空間站供配電系統(tǒng)潛通路分析

梁曉鋒 任亮

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

潛通路的概念最早是由美國波音公司在完成阿波羅登月計(jì)劃期間針對電子電氣系統(tǒng)提出來的，潛通路的存在是源于現(xiàn)代工程系統(tǒng)的復(fù)雜性與設(shè)計(jì)人員有限控制能力之間的矛盾[1]。潛通路的出現(xiàn)具有突發(fā)性，常規(guī)檢查手段不易查出，且隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性，節(jié)點(diǎn)的增多，潛通路成級數(shù)增長[2]。潛通路分析技術(shù)是旨在預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在通路的一項(xiàng)工程技術(shù)[3]。國外的公司從事潛通路分析技術(shù)比較早，建立了潛在電路分析的方法[4]。美軍標(biāo)MIL-STD-1543要求航空、航天、水中交通工具和導(dǎo)彈進(jìn)行潛通路分析[5]。我國從20世紀(jì)80年代末、90年代初開始逐步開展?jié)撏芳夹g(shù)的研究，完成了分析方法及分析工具的建立，同步的潛通路分系統(tǒng)在航天、艦船等領(lǐng)域開始應(yīng)用。

空間站系統(tǒng)由三個(gè)艙段在軌組建完成，每個(gè)艙段配置完整的供配電系統(tǒng)，在艙段單艙工作時(shí)為整艙的設(shè)備提供供電。隨后隨著艙段的發(fā)射和交會(huì)對接依次形成“一字”構(gòu)型組合體、“L”構(gòu)型組合體及“T”構(gòu)型組合體，在航天員的參與下，供配電系統(tǒng)經(jīng)過不斷的系統(tǒng)重構(gòu)，形成最終的供配電系統(tǒng)。系統(tǒng)復(fù)雜度高，需要經(jīng)歷航天器的組建過程，適應(yīng)航天器各種任務(wù)模式，且與其他系統(tǒng)的接口復(fù)雜。這些都可能引起在供配電系統(tǒng)中存在潛通路，潛通路的存在將對供配電系統(tǒng)的可靠性和安全性產(chǎn)生影響，繼而影響航天器的可靠性或者任務(wù)的完成。因此對于供配電系統(tǒng)尤其是供電母線的潛通路分析就尤為重要。本文在空間站供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用潛通路分析方法，按照數(shù)據(jù)收集、電路簡化、拓?fù)浣⒉襟E對供配電系統(tǒng)進(jìn)行了潛通路分析，對發(fā)現(xiàn)的潛在電路進(jìn)行了影響分析，同時(shí)對于后續(xù)航天器類似的設(shè)計(jì)及分析提出建議。

1 潛通路分析簡介

潛通路分析可分為：針對電路的潛在電路分析(Sneak Circuit Analysis，SCA)、針對軟件的潛在分析和針對液、氣管路的潛在通路分析。本文對空間站供配電系統(tǒng)進(jìn)行電路的潛在電路分析，主要目的為：在假定所有元件、器件均正常工作的情況下，分析確認(rèn)能引起非期望的功能與抑制所期望的功能的潛在狀態(tài)。

1)潛通路分析的特點(diǎn)[6]

(1)在進(jìn)行SCA時(shí)，要考慮人為差錯(cuò)，一般不考慮硬件故障、制造因素和環(huán)境的影響，因此，SCA技術(shù)可與其他的可靠性設(shè)計(jì)分析方法相互補(bǔ)充。

(2)SCA只注重元部件之間的相互連接和相互影響，不關(guān)心元部件本身的可靠性。

(3)大多數(shù)潛通路并非在系統(tǒng)每次運(yùn)行時(shí)都會(huì)出現(xiàn)，而是在某種特定的條件下才會(huì)起作用，因此，通常難以通過常規(guī)試驗(yàn)的方式來發(fā)現(xiàn)。

