箭載電子設(shè)備供電接口統(tǒng)一化研究

張金剛， 王星來， 吳燕茹， 徐 力， 王 剛

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

箭載電子設(shè)備供電接口統(tǒng)一化研究

張金剛， 王星來， 吳燕茹， 徐 力， 王 剛

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

針對我國現(xiàn)役運載火箭供配電系統(tǒng)的設(shè)計體制，對箭載電子設(shè)備供電接口的設(shè)計分別從工作電流、接插件種類、線路接點等方面進行統(tǒng)計，從統(tǒng)計特征上分析電子設(shè)備供電接口的現(xiàn)狀，進一步通過對典型接口設(shè)計電路的理論分析，歸納影響因素，定義了影響因子，提出供電接口統(tǒng)一化設(shè)計的思路和方法，并給出統(tǒng)一化設(shè)計要求和建議。

運載火箭；供配電；供電接口；產(chǎn)品化

0 概述

我國現(xiàn)役運載火箭電子系統(tǒng)普遍采用28V直流供電體制，箭上電子設(shè)備一般通過單獨的供電接口從母線取電[1]。由于現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計規(guī)范和要求更多的針對功能、性能指標的設(shè)計，對于供電接口的設(shè)計更多依靠設(shè)計師的經(jīng)驗[2]，缺乏從供配電系統(tǒng)的角度形成對設(shè)備接口的統(tǒng)一設(shè)計規(guī)范或要求，造成電子設(shè)備28V一次供電接口的設(shè)計主觀性較大，結(jié)果是設(shè)備接口種類較多，要求不一。一方面設(shè)備接口的復雜增加了系統(tǒng)設(shè)計的復雜性，對供電的可靠性帶來隱患；另一方面接口類型的不統(tǒng)一，使得與之相關(guān)的系統(tǒng)電纜接口、轉(zhuǎn)接盒、轉(zhuǎn)接電纜、測試臺等測試產(chǎn)品的數(shù)量大大增加，使得產(chǎn)品及系統(tǒng)成本增大，同時難以進行批量采購、生產(chǎn)，不利于產(chǎn)品貨架的建立。

本文通過對箭載電子設(shè)備的供電接口進行統(tǒng)計學分析，總結(jié)經(jīng)驗和特點，從系統(tǒng)總體的角度提出設(shè)備供電接口統(tǒng)一化設(shè)計的思路和方法，為電子設(shè)備的產(chǎn)品化設(shè)計提供參考。

1 箭載電子設(shè)備供電接口現(xiàn)狀分析

對我國現(xiàn)役火箭中使用的114臺電子設(shè)備為樣本進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)其選用的供電接口類型達到了94類。沒有系統(tǒng)條件進行約束的話，各設(shè)備供電接口的選型與設(shè)計主觀性較大，難以形成一致的標準。本文通過對樣本供電電流(功耗)、電連接器類型、正負母線接點分配等多角度的分析，從統(tǒng)計學上分析現(xiàn)役火箭電子設(shè)備供電接口的特性。

1.1 按供電電流分析

對114臺設(shè)備樣本的供電電流按0A～0.5A、0.5A～1A、1A～2A、2A～3A、3A～4A、>4A分成6檔，統(tǒng)計特征如表1所示。從統(tǒng)計特征可以看出，箭載電子設(shè)備大多屬于小功耗設(shè)備，工作電流在0.5A以內(nèi)的占了57%，工作電流大于4A的大功率設(shè)備僅占2%。

為反映大多數(shù)電子設(shè)備的用電特性，便于開展供電設(shè)計，按0A～2A、2A～3A、>3A進一步進行分類統(tǒng)計?？梢钥闯?A～2A的用電設(shè)備屬于絕大多數(shù)，占了91.3%，2A～3A和>3A分別各占4.4%，總體來看0A～3A以內(nèi)的用電設(shè)備占到了95.7%。

