過程中的外彈道測量與安控指令接收、執行安全自毀、遙測數據下傳，遙控指令、衛星導航數據接收[13]；健康管理功能負責地面測試與飛行過程中的單機級、分系統級和全箭級故障診斷，根據檢測出的故障模式進行容錯重構。

基礎架構介于功能層和物理層之間的部分，是對物理層的抽象，其向下規定了單機設備的物理形式和功能劃分，向上約束了電氣系統功能的實現方式，決定了電氣系統的物理形式，是電氣系統發展的關鍵。因此基礎架構層包括電子設備架構、能源管理架構、數據通信架構和軟件應用架構四部分。

物理層是具體電纜、天線、單機、模塊設備等產品，用于實現具體某項或多項功能。

2.2 電氣系統平臺

電氣系統平臺包括基礎架構、可擴展組件兩部分，組成如圖4所示。平臺是基于某一特定的架構結合所需的外圍設備組成一套電氣系統，外圍設備根據需求可以更換，從而組成不同等級的產品。未來運載火箭可根據其自身特點選取所使用的電氣系統平臺。

圖4 電氣系統平臺組成

電氣系統平臺中的基礎架構決定了電氣系統的物理形式，是電氣系統形態的基礎，包括綜合電子設備架構、數據通信架構、能源管理架構、軟件應用架構四部分，電氣系統平臺確定后基礎架構就不再變化。

電氣系統平臺中的可擴展組件包括慣性器件、伺服控制、傳感器、遙外測系統、應用軟件等，可根據需求靈活配置。

圖6 電氣系統發展路線

電氣系統平臺應采用具有統一技術路線的基礎架構，和可靈活選配的產品化組件，包括慣組、伺服、遙外測產品等，從而實現“統一技術路線+共享通用產品”的目標。

3 電氣系統基礎架構研究

3.1 電氣系統基礎架構

電氣系統的基礎架構包括綜合電子架構、能源管理架構、數據通信架構、軟件應用架構四部分，如圖5所示。

圖5 SLS電氣系統原理組成圖

1)電子設備架構：電子設備是電氣系統箭上硬件產品實現的外在表現形式，箭上電氣系統是由不同功能的電子設備的組合來實現飛行控制、傳感測量、無線通信、供配電等各項功能。電子設備是運載火箭電氣系統的基礎支撐。

2)能源管理：能源管理是運載火箭電氣系統電源產生、電能傳輸和配電管理的綜合，是電氣系統正常運行的能量來源。

3)數據通信：數據通信是電氣系統各電子設備間(功能模塊間)進行數據交互的主要形式，是全箭信息高效處理和應用的基礎。

4)軟件架構：箭上軟件主要負責運載火箭地面測試發射和飛行過程中各種邏輯動作的實現，是電氣系統的智能運算中心。軟件系統主要應用部分和基礎平臺部分，應用部分主要負責實現功能業務，基礎平臺部分負責提供與硬件的接口驅動、資源調度管理等。

電氣系統基礎架構約束了電氣系統功能的實現方式，規定了單機設備的物理形式和功能劃分，是決定運載火箭電氣系統性能的關鍵。

3.2 電氣系統基礎架構演進路線

電氣系統基礎架構演進路線如圖6所示。

根據箭上電氣系統發展歷程可以看出，電氣系統的升級換代本質上都是電氣系統基礎架構的升級換代，基礎架構中的電子設備架構、數據通信架構、能源管理架構以及軟件應用架構，每個方面的優化改進都會涉及電氣系統中大量單機設備的技術狀態變化和整體性能提升，以數據通信架構為例，由1553B總線升級到TTE總線，系統內部通信帶寬由1 M/10 M升級至1 000 M，原電氣系統總線上每一臺單機設備的總線接口都需要全新設計，同時還會涉及部分軟件更改。而可擴展組件，比如慣組、伺服、無線傳感等技術的優化改進，每個方面的優化改進僅涉及單個產品的技術狀態變化，不會影響其他單機設備和電氣系統整體性能。因此以基礎架構的變化為標準，可將其劃分為以下幾個階段。

