上面級(jí)直接入軌衛(wèi)星星箭供電接口設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

上面級(jí)是在常規(guī)的基礎(chǔ)級(jí)運(yùn)載火箭上增加的相對(duì)獨(dú)立的一級(jí)或多級(jí)，是航天運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分[1]。上面級(jí)具有較強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性，相對(duì)于常規(guī)的基礎(chǔ)級(jí)運(yùn)載火箭，上面級(jí)通常具有自主飛行、多次啟動(dòng)、較長(zhǎng)時(shí)間在軌工作等顯著特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)一箭多星發(fā)射和軌道部署[2]。采用上面級(jí)直接入軌的衛(wèi)星大大減少了自身燃料的消耗，提高了有效載荷比重。美國(guó)從第六代GPS導(dǎo)航衛(wèi)星開(kāi)始，便采用上面級(jí)直接入軌策略[3]。俄羅斯也通過(guò)弗雷蓋特(Fregat)火箭上面級(jí)完成伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星的一箭多星發(fā)射任務(wù)[4]。

一般衛(wèi)星在與火箭分離后馬上進(jìn)行太陽(yáng)翼展開(kāi)，衛(wèi)星電源便有了保障，可以繼續(xù)開(kāi)展后續(xù)變軌工作[5-7]。但對(duì)于上面級(jí)直接入軌的衛(wèi)星，由于可展開(kāi)空間和變軌期間安全性的限制，上面級(jí)和基礎(chǔ)級(jí)分離后，衛(wèi)星無(wú)法對(duì)太陽(yáng)翼進(jìn)行展開(kāi)操作，衛(wèi)星沒(méi)有能量來(lái)源。由于轉(zhuǎn)移軌道段時(shí)間較長(zhǎng)，如果該過(guò)程中全部能源均由衛(wèi)星蓄電池組提供，蓄電池組設(shè)計(jì)容量大于在軌實(shí)際所需容量，造成在軌使用的浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星的起飛質(zhì)量造成負(fù)面影響。經(jīng)計(jì)算[8]，一個(gè)功率等級(jí)3 kW的中圓軌道衛(wèi)星如果上面級(jí)轉(zhuǎn)移軌道段全部由衛(wèi)星自帶蓄電池組供電，蓄電池組容量需要增加20%，質(zhì)量增加約12 kg，給衛(wèi)星設(shè)計(jì)帶來(lái)負(fù)擔(dān)。而且需要太陽(yáng)翼在星箭分離后立即展開(kāi)，如果未正常展開(kāi)幾乎沒(méi)有故障處置時(shí)間。如果能設(shè)計(jì)一種上面級(jí)直接入軌衛(wèi)星星箭供電接口，既可以降低衛(wèi)星的起飛質(zhì)量，也可以解決上面級(jí)轉(zhuǎn)移軌道段直至星箭分離時(shí)衛(wèi)星用電難題，對(duì)提升衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道段用電的可靠性和安全性有著重要意義。

目前，我國(guó)已完成“一箭雙星”上面級(jí)直接入軌的實(shí)踐。本文首先分析了衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道段星箭供電接口設(shè)計(jì)原則，在此基礎(chǔ)上提出一種“一箭雙星”上面級(jí)星箭電接口的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)“一箭雙星”上面級(jí)直接入軌的應(yīng)用與驗(yàn)證情況進(jìn)行總結(jié)。

1 星箭供電接口設(shè)計(jì)原則

上面級(jí)直接入軌衛(wèi)星星箭供電接口，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)包括3個(gè)方面：①兩個(gè)系統(tǒng)之間電接口的匹配性問(wèn)題。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保上面級(jí)供電品質(zhì)能夠適應(yīng)衛(wèi)星的實(shí)際需求，防止出現(xiàn)母線電壓不匹配或負(fù)載變化導(dǎo)致母線電壓劇烈波動(dòng)的問(wèn)題；②上面級(jí)為衛(wèi)星供電的裕度問(wèn)題。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保裕度既能滿足衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道段使用要求，又能最大程度降低發(fā)射質(zhì)量成本；③上面級(jí)為衛(wèi)星供電的安全性問(wèn)題。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)關(guān)注供電切換時(shí)母線電壓變化以及供電耦合部分的安全性。

