自適應輕質化運載器電氣系統(tǒng)設計

王苑瑾 楊 軼 田 琨 鄭 偉 鄧 釗

北京航天自動控制研究所，北京 100854

0 引言

隨著系統(tǒng)集成與控制技術的迅速發(fā)展，多個運載器應用場景中對電氣系統(tǒng)輕質化、產品布局與結構一體化、運載器自適應等需求越發(fā)迫切，需對系統(tǒng)架構與資源優(yōu)化、電氣系統(tǒng)模型升級、系統(tǒng)輕質化方法、產品布局與結構一體化、多運載器自主智能配置等方面開展研究[1]。相比于傳統(tǒng)運載器定制化設計方案，自適應輕質化運載器電氣系統(tǒng)具有標準化、接口簡潔、結構一體化、多運載器自識別、自配置、自匹配等特點。

目前國內大多采用不同類型運載平臺與運載器系統(tǒng)定制化設計方式，硬件架構通用性差、軟件狀態(tài)復雜多樣，小型化及集成化程度低[2]。國外新一代運載器的電氣系統(tǒng)采用模塊化、平臺化設計思路，例如美國的新一代“航天發(fā)射系統(tǒng) ”(Space Launch System, SLS)火箭采用了模塊化、平臺化的設計思想，通過模塊的不同組合構成不同產品[3]，但是電氣產品種類仍然很多，產品的集成程度不高。SpaceX公司的Falcon火箭更注重成本，電氣系統(tǒng)技術充分體現(xiàn)了高集成、模塊化和接口簡化的特點[4]。歐洲的Ariane 6運載火箭電氣系統(tǒng)，采用綜合電子系統(tǒng)架構，功能設備可被由模塊化信息處理單元組成[5]。國外運載器高集成、平臺化、模塊化設計思路[6]，實現(xiàn)了接口簡潔標準化設計，但在多運載器自識別、自配置、自匹配等方面尚未開展研究。

面向不同類型運載平臺，本文對多運載器電氣系統(tǒng)開展標準化、輕質化、結構一體化、自識別、自配置、自匹配等方面開展研究，提出了一種自適應輕質化運載器電氣系統(tǒng)方案，可有效提升運載器的可擴展性與靈活性，以適應運載火箭搭載多運載器的應用需求。

1 運載器電氣系統(tǒng)架構設計

1.1 運載器電氣系統(tǒng)設計模型

運載器電氣硬件架構設計時，采用模塊化、標準化、輕質化的設計思路[7]，對運載器電氣系統(tǒng)功能需求、性能指標進行歸類分析，對電氣系統(tǒng)中各功能項進行統(tǒng)計與分析，并轉換為硬件與軟件資源需求[8]，具體如表1所示。

表1 功能項及需求

對表1進行分析，按照運載器的各個功能項，可歸納為感知測試、計算處理、數據通信、終端控制、配電這5種類型功能，梳理后可對硬件與軟件資源進行整合。針對運載器儀器艙結構緊湊的特點，對產品化硬件模塊開展集成化、輕質化設計[9]；在現(xiàn)役運載火箭標準1553B、485總線體系框架下，結合不同設備數據傳輸特點，系統(tǒng)總線選用1553B總線體制，與載荷單機及單機內部總線選用485總線體制；每個運載器與運載火箭接口實現(xiàn)標準化、自適應接口，組成一個完整的電氣系統(tǒng)[10]，設計模型如圖1。

圖1 電氣系統(tǒng)設計模型

1.2 運載器電氣系統(tǒng)架構

根據1.1節(jié)，運載器設計模型，考慮多運載器同時飛行的應用場景，開展自適應輕質化運載器電氣系統(tǒng)設計，主要包括以下4個方面：

1)電纜網輕質化；

2)電氣產品布局結構一體化設計；

3)單機輕質化；

4)電氣系統(tǒng)最小化、功能集成化設計。

1.2.1 電纜網輕質化設計

根據運載器結構緊湊狹小的特點，運載器電纜網設計時，需要從分支長度、電纜走向等方面，結合運載器結構開展一體化設計工作[11]。在電纜網線型選擇方面，在滿足耐壓值、絕緣特性、電流值、降額、設計裕度等電氣參數及可靠性情況下，盡量選擇小線徑導線、單層絕緣的導線。本設計中計算電纜網電氣參數，采用截面積為0.2mm2導線代替部分截面積為0.35mm2導線，重量減輕1.19kg/km。采用截面積為0.2mm2導線代替部分截面積為0.5mm2導線，重量減輕3.43kg/km。導線選用交聯(lián)乙烯-四氟乙烯共聚物薄層絕緣，單層絕緣壁厚為0.15mm～0.20mm，使導線外徑較同類產品減少，重量減輕約10%。

針對串口組網通信線，使用截面積為0.2mm2屏蔽雙絞線實現(xiàn)485總線型通信拓撲?？偩€型拓撲較常用的環(huán)形及星型拓撲，在站點擴展性上有優(yōu)勢，同時到達每個站點的導線長度較短，便于電纜網輕質化設計。

連接器選型方面，設計選用J30J、J29B、RD4Q、CZ81系列矩形連接器，相比J599型連接器，具有體積小、質量輕、接觸件密度高的特點。采用上述優(yōu)化措施后，電纜網減重約為10%左右。

1.2.2 電氣產品布局結構一體化設計

根據運載器結構緊湊狹小的特點，電氣產品采用功能模塊組合形式，便于產品布局與結構相融合[12]。本設計中單機采用模塊化結構形式，從側視圖及俯視圖可以看出，電氣產品通過不同功能模塊拼裝組合的方式，借用艙體結構，與電氣產品進行結構一體化設計，以適應運載器小型化的結構特點。

