載人航天器高壓供配電安全性設(shè)計

南洪濤，劉宏泰，王林濤

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

國際空間站采用160 V 的供電母線高壓供電[1]，優(yōu)點在于一方面減少了導(dǎo)線上的功率損失，另一方面減輕了供電導(dǎo)線的重量。我國選用100 V 以上電壓作為一次母線的航天器發(fā)展較晚，對母線的安全性設(shè)計及控制缺少經(jīng)驗和規(guī)范，尤其在載人航天領(lǐng)域，高壓供電的安全性設(shè)計及控制要求顯得更為迫切和重要。

本文的目的在于通過分析和總結(jié)我國載人航天器100 V 高壓安全設(shè)計及實踐情況，證明這種高壓安全設(shè)計合理、可靠、安全，可作為載人航天型 號高壓安全設(shè)計及控制的標準規(guī)范，對我國后續(xù)空間站工程也具有重要的借鑒意義。

1 供配電系統(tǒng)構(gòu)成

高壓體制的載人航天器供電系統(tǒng)由太陽電池陣、蓄電池、母線調(diào)節(jié)設(shè)備以及配電器組成。由于載人航天器功率高、艙體大、不同供電電壓負載分布較分散，載人航天器配電體系采用了區(qū)域配電方式，形成了區(qū)域隔離二次母線，以防止二次母線上單臺設(shè)備故障影響一次母線和其他區(qū)域二次母線的安全，如圖1所示。

圖1 載人航天器供配電系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the power supply system for manned spacecraft

對于采用100 V 高壓供電的載人航天器，其安全性設(shè)計及控制主要存在以下難點：

1）供電安全的環(huán)節(jié)多、范圍廣，從發(fā)電裝置到連接裝置，再到轉(zhuǎn)換裝置，最后傳輸?shù)截撦d，這 一系列過程都涉及安全性及可靠性的內(nèi)容[2]。

2）如果高電壓串入低壓設(shè)備會導(dǎo)致故障蔓延，對于關(guān)鍵負載，供電故障將會影響任務(wù)成敗。

3）由于直流電壓已經(jīng)超出了人體的安全電壓范圍，載人航天器的高壓設(shè)計尤其需要保證在軌飛行和地面測試過程中人員的安全。

為解決上述難點，從系統(tǒng)的角度制定了一套包含供電、配電和人員的高壓安全設(shè)計及控制規(guī)范。

2 設(shè)計及驗證

根據(jù)供電功率傳遞鏈路，可以將載人航天器高壓系統(tǒng)安全設(shè)計分為高壓供電安全、高壓配電安全和人員高壓防護安全3 部分。

2.1 高壓供電安全設(shè)計及驗證

載人航天器高壓供電安全設(shè)計主要涉及環(huán)境引起艙外裸露太陽電池陣高壓放電防護設(shè)計、驅(qū)動機構(gòu)高壓傳輸設(shè)計、氫鎳電池高壓絕緣設(shè)計以及高壓供電電路和供電接口安全性設(shè)計。

2.1.1 太陽電池陣高壓放電防護設(shè)計與驗證

載人航天器飛行軌道為低地球軌道，此軌道等離子體密度比地球同步軌道大5～6 個數(shù)量級[3]。處于此環(huán)境條件下，高壓太陽電池陣易發(fā)生電流泄漏、二次放電現(xiàn)象[4]，造成功率損失和太陽電池板短路故障。

太陽電池陣的高壓防護設(shè)計包括半剛性基板設(shè)計和電池電路設(shè)計。

1）半剛性基板設(shè)計

太陽電池板的半剛性基板為碳纖維框架網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，與剛性基板的結(jié)構(gòu)不同，網(wǎng)格由浸膠的玻璃纖維編織而成。玻璃纖維網(wǎng)的絕緣性能可以有效解決高壓二次放電問題，同時避免剛性基板太陽電池電路永久性短路現(xiàn)象的發(fā)生。

2）電池電路設(shè)計

① 將暴露在等離子體環(huán)境中的導(dǎo)電體-絕緣體結(jié)合處進行完全的隔離，可以有效降低一次放電和二次放電的概率；

② 電池模塊之間的電連接采用表面涂膠的方式，實現(xiàn)裸露的金屬部分與等離子體環(huán)境的隔離；

③ 將在太陽電池模塊中的材料進行充分的除氣，避免揮發(fā)成分在軌期間形成局部高密度的等離子體；

④ 使相鄰電池串的電壓低于發(fā)生二次放電事件的閾值電壓，避免持續(xù)放電；

⑤ 控制單串電池電路的電流，可以有效提高二次放電事件的電壓閾值。

3）電池板的在軌驗證情況

經(jīng)過載人航天器在軌飛行驗證，半剛性太陽電池陣在軌可靠地提供了供電能源并為電池補充了足夠能量，在軌未出現(xiàn)太陽電池板二次放電及電池電路短路現(xiàn)象。充分驗證了等離子體環(huán)境靜電放電防護等安全性措施的有效性。