3.2.1 第一階段箭上電氣系統技術特點

1)綜合電子架構：設備內部大量使用模擬分立器件，一臺單機設備僅實現某種特定功能。

2)能源管理架構：采用28 V母線體制，化學電池供電，箭上總容量百W級。

3)數據通信架構：設備和設備之間采用模擬信號傳輸，數據速率低、抗干擾能力較差。

4)軟件應用架構：箭上軟件數量少，規模小，使用匯編語言。

第一階段的設備種類和數量多，規模龐大，可靠性低，自動化程度低，使用維護復雜。

3.2.2 第二階段箭上電氣系統技術特點

1)綜合電子架構：采用模塊化電子設備，但是模塊化板卡只適用于某一固定單機設備，單機之間模塊化板卡無法互換。

2)能源管理架構：采用28 V母線體制，化學電池供電，箭上總容量百W級。

3)數據通信架構：設備和設備之間采用RS422、RS485進行信息傳輸，數據傳輸速率、效率較低。

4)軟件應用架構：軟件配置項多，每個軟件配置項功能單一，軟件中等規模，使用C語言。

第二階段箭上電氣系統由于傳統分工，各系統分開獨立研制配套，導致這一階段系統的設備復雜，部分功能系統間存在冗余，規模龐大，使用維護成本高，設備定制化程度高。第二階段箭上電氣系統技術特征可以歸納為：“各系統獨立、模塊化設計、定制化開發、點對點數字傳輸”。

3.2.3 第三階段箭上電氣系統技術特點

1)綜合電子架構：采用模塊化電子設備，但是模塊化板卡只適用于某一固定單機設備，單機之間模塊化板卡無法互換。

2)能源管理架構：采用28 V母線體制，化學電池集中式供電，箭上總容量+kW級。

3)數據通信架構：箭地之間采用LVDS高速傳輸，設備和設備之間1553B數字總線進行信息傳輸。

4)軟件應用架構：軟件配置項中等，每個軟件配置項包含多項功能，軟件中等規模，使用C語言，部分功能采用操作系統進行管理。

第三階段電氣系統在電池容量和數據通信架構上有所升級。第三階段電氣系統技術特征可以歸納為：“各系統獨立、模塊化設計、定制化開發、總線互聯”。第三階段電氣系統系統主要應用于新一代運載火箭。

3.2.4 第四階段箭上電氣系統技術特點

1)綜合電子架構：采用通用模塊+定制化背板的綜合電子架構，模塊功能獨立、結構規格統一、接口標準化、統一網絡互聯，功能模塊可在不同單機產品復用。

2)能源管理架構：采用28 V/270 V復合母線體制，動力系統+化學電池分布式供電，箭地采用無線供電，總容量百kW級。

3)數據通信架構：采用基于實時以太網的新型網絡傳輸，實現高速率(1 000 Mbps)、高確定性(<100 ns)、長距離(km級)、多節點數據傳輸，箭地網絡融合。

4)軟件應用架構：軟件規模較大，具備在線軌跡重規劃、控制重構、故障診斷、箭上自測試等復雜任務，采用實時操作系統對任務進行管理。

第四階段電氣系統將傳統控制、測量系統進行一體化設計，統一電子架構、統一供配電、統一數據總線，系統高度集成，性能大幅提升，箭上設備數量、重量、體積大大縮減，接口簡化，箭上電纜顯著減少；具備自適應控制、自主故障診斷和容錯處理、子級獨立測試、軌跡重規劃等復雜功能。第四階段電氣系統技術特征可以歸納為：“統一規劃、輕質高效、高速互聯、智慧自主”。