(4)進(jìn)行SCA時(shí)，必須保證用于分析的電路能代表系統(tǒng)的實(shí)際情況。在識(shí)別系統(tǒng)的潛通路時(shí)，使用實(shí)際的生產(chǎn)圖和安裝圖，要比使用系統(tǒng)級或功能級的圖紙更有效。

2)潛通路的分析的過程

(1)數(shù)據(jù)的收集、理解與核對

針對要開展?jié)撏贩治龅南到y(tǒng)，首先要收集相關(guān)的數(shù)據(jù)，對于電氣系統(tǒng)而言，主要收集電路的設(shè)計(jì)原理圖，然后對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和校對，確保對于電路圖的理解與設(shè)計(jì)師是一致且正確的。

(2)電路的簡化

為了進(jìn)行潛通路分析，需要對收集到的電氣原理圖進(jìn)行電路的簡化，要明確電路的一起通路，保留供電線路，略去其余無關(guān)的路徑。

(3)拓?fù)浣⒎治?/p>

針對簡化的供電線路，按照一定的規(guī)則構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)樹。對于簡單的電路，可采用人工干預(yù)分析進(jìn)行構(gòu)成；對于復(fù)雜的電路，應(yīng)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理形成。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)樹形成后，即開始

確定、分類每個(gè)樹出現(xiàn)的基本拓?fù)鋱D形[7]。任何電路的網(wǎng)絡(luò)樹都由直線型、電源拱型、接地拱型、組合拱型和H型共5中基本構(gòu)型組成。然后按照各種基本拓?fù)鋱D形所提供的分析線索逐一進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)潛在通路的所有可能性。

2 供配電系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)

空間站由三個(gè)艙段組建形成。三個(gè)艙段每個(gè)艙段配置兩條完全電氣隔離的供電母線，試驗(yàn)艙I的兩條供電母線定義為IA、IB，實(shí)驗(yàn)艙II的兩條供電母線定義IIA、IIB，核心艙的兩條供電母線定義為HA、HB。單艙飛行情況由各艙段供電母線為自身艙段負(fù)載供電。

在完成三艙構(gòu)建后，將實(shí)驗(yàn)艙I、實(shí)驗(yàn)艙II的4條供電母線在三個(gè)艙段間貫通，IA母線為實(shí)驗(yàn)艙I供電，IB母線為實(shí)驗(yàn)艙I供電外同時(shí)為核心艙供電；IIB母線為實(shí)驗(yàn)艙II供電，IIA母線為實(shí)驗(yàn)艙II供電外同時(shí)為核心艙供電。供電的連接通過母線切換單元中的開關(guān)閉合實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，圖中箭頭表示三艙組合體狀態(tài)下正常工作時(shí)閉合的開關(guān)。

圖1 供電母線示意圖Fig.1 Schematic diagram of power bus

從系統(tǒng)框架可見，空間站配電采用雙母線設(shè)計(jì)。母線切換設(shè)備對供電母線選通后，形成了每各艙段的兩條母線。配電分為兩個(gè)層次，首先是母線控制單元，將從母線切換單元接收到的電能進(jìn)行分配及控制，為下游的功率控制單元提供供電。配電設(shè)備接收母線控制設(shè)備提供的供電并進(jìn)行分配控制，為每個(gè)用電負(fù)載進(jìn)行供電。

3 潛通路分析

3.1 數(shù)據(jù)的收集、理解與核對

按照潛通路分析方法，供配電系統(tǒng)潛通路分析首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，結(jié)合供配電系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)，輸入數(shù)據(jù)包括：①母線切換單元、母線控制單元、功率控制單元的單機(jī)技術(shù)要求；②母線切換單元、母線控制單元、功率控制單元的電原理圖。

在收集到潛在電路分析數(shù)據(jù)之后，對照設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)原理說明對受分析對象進(jìn)行設(shè)計(jì)理解，同時(shí)與設(shè)計(jì)師進(jìn)行交流，準(zhǔn)確理解受分析系統(tǒng)的任務(wù)要求、設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)原理。在此基礎(chǔ)上，對單機(jī)技術(shù)要求與單機(jī)原理圖設(shè)計(jì)的一致性；電路圖間連接的匹配正確性進(jìn)行了核對。在完成上述工作后，開始進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)樹的建立及潛通路的分析。