表1 箭載電子設(shè)備供電電流分析

1.2 按電連接器類型分析

盡管114臺樣本具體選用的電連接器型號差異較大，但從電連接器所屬的規(guī)格類型來看還是有明顯的統(tǒng)計特征的，對樣本在0A～2A、2A～3A、>3A工作電流段的條件下，按所用電連接器的規(guī)格類型進行統(tǒng)計，如表2所示?？梢钥闯鯦14系列矩形電連接器是使用最廣泛的接插件，占到了樣本總數(shù)的68.4%；Y11系列圓形和J599系列圓形連接器數(shù)量次之，分別占到樣本總數(shù)的12.3%、7.0%；J30J系列占4.4%；CX2系列、Y8C系列以及J36系列使用較少，分別占3.5%、2.6%和1.8%。

表2 箭載電子設(shè)備供電接口電連接器類型統(tǒng)計

1.3 按線路接點分析

正負母線線路接點的分配主要與產(chǎn)品的工作電流以及冗余設(shè)計等可靠性相關(guān)的措施有關(guān)，一般電流越大，分配的接點越多，對可靠性要求越高，冗余的接點越多。電子設(shè)備正負母線接點一般成對使用，最少分別用2個點做正、負母線接點，最多用到了4個點，也有不規(guī)則的非成對使用等特殊應用情況。

對樣本在0A～2A、2A～3A、>3A工作電流段的條件下，按母線接點進行分類統(tǒng)計的結(jié)果見表3。

表3 箭載電子設(shè)備母線接點分類統(tǒng)計

可以看出在0A～2A工作電流時，大量采用了2正2負，其次是3正3負的接點分配方法；在2A～3A供電電流時，絕大多數(shù)采用3正3負的接點分配方法；在>3A的供電電流時，多數(shù)采用了4正4負，其次是3正3負的接點分配方法。

2 箭載電子設(shè)備供電接口統(tǒng)一化設(shè)計

2.1 箭載供電線路理論模型

設(shè)供電母線電壓為U0，用電負載即設(shè)備輸入端電壓為U1，供電距離為L。供電傳輸線一般由平行導體構(gòu)成，可看作均勻傳輸線[3]，供電線路的等效電路模型如圖1所示，圖中參數(shù)定義為：

R0——兩根平行導線每單位長度具有的電阻，單位為Ω/m；

L0——兩根平行導線每單位長度具有的電感，單位為H/m；

C0——每單位長度兩根導線之間的電容，單位為F/m；

G0——每單位長度兩根導線之間的電導，單位為S/m；

圖1 供電設(shè)計等效電路模型Fig.1 Equivalent circuits of power supply design

對一段無窮小的長度元dx，設(shè)在dx左端的電壓和電流為u和i，根據(jù)均勻傳輸線的偏微分方程[4]有：

可見負載的實際電壓、電流受線路導線的電阻、電感以及導線間的電容、電導影響。由于單位長度的電導率代表了兩導體之間流動的傳導電流，考慮火箭選用導線的絕緣方式，該電流將會非常小，因此G0值可以忽略。且目前火箭供電體制通常為28V直流，考慮穩(wěn)態(tài)情況，在火箭常規(guī)供電距離內(nèi)，C0、L0值較小，可以忽略。設(shè)系統(tǒng)設(shè)計的線路允許壓降損耗為ΔU，對上述偏微分方程進行積分，則應滿足：

(1)

供電接點或線路一般采用冗余設(shè)計，設(shè)供電線路的冗余度為m(m≥1)，定義為當供電線路出現(xiàn)m個點或m根線斷開時，供電線路仍能保持其設(shè)計功能。若供電線路為N點N線(供電接點為N正N負，正、負接點各采用N根導線連接)，則令n=N-m，定義為線路設(shè)計度，設(shè)I為負載穩(wěn)態(tài)工作電流，則式(1)變?yōu)椋?/p>

即：

(2)

2.2 箭載供電接口設(shè)計影響因素分析

從公式(2)可以看出，箭載電子設(shè)備供電接口的設(shè)計不僅受本身工作電流的影響，而且和安裝位置、供電母線的距離、供配電系統(tǒng)設(shè)計的允許壓降、供電線路的直流電阻值等相關(guān)，而供電線路的直流電阻又取決于導線規(guī)格以及線路設(shè)計度，影響因素較多，可以歸納出如圖2所示的影響因素圖。