綜合以上設(shè)計(jì)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注衛(wèi)星用電品質(zhì)、上面級(jí)供電裕度、供電安全設(shè)計(jì)等原則。

1.1 衛(wèi)星用電品質(zhì)原則

衛(wèi)星的用電品質(zhì)一般包括母線電壓和負(fù)載電流。目前，衛(wèi)星一次母線一般為全調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，中高軌衛(wèi)星根據(jù)功率等級(jí)不同，母線電壓各有不同。一般包括42 V和100 V[9]。為確保上面級(jí)供電期間衛(wèi)星一次電源設(shè)備不參與調(diào)節(jié)，上面級(jí)供電電壓需要高于衛(wèi)星母線電壓，取42.5 V和100.5 V。同時(shí)，由于衛(wèi)星用電單機(jī)的安全工作電壓限制，上面級(jí)供電電壓需要低于安全工作電壓上限。42 V母線負(fù)載正常工作電壓范圍一般不超過(guò)45 V，100 V母線負(fù)載正常工作電壓范圍不超過(guò)105 V。因此，上面級(jí)供電電壓在衛(wèi)星入口端應(yīng)為42.5 V～45 V或100.5 V～105 V。

對(duì)于衛(wèi)星用電電壓的要求，上面級(jí)供電接口的設(shè)計(jì)既要充分考慮滿載時(shí)線纜壓降帶來(lái)的影響，也要考慮輕載或空載時(shí)輸出電壓過(guò)高的風(fēng)險(xiǎn)。以衛(wèi)星一次母線Vbus=42 V為例，一般上面級(jí)供電輸出端設(shè)計(jì)為45 V，即使在空載時(shí)母線電壓也不會(huì)超過(guò)安全工作電壓。同時(shí)核算滿載時(shí)壓降，對(duì)星箭供電電纜阻抗提出約束，確保衛(wèi)星在滿載時(shí)母線電壓仍高于調(diào)節(jié)上限。

由于衛(wèi)星在主動(dòng)段和轉(zhuǎn)移軌道段處在不斷變化的熱環(huán)境中，部分加熱器會(huì)在接通和關(guān)斷之間變化。此外，衛(wèi)星程控會(huì)在轉(zhuǎn)移軌道段對(duì)部分負(fù)載設(shè)備加電。以上原因均會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星負(fù)載電流變化。上面級(jí)供電接口設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)關(guān)注負(fù)載波動(dòng)對(duì)母線電壓的影響，對(duì)負(fù)載波動(dòng)時(shí)母線電壓變化幅值和回調(diào)時(shí)間提出要求。

1.2 上面級(jí)供電裕度原則

上面級(jí)供電時(shí)間一般從起飛前開(kāi)始，直至衛(wèi)星與上面級(jí)分離。起飛前，由于存在處理脫落插頭、人員撤離等操作，需要衛(wèi)星在發(fā)射前提前將地面供電轉(zhuǎn)為衛(wèi)星自身蓄電池組供電，再轉(zhuǎn)為上面級(jí)供電。時(shí)間一般在發(fā)射前1 h或2 h。從該時(shí)刻起，直至上面級(jí)與衛(wèi)星分離，衛(wèi)星均通過(guò)星箭供電接口由上面級(jí)供電(見(jiàn)圖1)。

圖1 衛(wèi)星上面級(jí)供電時(shí)序Fig.1 Sequence of power supply by upper stages

拋掉整流罩后，衛(wèi)星太陽(yáng)翼由于受太陽(yáng)光照能夠產(chǎn)生部分能源，但由于上面級(jí)供電電壓高于衛(wèi)星母線調(diào)節(jié)電壓，太陽(yáng)翼產(chǎn)生的能源在轉(zhuǎn)移軌道段直接被分流掉。因此，太陽(yáng)翼不作為轉(zhuǎn)移軌道段衛(wèi)星的能量來(lái)源。