3.2 電路的簡化

SCA最初采用人工分析方法，分析過程包括SCA全部基本的環(huán)節(jié)，對于復(fù)雜系統(tǒng)的SCA工作量巨大。SCA技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已日臻完善，形成了一套自動(dòng)分析軟件，但是軟件分析的成本很高，分析周期長，而且建立完善的分析程序和應(yīng)用線索表比較困難[3]。從空間站供配電系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)可見，供配電采用樹形配電方式，電流流向單一且與網(wǎng)絡(luò)樹的分析方法匹配性好，綜合考慮供配電系統(tǒng)采用人工分析的方法，同時(shí)對電路進(jìn)行簡化處理。

電路簡化為經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)樹，識(shí)別和分析其具有的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再結(jié)合拓?fù)淠Ｊ椒治鼍€索表分析每棵網(wǎng)絡(luò)樹是否存在潛在狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)樹存在直線形、電源拱形、接地拱形、組合拱形、H形共5種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對在網(wǎng)絡(luò)樹中識(shí)別出的每個(gè)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模式進(jìn)行潛通路分析。

3.3 拓?fù)浣⒎治?/h3>

從供配電體系設(shè)計(jì)可見，系統(tǒng)主要包括三個(gè)艙段的母線切換單元、母線控制單元及功率控制單元。其中母線切換單元實(shí)驗(yàn)艙I及實(shí)驗(yàn)艙II為通用產(chǎn)品，與核心艙的母線切換單元設(shè)計(jì)類似，均是由大功率開關(guān)組成。母線控制單元及功率控制單元為三艙通用產(chǎn)品。因此主要對實(shí)驗(yàn)艙I母線切換單元、母線控制單元及功率控制單元的潛通路進(jìn)行分析。

1)母線切換單元潛通路分析

以實(shí)驗(yàn)艙I的母線切換單元IIa為例。設(shè)備主要接收實(shí)驗(yàn)艙I的供電母線IA及實(shí)驗(yàn)艙II的供電母線IIA，經(jīng)過K1、K3開關(guān)在兩條母線中選通1條供電母線后，為本艙段下游的母線控制單元提供供電，同時(shí)通過開關(guān)K4將IA母線提供至核心艙為其供電。開關(guān)均采用大電流的接觸器實(shí)現(xiàn)。對收集到的母線切換單元電路圖按照樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡化后的接口圖2所示。

圖2 母線切換單元原理圖Fig.2 Schematic diagram of Bus switching unit

從母線切換單元的功能可見，母線切換單元需要進(jìn)行2條母線之間的切換及重構(gòu)，同時(shí)切換過程中涉及到時(shí)序，易產(chǎn)生潛通路，因此對潛在路徑、潛在時(shí)序、潛在標(biāo)志及潛在指示幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

(1)潛在路徑分析

對圖2進(jìn)行轉(zhuǎn)化形成單機(jī)的網(wǎng)絡(luò)樹如圖3所示，其中標(biāo)注實(shí)線箭頭的為母線供電關(guān)系，正常工作時(shí)K1閉合，同時(shí)霍爾傳感器及接觸器狀態(tài)遙測電路工作。

圖3 母線切換單元網(wǎng)絡(luò)樹Fig.3 Network tree of Bus switching unit

開關(guān)K1為閉合狀態(tài)時(shí)，其它開關(guān)應(yīng)處于斷開狀態(tài)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)樹為直線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電流流向單一，不存在潛通路。當(dāng)需要進(jìn)行供電母線切換時(shí)，通過指令進(jìn)行開關(guān)的通斷控制，確保供電通路單一。例如當(dāng)IA母線故障時(shí)，通過指令斷開開關(guān)K1+、K1-，接通K3+、K3-開關(guān),供電母線IIA通過K3開關(guān)將供電傳輸至母線切換單元IIa，為下游的負(fù)載進(jìn)行供電，電流流向如圖中的虛線箭頭所示，電流流向單一，不存在潛通路。