圖2 箭載供電接口設(shè)計影響因素

從圖2中可以看出，如何在眾多的因素中，找出對供電接口設(shè)計的直接影響關(guān)系，簡化初次設(shè)計時的影響變量，對減少設(shè)計方案的迭代次數(shù)，提高供電系統(tǒng)的設(shè)計效率，具有重要意義。

2.3 供電接口的系統(tǒng)設(shè)計思路

從系統(tǒng)工程的角度考慮，供電接口的設(shè)計包括供電線路設(shè)計、電連接器設(shè)計兩個方面，涵蓋供電電壓、電流、供電距離、允許壓降、導線規(guī)格、線路設(shè)計度、電連接器選型等多個設(shè)計要素，需要結(jié)合實際箭載環(huán)境綜合考慮。

2.3.1 供電線路線型統(tǒng)一化設(shè)計

一般情況下當供配電系統(tǒng)方案確定之時，即系統(tǒng)的電池、設(shè)備供電指標等分解設(shè)計完成之后，線路允許的壓降即確定下來了，為了便于分析，設(shè)：

(3)

定義為影響因子，則公式(2)變?yōu)椋?/p>

L≤μ/R0

(4)

根據(jù)國內(nèi)導線電纜生產(chǎn)廠使用手冊及以電纜和元器件降額的相關(guān)標準，可以得到航空航天供電線路常用導線(C55A系列)的性能指標，如表4所示，對于供電線纜一般不推薦使用截面積小于0.2mm2的導線。

表4 供電線路常用導線性能指標

根據(jù)導線規(guī)格將表4中的百米長度電阻值統(tǒng)一量綱后代入公式(3)，可以得出如表5所示的線路選型表。為便于應用，轉(zhuǎn)化為如圖3所示的箭載供電線路統(tǒng)一化設(shè)計選型圖。

表5 供電線路選型表

圖3 供電線路統(tǒng)一化設(shè)計選型圖Fig.3 Unified design table for power supply lines

供電線路統(tǒng)一化選型圖將眾多的接口設(shè)計影響因素整合為以影響因子表征的供電距離與導線規(guī)格之間的關(guān)系，借助直觀的二維坐標圖，實現(xiàn)供電線路的準確設(shè)計。設(shè)計選型圖使用方法為：

1)根據(jù)傳輸允許壓降損耗ΔU、線路設(shè)計度n、供電電流I計算影響因子μ值；

2)根據(jù)圖3，在供電長度L≤12μ時，可以選用線規(guī)號為24#的導線；在供電長度L≤20μ時，可以選用22#導線；在供電長度L≤33μ時，可以選用20#導線。

例如，某電池電壓設(shè)計指標為(28.5±2.5)V，一次用電設(shè)備工作電壓為(28±3)V，為保證一次用電設(shè)備在極端供電情況下的正常工作，傳輸路徑的壓降損耗應不大于1V，按冗余度為1，線路設(shè)計度為2的三點三線供電方式，供電電流1A，根據(jù)式(3)，可以得出：

按照圖3，得出在供電距離12μ=24m范圍內(nèi)選用24#導線，供電距離20μ=40m范圍內(nèi)選用22#導線，供電距離33μ=66m范圍內(nèi)選用20#導線。

2.3.2 電連接器統(tǒng)一化設(shè)計

電連接器的選型設(shè)計需綜合考慮機械性能、電性能和環(huán)境適應性[5]，并且應從系統(tǒng)總體上考慮所選導線規(guī)格、電連接器的接線孔直徑、額定電流、接觸件規(guī)格、連接工藝等性能或使用指標。

根據(jù)供電接口電連接器統(tǒng)計現(xiàn)狀，并結(jié)合目前現(xiàn)役火箭實際使用情況，在滿足箭載機械及環(huán)境適應性的條件下，選用J14T-9ZJ、J14C-9ZJ、Y11P-1210ZJ、J599/20FC98PN-H等4型連接器作為供電接口的統(tǒng)一化優(yōu)選接口類型，其電氣及總體性能指標如表6所示，推薦使用焊接連接工藝。