供電需求方面，上面級(jí)供電期間，衛(wèi)星平臺(tái)供配電、數(shù)管、測(cè)控、控制及推進(jìn)等分系統(tǒng)處于加電狀態(tài)。熱控分系統(tǒng)加熱器一般處于自控使能狀態(tài)。用電需求統(tǒng)計(jì)時(shí)，既要關(guān)注平臺(tái)恒定負(fù)載，也要關(guān)注短時(shí)工作的加熱器等瞬時(shí)負(fù)載，確定衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道段長(zhǎng)期和瞬時(shí)功率需求，為上面級(jí)供電接口設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

設(shè)上面級(jí)共攜帶n顆衛(wèi)星起飛，n顆衛(wèi)星起飛前平均功率需求分別為Pq1，Pq2……Pqn，起飛后平均功率需求分別為Pr1，Pr2……Prn。設(shè)起飛前上面級(jí)供電時(shí)間為T1i，起飛后至星箭分離時(shí)刻上面級(jí)供電時(shí)間為T2i。n顆衛(wèi)星對(duì)上面級(jí)電量需求W(單位：Wh)為

(1)

式中：Pqi為第i顆衛(wèi)星起飛前平均功率需求，Pri為第i顆星起飛后平均功率需求。

設(shè)上面級(jí)供電綜合效率為η，上面級(jí)電池組在整個(gè)放電周期內(nèi)平均放電電壓為Vbat，上面級(jí)電池組放電深度為D。上面級(jí)電池容量C理論值為

(2)

上面級(jí)的衛(wèi)星供電系統(tǒng)只在轉(zhuǎn)移軌道使用，星箭分離后便沒(méi)有使用價(jià)值，因此，為減輕發(fā)射重量，上面級(jí)供電裕度應(yīng)在保證衛(wèi)星使用需求的基礎(chǔ)上，僅留少量余量。星箭分離時(shí)，上面級(jí)電池組放電深度一般設(shè)計(jì)為80%～90%。

1.3 供電安全原則

上面級(jí)與衛(wèi)星供電接口設(shè)計(jì)中，尤其要注意供電安全問(wèn)題。包括衛(wèi)星和上面級(jí)分離時(shí)母線壓降、“一箭多星”上面級(jí)供電回線共地問(wèn)題。

由于上面級(jí)供電時(shí)衛(wèi)星母線電壓處于分流調(diào)節(jié)閾值以上，衛(wèi)星自身供電不輸出。當(dāng)上面級(jí)斷電瞬間，衛(wèi)星電源系統(tǒng)開(kāi)始調(diào)制。衛(wèi)星系統(tǒng)調(diào)制需要一定響應(yīng)時(shí)間，且調(diào)制從放電域開(kāi)始，導(dǎo)致上面級(jí)與衛(wèi)星分離時(shí)，衛(wèi)星母線電壓出現(xiàn)一定幅度下跌。設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過(guò)分析和試驗(yàn)手段，確認(rèn)分離時(shí)母線電壓下跌幅度和響應(yīng)時(shí)間，并確保母線電壓的瞬變不會(huì)造成星上設(shè)備斷電。

“一箭多星”上面級(jí)供電接口設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)關(guān)注供電公共部分耦合情況。一般衛(wèi)星一次母線回線與結(jié)構(gòu)直接連接，如果多星共同安裝于上面級(jí)支架上，則會(huì)造成多星一次母線回線聯(lián)通。一旦負(fù)載發(fā)生波動(dòng)導(dǎo)致多星之間負(fù)載差異變化，供電回線上會(huì)產(chǎn)生“竄電”現(xiàn)象。設(shè)計(jì)時(shí)，需要加強(qiáng)衛(wèi)星一次母線回線接地設(shè)計(jì)，還需要注意該現(xiàn)象對(duì)功率負(fù)端采樣電路精度的影響。

2 一箭雙星上面級(jí)直接入軌衛(wèi)星星箭供電接口設(shè)計(jì)