根據電氣系統基礎架構演進路線，以三級運載火箭為例，圖7所示給出了下一代運載火箭電氣系統架構簡化的示意圖，主要包括綜合電子設備、能源、總線以及其他部組件組成。綜合電子設備可根據運載火箭需求由不同功能模塊靈活組合。圖7中，飛行控制組合主要用于完成飛行控制、重構以及姿控噴管、分離控制；測控組合1主要用于完成增壓、利用、發動機電磁閥控制；測控組合2主要用于完成電量變換、采編、圖像壓縮、數據綜合等功能。能源包括設備電池、火工品電池以及動力電池，其中設備電池、火工品電池為28 V，動力電池為270 V。全箭采用TTE總線進行互聯，部分設備可采用RS485或者直連線路。在研制過程中，還可參考國內外航空航天領域較廣泛使用的基于mbse模型的建模方法，通過sysML語言對電氣系統進行建模，模擬并完成各電氣系統的性能參數分析和接口匹配驗證[14]。

圖7 全箭電氣系統原理框圖

4 關鍵技術

4.1 故障檢測技術

目前我國運載火箭只有CZ-2F載人運載火箭具備故障檢測系統，根據國內外多次重大飛行失利教訓，后續運載火箭都應設置專門的故障檢測系統，對發動機、伺服機構、慣性器件等關鍵產品進行實時健康監測，通過關鍵產品的故障檢測和全箭動力學參數聯合分析檢測故障模式，在線生成控制參數。充分利用箭上資源實現故障下的火箭入軌或者軌道降級，提高故障適應能力。

4.2 先進數據采集及傳輸技術

通過新型傳感技術和多樣化數據采集方式，提高數據獲取能力。比如光纖傳感技術可作為新型測量技術，能夠準確快速的實現溫度、應變等參數的測量。分布式先進傳感及數據處理平臺通過對由測量系統采集的傳感器信號進行分析，來發現和識別金屬材料或復合材料中由于裂紋、撞擊、腐蝕或者任意情況組合所帶來的結構異常。

現有的1553B總線在通信速率、總線節點數量、傳輸距離等方面在性能指標上已經不滿足未來運載火箭總線通信的要求，因此需開展新型箭上主干網研究，應具備高速率、實時性、確定性、高可靠性，具備較強的冗余和快速恢復能力，可用于綜合電子機箱內部模塊間、電氣設備間、子級間、箭地信息交互。

4.3 能源供給與管理技術

針對未來運載火箭子級獨立測試和電動伺服、電動閥門等需求，需開展28 V+270 V高低壓復核母線體制研究，通過動力系統并網發電提高能源利用率，箭上電池可重復使用電池，箭地采用無線供電技術。

4.4 無線互聯技術

我國現役運載火箭仍普遍采用脫插、脫拔等分離型電連接器作為電氣系統箭地接口，采用有線接口進行信息交互及供電通道，在發射場測試及發射準備過程中需要大量的人工操作，增加了發射場安裝、檢查等工作量，尤其是在低溫推進劑加注后存在較大的安全性風險；當運載火箭發生緊急關機或其他異常情況導致電連接器斷開時，無法實現箭地接口的自動對接，無法自動恢復地面對箭上的控制。為此采用箭地無線連接技術，消除了由于機械電連接器連接、分離等動作帶來的隱患，是實現箭地無纜化和無人值守。

5 結束語

本文對運載火箭電氣系統的技術特點進行研究，借鑒航空IMA平臺和汽車平臺的思路，提出了電氣系統平臺的概念，包括基礎架構和可擴展組件，其中基礎架構是電氣系統平臺的關鍵部分，包括電子設備架構、能源管理架構、數據通信架構和軟件應用架構四部分，其余為可擴展組件。然后結合國外運載火箭發展現狀，針對國內運載火箭開展了電氣系統技術演進路線分析，分析了運載火箭電氣系統平臺各個階段的技術特征，最后提出了未來運載火箭電氣系統總體特征。