(2)潛在時(shí)序分析

從潛在路徑分析可見，正常供電狀態(tài)時(shí)K1的正負(fù)開關(guān)均接通，K3的正負(fù)開關(guān)均打開，當(dāng)IA供電故障時(shí)，重構(gòu)供電狀態(tài)時(shí)K3的正負(fù)開關(guān)均接通，K1的正負(fù)開關(guān)均斷開，確保了供電通路單一。若K3及K1開關(guān)同時(shí)接通，則IIA與IA兩條母線直接連接會(huì)產(chǎn)生不期望的供電通路，因此K3開關(guān)與K1開關(guān)之間存在著潛在的時(shí)序。K3開關(guān)閉合前必須先斷開K1開關(guān)，K1開關(guān)閉合前必須先斷開K3開關(guān)，這個(gè)時(shí)序在型號(hào)的后續(xù)測試及實(shí)際在軌飛行中必須嚴(yán)格遵守。

(3)潛在標(biāo)志及指示分析

針對母線切換單元，體現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)主要為開關(guān)的通斷狀態(tài)，具體為“母切aK3 IIA正狀態(tài)”、“母切aK3 IIA負(fù)狀態(tài)”、“母切aK1 IA正狀態(tài)”、“母切aK1 IA負(fù)狀態(tài)”、“母切aK3 IIA正狀態(tài)”、“母切aK3 IIA負(fù)狀態(tài)”，遙測為采集的開關(guān)真實(shí)通斷狀態(tài)。控制設(shè)備工作主要為開關(guān)的通斷控制指令，具體為“母切aK3 IIA正接通/斷開”、“母切aK3 IIA負(fù)接通/斷開”、“母切aK1 IA正接通/斷開”、“母切aK1 IA負(fù)接通/斷開”、“母切aK3 IIA正接通/斷開”、“母切aK3 IIA負(fù)接通/斷開”，指令采用OC門形式電路直接對開關(guān)進(jìn)行控制。

開關(guān)控制指令及狀態(tài)遙測體現(xiàn)了開關(guān)代號(hào)，同時(shí)體現(xiàn)了供電母線，指令及狀態(tài)遙測真實(shí)、清晰，不存在不正確或不精確的情況，不會(huì)導(dǎo)致不希望的操作，不存在潛在標(biāo)志及指示。

2)母線控制單元潛通路分析

母線控制單元接受母線切換單元的供電，將供電通過開關(guān)通斷控制后分為18路進(jìn)行輸出，為下游的功率控制單元提供供電，開關(guān)均采用大電流直流接觸器，對電路圖進(jìn)行轉(zhuǎn)化形成單機(jī)的網(wǎng)絡(luò)樹如圖4所示，其中箭頭表示負(fù)載的供電電流關(guān)系。

圖4 母線控制單元網(wǎng)絡(luò)樹Fig.4 Network tree of Bus control unit

圖4中負(fù)載1～18為下游的功率控制單元，用電負(fù)載對應(yīng)的開關(guān)為閉合狀態(tài)時(shí)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)樹為直線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電流流向單一，不存在潛通路。

3)功率控制單元潛通路分析

功率控制單元接受母線控制單元提供的供電，通過SSPC(固態(tài)功率控制單元)進(jìn)行通斷控制后，分為28路供電為下游的航天器用電設(shè)備提供供電，SSPC配置在配電組件I～I(xiàn)V的板卡上。同時(shí)設(shè)置主、備份的智能組件，與數(shù)管進(jìn)行1553B通信接受相關(guān)指令并傳輸設(shè)備遙測，智能組件由主、備份供電組件提供供電。對收集到的功率控制單元電路圖進(jìn)行轉(zhuǎn)化，對配電組件部分中SSPC電路部分進(jìn)行細(xì)化，形成單機(jī)的網(wǎng)絡(luò)樹如圖5所示，箭頭表示電流的流動(dòng)方向。