根據(jù)上面級(jí)直接入軌衛(wèi)星星箭供電接口設(shè)計(jì)原則，對(duì)一箭雙星上面級(jí)供電接口進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

2.1 上面級(jí)供電拓?fù)湓O(shè)計(jì)

由于上面級(jí)供電母線有嚴(yán)格的限制，需要在上面級(jí)和衛(wèi)星之間設(shè)計(jì)蓄電池放電調(diào)節(jié)器(Battery Discharge Regulator，BDR)。每顆衛(wèi)星對(duì)應(yīng)兩個(gè)BDR電路，一箭雙星上面級(jí)與衛(wèi)星電接口理論拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 上面級(jí)供電理論拓?fù)銯ig.2 Theoretical topological structure of power supply by upper stages

實(shí)際設(shè)計(jì)中，為節(jié)省資源，上面級(jí)通過(guò)3路BDR電路匯流成一條公共母線，再分別送與兩顆衛(wèi)星，具體拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 上面級(jí)供電實(shí)際拓?fù)銯ig.3 Practical structure of power supply by upper stages

該設(shè)計(jì)雖然增加了雙星供電的公共部分，節(jié)省了質(zhì)量，但同樣會(huì)增加耦合部分的共因失效和共源干擾風(fēng)險(xiǎn)，需要加強(qiáng)供電通路的可靠性設(shè)計(jì)，確保供電安全。

2.2 箭內(nèi)星用電池組設(shè)計(jì)

雙星起飛前2 h由外部供電轉(zhuǎn)為上面級(jí)供電，起飛后3.5 h星箭分離。起飛前單星平均功耗為310 W，起飛后平均功耗為480 W。根據(jù)式(1)，衛(wèi)星對(duì)上面級(jí)電量需求為4600 Wh。

上面級(jí)BDR模塊實(shí)測(cè)效率為92%，供電通路效率為94%，綜合效率為86%。上面級(jí)采用升壓調(diào)節(jié)電路，蓄電池平均放電電壓取26 V。根據(jù)式(2)上面級(jí)蓄電池全部放空的條件下，蓄電池設(shè)計(jì)容量為212 Ah。

蓄電池選型方面，可以選擇航天中常用的鋅銀電池組，也可以選擇鋰離子蓄電池組。鋅銀電池優(yōu)點(diǎn)在于成熟度高，應(yīng)用面廣，但空間用鋅銀電池一般采用單體密封電池，一旦推遲發(fā)射，蓄電池組便不能再充電，影響任務(wù)使用；鋰離子蓄電池組優(yōu)點(diǎn)在于質(zhì)量輕，可重復(fù)充放電，可以在型譜內(nèi)挑選合適的鋰離子蓄電池單體并聯(lián)得到需要的容量。

對(duì)于最低212 Ah的容量需求和平均放電電壓26 V的需求，選擇型譜為60 Ah的單體3并7串。壽命初期充滿電時(shí)容量約為220 Ah，滿足使用要求，預(yù)計(jì)放電深度在90%左右。

2.3 上面級(jí)供電安全設(shè)計(jì)

雙星母線電壓均為42 V，根據(jù)星箭供電設(shè)計(jì)原則，將上面級(jí)供電衛(wèi)星端電壓設(shè)計(jì)為42.5 V～45 V。在星箭電纜設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注上面級(jí)給衛(wèi)星供電功率通路的阻抗，減小大電流時(shí)電纜壓降，確保上面級(jí)供電電壓始終大于衛(wèi)星母線調(diào)節(jié)電壓的上限。上面級(jí)供電功率通路正線和回線阻抗分別為60 mΩ。衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道段最大瞬時(shí)負(fù)載為710 W，壓降為2.1 V，母線電壓仍滿足大于42.5 V的要求。