2.1.2 驅(qū)動機構(gòu)高壓安全措施

載人航天器設(shè)置有左、右兩個驅(qū)動機構(gòu)，通過驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)滑環(huán)以及電纜實現(xiàn)功率的傳輸，將艙外太陽電池陣上的供電陣和充電陣功率傳輸至艙內(nèi)。對驅(qū)動機構(gòu)的高壓安全性設(shè)計及控制措施如下。

對驅(qū)動機構(gòu)高壓傳輸間隙控制包括：

1）加大驅(qū)動機構(gòu)環(huán)間絕緣間距，保證絕緣層厚度；

2）使滑環(huán)與驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)金屬導(dǎo)電表面保持一定的距離，各電刷到導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)金屬導(dǎo)電表面保持一定的距離，每個相鄰環(huán)之間的刷絲錯開一定角度分布，以確保相鄰裸露部分的間隔；

3）驅(qū)動機構(gòu)滑環(huán)上正線與負線分開布置，并且間隔1 個空環(huán)，可以保證即使出現(xiàn)跳環(huán)現(xiàn)象，也不會導(dǎo)致跳環(huán)所在單個分陣正負極之間短路；

4）滑環(huán)按照功率正相鄰、功率負相鄰進行布置，避免出現(xiàn)相鄰滑環(huán)之間高電位差的情況。

此外，對驅(qū)動機構(gòu)的未使用環(huán)以及驅(qū)動機構(gòu)與艙體之間進行高阻接地，當(dāng)驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)短路情況時，使得回路電流很小，以避免短路故障的擴散。

2.1.3 蓄電池組高壓安全措施

載人航天器蓄電池組作為儲能元件，其工作電壓為60～90 V，對其高壓安全性設(shè)計及控制措施如下：

1）單體電池直筒段貼有聚酰亞胺膜，同時采用真空灌膠方式，防止單體與袖套間出現(xiàn)氣泡，保證單體和袖套的絕緣，且單體殼體與袖套、極柱絕緣電阻均大于100 M?；

2）氫鎳電池單體正負極柱涂絕緣膠，電極極柱之間的連接片采用絕緣套筒保護；

3）蓄電池組與航天器結(jié)構(gòu)之間貼有兩層聚酰亞胺膜，并通過高阻與結(jié)構(gòu)地連接，防止電池與結(jié)構(gòu)短路。

2.1.4 高壓供電電路安全措施

為保證載人航天器供電系統(tǒng)的母線安全，對涉及高壓供電電路的安全性設(shè)計及控制措施如下：

1）分流調(diào)節(jié)器及放電調(diào)節(jié)器的功率輸出端增加二極管進行隔離；

2）高壓的繼電器線包供電端增加二極管進行隔離；

3）對于控制高壓的繼電器不使用輔助觸點；

4）對于電容陣，采用電容與熔斷絲串聯(lián)的方

式，防止電容短路引起母線短路；

5）母線電壓、電池組電壓、電池模塊電壓等相關(guān)的高壓采樣電路，采用2 個電阻并聯(lián)形式組成分壓接地電路，防止其中一個電阻斷路時將高壓引入遙測采集單機。

2.1.5 脫插高壓接口放電防護設(shè)計措施

脫插電連接器設(shè)置在航天器外表面，用于接收地面高壓供電電源，包括地面穩(wěn)壓供電和地面應(yīng)急充電。為避免航天器在軌飛行期間艙內(nèi)高壓串入到暴露在空間環(huán)境中的脫插高壓接口上，引起高壓等離子體放電，采取以下措施：

1）航天器接收地面穩(wěn)壓供電的輸入端設(shè)置繼電器進行通斷控制，在發(fā)射塔架航天器轉(zhuǎn)入器上蓄電池供電后將此繼電器斷開，使得航天器在軌飛行過程中艙內(nèi)高壓無法串入到脫插高壓接口上；

2）航天器接收地面充電的輸入端采用二極管隔離，避免在軌飛行過程中艙內(nèi)高壓串入到脫插高壓接口上。

2.2 高壓配電安全設(shè)計及驗證

載人航天器高壓配電安全設(shè)計主要涉及配電單元的DC/DC 變換器及電纜網(wǎng)高壓安全設(shè)計。

2.2.1 DC/DC 變換器高壓安全設(shè)計及驗證

為保護載人航天器高壓母線，應(yīng)對配電器的輸入、輸出進行故障隔離設(shè)計，具體控制措施如下。

1）配電器保護輸入電源母線功能設(shè)計及驗證

載人航天器配電器的模塊電源輸入端均設(shè)有短路保護電路[5]，模塊電源分別采用兩類雙重保護電路：一類采取熔斷器保護與輸入截流保護電路相結(jié)合的方式；另一類采取熔斷器保護與輸入限流保 護電路相結(jié)合的方式。這些變換器的輸入保護功能能夠確保在配電器故障下一次電源母線的安全。保護電路的基本原理為：在輸入端發(fā)生短路時，電流采樣電阻會產(chǎn)生較大的電壓，通過對應(yīng)的三極管導(dǎo)通，驅(qū)動供電路徑上的控制MOS 管截止，使設(shè)置在母線回路上的MOS 管處于斷開狀態(tài)，實現(xiàn)故障與母線的迅速隔離。