表6 統(tǒng)一化選型電連接器性能指標

2.3.3 供電接口統(tǒng)一化設(shè)計要求

根據(jù)第2小節(jié)的統(tǒng)計分析結(jié)果，可知供電電流0A～3A的用電設(shè)備達到了95.7%，箭載供電接口的統(tǒng)一化設(shè)計要求針對此類設(shè)備為主進行分析。

按照供電接口設(shè)計影響因素的分析及供電線路統(tǒng)一化設(shè)計選型圖，取ΔU=1，i=1，即傳輸允許壓降損耗為1V，線路冗余度為1，在N點N線線路條件下，線路設(shè)計度n=N-1，在一定工作電流范圍內(nèi)，對導線規(guī)格的選擇、供電線路接點的設(shè)計、影響因子、供電距離的綜合分析計算，形成如表7所示的箭載供電接口的統(tǒng)一化設(shè)計要求，為減小偏差，表中工作電流按每0.5A為一檔，要求說明如下：

1)工作電流為0A～3A的箭載電子設(shè)備供電接口優(yōu)先并統(tǒng)一選用J14T-9ZJ電連接器；

2)工作電流>3A的箭載電子設(shè)備參考本設(shè)計要求，根據(jù)具體使用情況設(shè)計，不做統(tǒng)一要求；

3)根據(jù)適用的供電距離，當不滿足使用要求時，按照表7根據(jù)適用的供電距離選用J14C-9ZJ、Y11P-1210ZJ、J599/20FC98PN-H等型電連接器；

4)在滿足設(shè)計要求的情況下，盡量選用供電線路點線數(shù)較少、導線規(guī)格號較大(導線截面積較小)的方案，以減少電纜網(wǎng)質(zhì)量；

5)當選用導線類型與本文所用導線直流阻值均值相差較大時，應根據(jù)本文推導公式重新計算設(shè)計選型圖以及影響因子，進而完成電連接器選型。

表7 供電接口統(tǒng)一化設(shè)計要求

3 后續(xù)思考及建議

本文通過對目前我國現(xiàn)役火箭中用電設(shè)備供電接口的統(tǒng)計分析，針對箭載供電線路進行理論建模，通過對供電接口設(shè)計的影響因素進行分析，提出影響因子的概念，得到供電線路的統(tǒng)一化設(shè)計選型方法，進一步形成了供電接口的統(tǒng)一化設(shè)計要求，并給出箭載電子設(shè)備的供電接口統(tǒng)一化建議，為設(shè)備供電接口產(chǎn)品化設(shè)計提供思路。

在本文的供電接口統(tǒng)一化設(shè)計要求論證過程中，結(jié)合現(xiàn)役火箭電池供電電壓下限以及28V一次用電設(shè)備工作電壓下限的實際指標情況，取傳輸允許壓降ΔU=1。由影響因子的定義可以看出，μ值與ΔU成正比例關(guān)系，即傳輸允許壓降的增加可以使影響因子變大，進而可以在同等設(shè)計條件下獲得更遠的供電距離?？梢?，從系統(tǒng)總體角度研究箭載電池供電電壓以及用電設(shè)備工作電壓上下限偏差，分析需要開展的工作以及可能的影響，實現(xiàn)指標的優(yōu)化分配和設(shè)計，將大大改善28V直流遠距離供電的工況，對后續(xù)我國大推力大直徑運載火箭的設(shè)計具有一定的借鑒意義。

[1] 祝偉, 張金剛, 張佳寧, 等. 基于 1553B 總線的運載火箭供電測控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機測量與控制, 2016, 24(5): 21-24.

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Research on Unification of Power Supply Interface on Launch Vehicle Devices

ZHANG Jin-gang, WANG Xing-lai, WU Yan-ru, XU Li, WANG Gang

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China)

According to the design of power supply and distribution system in launch vehicle of our country, the working current, the connector type and the connection point of electronic equipment power supply interface was analyzed statistically in this article. Furthermore, the typical design method was discussed, influencing environments and influencing factor were concluded. Therefore, the unification design method and suggestion of power supply interface was put forward in this article.

Launch vehicle; Power supply and distribution; Power supply interface; Production

2017-05-11；

2017-06-02

張金剛(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事遙測系統(tǒng)設(shè)計與研究。E-mai:zhangjg85@126.com

V475.1

A

2096-4080(2017)02-0020-06