一箭雙星上面級(jí)供電時(shí)潛通路如圖4所示，由于供電端的耦合特性，雙星供電電流回線通過(guò)衛(wèi)星支架聯(lián)通，供電阻抗和負(fù)載電流的不同導(dǎo)致潛通路電流必然存在；當(dāng)上面級(jí)為兩顆衛(wèi)星因加、斷電操作不同步時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生潛通路電流。經(jīng)試驗(yàn)，雙星負(fù)載電流差異越大，潛通路電流越大。負(fù)載差異10 A，潛通路電流2 A。雙星電源控制設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，電源控制設(shè)備和電纜可以容忍功率回線和結(jié)構(gòu)上流過(guò)最大10 A的潛通路電流，確保該電流不會(huì)對(duì)供電安全性和遙測(cè)準(zhǔn)確性造成影響。

圖4 上面級(jí)供電潛通路示意圖Fig.4 Current potentially path at power supply by upper stages

3 一箭雙星上面級(jí)轉(zhuǎn)移軌道段供電接口驗(yàn)證

以一箭雙星上面級(jí)轉(zhuǎn)移軌道段實(shí)際飛行情況為例，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。一箭雙星分別為A星和B星。起飛后，A星母線電壓和母線電流見(jiàn)圖5和圖6。

B星母線電壓和母線電流見(jiàn)圖7和圖8。其中，起飛前為恒定負(fù)載，數(shù)據(jù)顯示為一條直線。

上面級(jí)供電采用鋰離子蓄電池組，供電能力為5700 Wh。設(shè)T為整個(gè)轉(zhuǎn)移軌道段時(shí)長(zhǎng)(單位s)，IAi、VAi、IBi、VBi等表示第i時(shí)刻相應(yīng)衛(wèi)星的母線電壓和母線電流遙測(cè)值。分別對(duì)A星和B星電壓和電流的乘積結(jié)果對(duì)時(shí)間積分如下：

(3)

式中：E為雙星轉(zhuǎn)移軌道段總用電電量。計(jì)算得到衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道段總用電量E為4370 Wh。按綜合放電效率86%計(jì)算，得到上面級(jí)放電深度為89%。

該設(shè)計(jì)滿足了衛(wèi)星從起飛前到入軌過(guò)程中5 h以上的用電需求，使衛(wèi)星蓄電池組在衛(wèi)星與上面級(jí)分離時(shí)刻仍為滿荷電狀態(tài)，為衛(wèi)星太陽(yáng)翼正常展開(kāi)留有了足夠的余量。有效減少了衛(wèi)星起飛質(zhì)量，對(duì)一箭雙星的成功發(fā)射具有重要的意義。

圖5 上面級(jí)供電A星母線電壓Fig.5 Bus voltage of satellite A at power supply by upper stages

圖6 上面級(jí)供電A星母線電流Fig.6 Bus current of satellite A at power supply by upper stages

圖7 上面級(jí)供電B星母線電壓Fig.7 Bus voltage of satellite B at power supply by upper stages

圖8 上面級(jí)供電B星母線電流Fig.8 Bus current of satellite B at power supply by upper stages

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了“一箭雙星”直接入軌衛(wèi)星上面級(jí)供電接口設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)際飛行結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。上面級(jí)直接入軌衛(wèi)星星箭供電接口的設(shè)計(jì)滿足了衛(wèi)星從起飛前到直接入軌過(guò)程中的用電需求，減小了衛(wèi)星的起飛質(zhì)量，提高了轉(zhuǎn)移軌道段衛(wèi)星用電的安全性。綜合全文，可以得到如下結(jié)論：

(1)對(duì)于后續(xù)衛(wèi)星，上面級(jí)供電接口設(shè)計(jì)中除了關(guān)注供電品質(zhì)、供電裕度以外，也要重點(diǎn)關(guān)注供電安全性問(wèn)題，尤其是多星供電耦合部分設(shè)計(jì)問(wèn)題。

(2)上面級(jí)蓄電池放電深度可以設(shè)計(jì)為80%～90%，既可以滿足衛(wèi)星用電需求，也可以最大限度減小起飛質(zhì)量。

(3)對(duì)于起飛質(zhì)量余量較大衛(wèi)星，可以采用互相隔離的上面級(jí)功率變換模塊，減少供電耦合部分，增加系統(tǒng)可靠性。