運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)箭上電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)*

朱源，趙樂(lè)

(北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854)

0 引言

運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)箭上電纜網(wǎng)是控制系統(tǒng)的重要組成部分，是全箭信息流的載體，又是全箭協(xié)調(diào)工作的基礎(chǔ)，通過(guò)電纜網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全箭電能的饋送，測(cè)量和控制信號(hào)的分配傳輸?shù)萚1]。箭上電纜網(wǎng)的設(shè)計(jì)建立在電氣系統(tǒng)電路圖的基礎(chǔ)上，與各單機(jī)提供的用電量指標(biāo)、傳輸電氣信號(hào)的信息種類密切相關(guān)，是箭上電氣系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)、信息流傳輸設(shè)計(jì)、彈地接口設(shè)計(jì)及電磁兼容性設(shè)計(jì)的物理實(shí)現(xiàn)[2]。箭上電纜網(wǎng)包括電纜束和電阻盒，電纜束是由一定類型與規(guī)格的導(dǎo)線和電連接器經(jīng)過(guò)相應(yīng)工藝要求加工而成的成套電纜[1]，電阻盒是時(shí)序控制輸出設(shè)備，內(nèi)部安裝火工品限流電阻、消反峰電阻及二極管。

隨著新一代運(yùn)載火箭的迅速發(fā)展，控制系統(tǒng)為滿足可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)，箭上電纜網(wǎng)也不斷向更可靠、簡(jiǎn)單化、集成化的方向發(fā)展，以達(dá)到“功能完備、結(jié)構(gòu)合理、高可靠性、安全性和電磁兼容性”的設(shè)計(jì)要求[3]。

1 一般設(shè)計(jì)要求

1.1 電連接器的選用

電連接器的選擇原則如下：

(1)電連接器的選擇應(yīng)當(dāng)由系統(tǒng)統(tǒng)一考慮，在滿足系統(tǒng)環(huán)境條件和技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，應(yīng)盡量選用體積小、重量輕的電連接器，并盡量壓縮電連接器的品種規(guī)格和廠家；

(2) 應(yīng)優(yōu)先選用壓接型電連接器，特別是應(yīng)用在比較惡劣環(huán)境中的電纜。

運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)一般優(yōu)先選用金屬類殼體的J599Ⅲ系列電連接器，采用三頭螺紋快速連接，并帶防松脫機(jī)構(gòu)，能屏蔽電磁干擾，耐沖擊和高強(qiáng)度振動(dòng)[4]，主要性能指標(biāo)如表1，2所示。

表1 J599Ⅲ系列連接器主要機(jī)械和環(huán)境性能

表2 J599Ⅲ系列連接器主要電氣性能Table 2 Main electrical properties of J599Ⅲseries connectors

1.2 導(dǎo)線及電纜的選擇

導(dǎo)線及電纜的選擇要求如下：

(1) 導(dǎo)線與電纜應(yīng)滿足安裝、敷設(shè)處的環(huán)境條件和使用要求(包括機(jī)械性能、使用溫度范圍、額定工作電壓及各種防護(hù)功能要求)，并具有良好的絕緣性能。

(2) 考慮局部高溫和火焰的燒蝕，相應(yīng)位置的電纜應(yīng)采取防高溫措施，線束外套硅橡膠管和玻璃纖維套管。

(3) 電纜的柔軟度應(yīng)滿足系統(tǒng)使用要求，對(duì)于一般的信號(hào)控制線路，應(yīng)當(dāng)選擇線芯為多股銅絲的軟安裝線。

(4) 導(dǎo)線截面積選用要求為：用于飛行及安全控制功能的應(yīng)不小于0.20 mm2，用于信號(hào)測(cè)量功能的應(yīng)不小于0.12 mm2，用于供電及火工品電纜應(yīng)不小于0.35 mm2；除飛行及安全控制功能外的其他重要線路，承受較大振動(dòng)、多次彎曲的電纜，帶有螺紋插頭、需經(jīng)常插拔的電纜一般不宜用截面積小于0.20 mm2的導(dǎo)線。

(5) 1553B總線電纜一般適用于1 MHz及以下頻率的數(shù)據(jù)傳輸，總線電纜的屏蔽覆蓋率至少為90%。

運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)一般選用交聯(lián)乙烯-四氟乙烯共聚物絕緣導(dǎo)線，導(dǎo)線一般不少于19股，具有良好的柔軟性和成束后的可彎曲性。導(dǎo)線額定電壓為交流600 V，20 ℃絕緣電阻不小于1 500 MΩ·km。導(dǎo)體材料選用鍍錫銅或鍍銀銅，工作溫度范圍分別為-65～+150 ℃,-65～+200 ℃，主要性能參數(shù)如表3所示。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)要求

2.1 可靠性設(shè)計(jì)要求

箭上電纜網(wǎng)可靠性設(shè)計(jì)要求如下：

(1) 電連接器應(yīng)對(duì)接觸件電流進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，導(dǎo)線及電纜應(yīng)對(duì)應(yīng)用電壓及電流進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，一般應(yīng)滿足I級(jí)降額[5]。