圖2 運載器儀器艙俯視示意圖

圖3 運載器儀器艙側視示意圖

1.2.3 單機輕質化

針對單機產品設計，主要從結構件材料選用、產品電路集成化設計方面，達到單機減重的目的。本電氣方案中，單機產品結構件用鎂合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋁合金材料，減重約為30%。同時優(yōu)化電路設計，并且選用恒流源、SOPC芯片、多路集成化繼電器等新型元器件，實現(xiàn)單機的輕質化小型化目標。

1.2.4 電氣系統(tǒng)最小化集成化設計

對電氣系統(tǒng)開展最小化設計，即采用最少的電氣產品以實現(xiàn)系統(tǒng)功能。根據表1中的功能項及需求項，本設計采用小型化光纖慣組、模塊化集成式組合、電池以及通信總線，將配電器、電阻盒等設備功能集成至控制組合，達到系統(tǒng)輕質化目的。

其中集成化組合式組合將衛(wèi)星導航接收機、智能配電控制、計算處理、時序控制等功能集成；本設計考慮總線負載率可靠性指標、通用接口等，系統(tǒng)總線采用1553B總線與485串口組網方式實現(xiàn)不同功能單機之間的通信，電氣系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 運載器電氣最小系統(tǒng)框圖

2 運載器通信站點RT地址自配置

面向多個運載器的應用場景，運載器電氣系統(tǒng)具備運載器號自動識別與RT站點自動配置，避免通過更改硬件電路或人工更改軟件程序的定制化配置方式，提升系統(tǒng)可拓展性與配置靈活性[13]。

如圖5所示，系統(tǒng)擴展至N個運載器，則設計2n≥N，其中n為運載器與運載火箭分離面的識別位數。N值可根據運載火箭運載能力及運載器載荷質量大小等評估。假設有6個運載器，則識別位數為3，與運載器對應關系如表2所示。

圖5 多運載器1553B總線拓撲示意圖

表2 運載器與識別位對應關系

選取運載火箭與運載器分離面電纜網連接器中3個點，采用跨線方式配置識別位高低電平。6個運載器的軟件與硬件設計完全相同，每個運載器中的控制組合加電工作后，通過電平采集電路對識別位判別，軟件通過表2對應關系配置運載器號，并配置各運載器中單機1553B總線RT地址，提升運載器系統(tǒng)可拓展性及使用靈活性。

3 運載器飛行控制參數自匹配

面向同一任務的多個運載器會涉及多套飛行參數、或不同任務運載器，需配置不同飛行參數?；谏鲜鰬脠鼍埃O計運載器與參數自匹配方案，軟件可自動匹配參數，并按照預設參數進行飛行控制。

匹配參數具體包括制導參數、姿控參數以及綜合參數，分別描述了制導、姿控及綜合時序等在運載器飛行過程中所使用的關鍵參數信息，設計時將上述參數從地面測發(fā)控系統(tǒng)遠程固化至控制組合FLASH指定區(qū)域，運載器與匹配參數對應關系見表3。

表3 運載器與匹配參數對應關系

運載器上電后，軟件首先識別運載器號，判斷運載器號是否為有效號碼。運載器號有效正確后，軟件會調用匹配制導、姿控及綜合參數。運載器在飛行過程中將根據制導、姿控與綜合的參數完成飛行控制，具體流程見圖6。

圖6 運載器參數自匹配流程圖

4 設計驗證與應用

本運載器設計以電氣系統(tǒng)最小化為原則，從單機功能集成化、系統(tǒng)電纜網輕質化以及產品布局結構一體化等多個方面開展研究工作。對設計的電氣系統(tǒng)進行評估，相比于同類型傳統(tǒng)運載器，減重效果明顯，電氣系統(tǒng)總計減重42.51kg，具體見表4。

表4 運載器電氣系統(tǒng)優(yōu)化設計結果

搭建6個運載器電氣系統(tǒng)的應用試驗，對運載器號自識別、1553B通信站點RT地址自配置及飛行控制參數自匹配進行應用驗證，每個運載器中硬件電氣產品及軟件設計完全相同。在分離面的電纜網中設計識別位跨線，實現(xiàn)識別位電平配置。

控制組合上電啟動后，軟件通過硬件采集結果判別識別位，配置運載器號及通信站點1553B的RT地址，即運載器1控制組合為RT10，運載器2控制組合為RT11，運載器3控制組合為RT12，運載器4控制組合為RT13，運載器5控制組合為RT14，運載器6控制組合為RT15。

RT地址配置成功后，運載器1～6可接收BC發(fā)送指令，將飛行控制參數由FLASH搬移至DSP的內部RAM，并完成CRC校驗。根據運載器號調用對應的飛行控制參數，實現(xiàn)各運載器不同的飛行控制及多運載器協(xié)同工作，運載器工作流程如圖7所示。

圖7 運載器工作流程圖

經應用驗證，RT地址自配置及飛行控制參數自匹配功能均正常，多運載器系統(tǒng)完成了飛行驗證。

5 結論

研究運載器電氣系統(tǒng)，設計了一種自適應輕質化運載器電氣系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)對電氣系統(tǒng)輕質化、產品布局結構一體化[14]、通信站點RT地址自配置、飛行控制參數自匹配等技術進行研究及技術驗證，驗證結果表明電氣系統(tǒng)減重效果明顯，各功能滿足多運載器應用需求，提升了多運載器系統(tǒng)可拓展性與站點配置的靈活性。為后續(xù)多運載器智能控制的深入研究奠定了基礎。