圖5 功率控制單元網(wǎng)絡(luò)樹Fig.5 Network tree of power control unit

圖5中用電負(fù)載對應(yīng)的開關(guān)為閉合狀態(tài)時(shí)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)樹為地拱型(倒Y型)網(wǎng)絡(luò)撲結(jié)構(gòu)，所有配電通路相互獨(dú)立，電流路徑獨(dú)立，不存在潛通路。

4)指令控制電路潛通路分析

母線切換單元及母線控制單元中的開關(guān)采用直流接觸器，通斷控制通過設(shè)置的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)施，為了確保開關(guān)的可靠動(dòng)作，對驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行潛通路分析。以母線控制單元指令控制電路為例進(jìn)行介紹。開關(guān)的控制電路采用OC門形式，具體電路如圖6所示，當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，直流接觸器的線包供電通過OC門形成電流回路，直流接觸器閉合/斷開，如圖中箭頭所示(其中實(shí)線表示設(shè)計(jì)路徑，虛線表示非預(yù)期路徑)。

設(shè)備內(nèi)采用冷備份工作(圖6中M表示主份、B表示備份)，主、備份OC門均可驅(qū)動(dòng)接觸器動(dòng)作。當(dāng)主份正常工作時(shí)，主份上的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)經(jīng)由主備份交點(diǎn)流向備份指令驅(qū)動(dòng)電路，由于采用三極管集電極輸出，三極管存在基極-集電極、射級-集電極結(jié)寄生電容，在備份不工作時(shí)從主份通路倒灌進(jìn)入的電流同樣會(huì)流過備份多個(gè)三極管，產(chǎn)生短暫的非預(yù)期路徑，如圖6中的虛線部分所示。

圖6 指令接口電路圖Fig.6 Circuit diagram of command interface

針對此潛在的通路，進(jìn)行具體的影響分析如下：當(dāng)主份驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)入備份驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部后，由于三極管結(jié)間寄生電容通常為數(shù)十至數(shù)百pF，分析由于寄生電容導(dǎo)致的潛在路徑持續(xù)時(shí)間不高于μs量級，瞬時(shí)最大峰值能量有限，對備份電路基本無影響。

5 結(jié)束語

潛通路在復(fù)雜系統(tǒng)中普遍存在,對系統(tǒng)存在一定的危害。潛通路分析技術(shù)是一種行之有效的分析方法,是系統(tǒng)可靠性工作的有效補(bǔ)充。本文對潛通路分析方法進(jìn)行了介紹，針對供配電系統(tǒng)的體系設(shè)計(jì)，利用潛通路分析技術(shù)，采用人工分析方法，按照收集設(shè)備原理圖、建立網(wǎng)絡(luò)樹、潛在電路分析的步驟來進(jìn)行潛通路分析，完成了供配電系統(tǒng)典型設(shè)備及指令控制電路的分析，對于分析存在的潛在通路，進(jìn)行了影響分析。通過給出潛通路分析應(yīng)用實(shí)例,為后續(xù)航天器的供配電系統(tǒng)潛通路分析提供了一定的借鑒意義。結(jié)合空間站供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及潛通路分析，對于后續(xù)航天器類似的設(shè)計(jì)及分析有如下建議：

(1)針對多母線的供配電系統(tǒng)，建議多母線之間電氣隔離，消除母線之間可能出現(xiàn)的潛在通路；

(2)每條母線的配電系統(tǒng)應(yīng)盡量采用樹形結(jié)構(gòu)，確保供配電系統(tǒng)工作時(shí)供電通路唯一；

(3)多母線之間切換、重構(gòu)時(shí)應(yīng)進(jìn)行潛在時(shí)序分析，嚴(yán)格控制母線切換的先后順序，避免潛在通路；

(4)潛通路分析應(yīng)包括供電母線上的所有配電設(shè)備，覆蓋全部供電鏈路，同時(shí)針對指令控制電路進(jìn)行潛通路分析。