2）配電器輸出過流/輸出過壓保護功能設(shè)計及驗證

載人航天器配電器的模塊電源均設(shè)有輸出過流和輸出過壓自動保護電路，可以保護二次母線不因過載而損壞。

輸出過流保護電路中的電流取樣變壓器對輸出電流進行整流、濾波，最后送到脈寬調(diào)制器的電流采樣端，當(dāng)采樣電流超過額定輸出電流的1.3 倍時，通過逐個脈沖的封鎖來控制脈寬調(diào)制器的輸出以達到過流保護的目的。

輸出過壓的保護電路正常情況下不動作，當(dāng)輸出過壓時，反饋信號通過電源管理芯片電流采樣來關(guān)斷主回路MOS 管的驅(qū)動輸出，達到保護負載的目的。一般過壓保護值設(shè)為電源模塊額定輸出的1.2 倍。

2.2.2 高壓電纜網(wǎng)安全設(shè)計及驗證

為了確保航天器高壓傳輸供電安全，通過以下幾個方面進行高壓電纜的安全設(shè)計。

1）電纜絕緣和抗電強度檢查

① 絕緣電阻檢查

常溫干燥條件下（環(huán)境溫度(20±5)℃，相對濕度30%～60%，大氣壓力(96±8) kPa，試件處于靜止?fàn)顟B(tài)），用兆歐表按電纜生產(chǎn)接點表逐點進行測量。檢查每一點同時對其他所有點和對電連接器外殼的絕緣電阻值，在正常大氣壓及空氣干燥的情況下其值均大于200 M?/250 V。

② 絕緣抗電強度檢查

常溫干燥條件下（環(huán)境溫度(20±5)℃，相對濕度30%～60%，大氣壓力(96±8) kPa，試件處于靜止?fàn)顟B(tài)），用頻率為50 Hz、額定容量不小于 0.5 kVA 的試驗裝置，對各供電正線和回線間的抗電強度進行檢查。試驗電壓為250 V，試驗時間為30 s。試驗過程中電纜無擊穿、表面閃爍等現(xiàn)象。

2）電連接器高壓安全設(shè)計

載人航天器的高壓電連接器均按照供電端為孔式、受電端為針式進行設(shè)計；輸入輸出的正線和回線至少間隔1 個接觸件，即正線和回線的間隔至少為電連接器相鄰接觸件間隔的2 倍；選用的電連接器耐壓值均大于500 V，并滿足電壓、電流和溫度的I 級降額要求，如圖2所示。

圖2 電連接器接點分配圖Fig.2 The contact point allocation of the electric connerctor

2.3 圍繞人員的高壓安全設(shè)計

為了確保航天器高壓不會對航天員安全造成影響，通過以下幾個方面進行人員高壓防護設(shè)計。

1）高壓供電電纜布局設(shè)計及實施

載人航天器的高壓供電電纜采用單根電纜設(shè)計?？傃b時按照“高壓供電電纜單獨布局、安裝，以及安裝在人不易接觸的部位，盡量與低壓電纜隔離”的原則，對高壓電纜進行布局安裝。當(dāng)前的載人航天器高壓電纜與低壓電纜主通道均分開，局部有交叉或高壓電纜與低壓電纜交叉綁扎處，低壓電纜均采用熱縮布進行綁束后再與高壓電纜綁扎，以加強絕緣效果。

2）高壓供電電纜傳輸路徑二次隔離設(shè)計及實施

高壓供電電纜在傳輸路徑上采取二次隔離，電纜與艙體金屬結(jié)構(gòu)直接接觸部位加鋪聚酰亞胺膜，且鋪設(shè)寬度不小于電纜直徑的2～3 倍。

3）航天員活動區(qū)高壓危險標識設(shè)計及實施 對于載人航天器航天員活動區(qū)域中可見的高 壓電纜，均采用橙色綁帶進行捆扎，使其醒目可見，提醒航天員盡量避免接觸。

4）航天員活動區(qū)高壓設(shè)備保護設(shè)計及實施

為避免航天員在艙內(nèi)活動時發(fā)生高壓觸電危險，在航天員活動區(qū)內(nèi)均未布置高壓設(shè)備。

3 結(jié)論和展望

綜上所述，載人航天器高壓供電安全性設(shè)計提升了系統(tǒng)可靠性和安全性，不僅為能源系統(tǒng)安全、可靠地執(zhí)行我國載人交會對接任務(wù)提供了重要保障，更重要的是建立了一套適用于載人航天器高壓供電安全性控制的規(guī)范，對于促進載人航天工程規(guī)范化、標準化起到了巨大的推動作用。本成果可以作為載人航天型號參考和借鑒的規(guī)范，具有推廣應(yīng)用價值，對我國大型載人航天工程具有重要的借鑒意義。

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