(2) 線路設(shè)計(jì)中，所有供電和控制信號(hào)傳輸線路，均需采用雙點(diǎn)雙線以上的聯(lián)接方式，確保系統(tǒng)供電及信息傳輸線路可靠工作[6-7]。

(3) 控制系統(tǒng)各分離面均應(yīng)采用冗余分離連接器，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行接口冗余設(shè)計(jì)，確保分離插頭一度故障下，控制系統(tǒng)工作正常。

(4) 火工品供電電路設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少或消除潛電流。

(5) 火工品引爆線路中應(yīng)設(shè)計(jì)限流電阻，既能控制火工品引爆電流，也能承受瞬時(shí)大電流的沖擊而不出現(xiàn)阻值變化。

(6) 為提高控制系統(tǒng)可靠性，簡(jiǎn)化電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)，自新一代運(yùn)載火箭起采用1553B總線技術(shù)。1553B數(shù)據(jù)總線有2種冗余設(shè)計(jì)方案，一種是單總線三冗余結(jié)構(gòu)，總線由A，B 2條冗余通道組成，控制系統(tǒng)所有智能設(shè)備均為3套，采用冗余站點(diǎn)方式掛在總線上；另一種是相對(duì)獨(dú)立的三總線三冗余結(jié)構(gòu)，全箭通過(guò)3條雙通道(A、B通道互為冗余)1553B總線連接3套完整的電氣系統(tǒng)，形成相對(duì)獨(dú)立的冗余設(shè)計(jì)[8]。

2.2 安全性設(shè)計(jì)要求

箭上電纜網(wǎng)安全性設(shè)計(jì)要求如下：

(1) 電纜網(wǎng)中應(yīng)配有火工品短路保護(hù)插頭及相應(yīng)的保護(hù)蓋，確保射前測(cè)試及飛行安全。

(2) 火工品引爆線路的設(shè)計(jì)，必須考慮火工品引爆前、后的全部狀態(tài)。對(duì)于引爆后可能出現(xiàn)的短路狀態(tài)，應(yīng)采取相應(yīng)保護(hù)措施(如保護(hù)電阻)，保證系統(tǒng)安全可靠工作。

(3) 位置相近、形狀相同的電連接器應(yīng)有不同的配合位置鍵以防誤插，或涂不同的彩色帶以便識(shí)別，保證操作安全性。

(4) 在滿足使用要求的基礎(chǔ)上兼顧安全性，設(shè)計(jì)中盡量將各組信號(hào)間、正負(fù)母線間保持一定空點(diǎn)，降低不同信號(hào)間、正負(fù)母線間可能出現(xiàn)的搭接、短路概率。

2.3 電磁兼容性設(shè)計(jì)要求

箭上電纜網(wǎng)是電磁干擾的主要耦合通道，箭上諸多干擾都是在傳輸過(guò)程中通過(guò)電纜線間串?dāng)_和耦合產(chǎn)生的，因此電磁兼容設(shè)計(jì)非常重要[9-11]，設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

(1) 對(duì)箭上傳輸信息進(jìn)行分類、清理、匯總，根據(jù)線路特點(diǎn)選用相應(yīng)的電纜，具體要求見(jiàn)表4。

表3 鍍錫銅芯交聯(lián)乙烯-四氟乙烯共聚物絕緣導(dǎo)線主要參數(shù)Table 3 Main parameters of tin coated copper conductor cross-linked ethylene tetrafluoro-ethylene copolymer insulated conductor

注：導(dǎo)線型號(hào)55A0111-20中55 A表示55號(hào)線纜；0表示無(wú)屏蔽，無(wú)外絕緣層；1表示600 V單層絕緣；1表示內(nèi)導(dǎo)線根數(shù)為1根；1表示鍍錫銅；20表示線規(guī)為20，對(duì)應(yīng)截面積為0.6 mm2。導(dǎo)線型號(hào)82A0111-22中82 A表示80號(hào)柔軟線纜，其余編號(hào)含義均和55號(hào)線纜相同。

表4 電信號(hào)分類和屏蔽要求Table 4 Electrical signal classification and shielding requirements

(2) 電源線、信號(hào)線，高頻線、低頻線，強(qiáng)電、弱電信號(hào)，數(shù)字量、模擬量等在布線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)歸類、分離，不同性質(zhì)的傳輸線應(yīng)盡量避免在同一束電纜和同一插頭座上通過(guò)[9]。

(3) 對(duì)外易產(chǎn)生干擾的電纜，如給伺服機(jī)構(gòu)供電的中頻電纜，應(yīng)采用360目銅網(wǎng)將線束包裹，并將銅網(wǎng)可靠接地，同時(shí)將這類電纜與其他信號(hào)電纜分開(kāi)走線，減小干擾[8,12]。

(4) 接地設(shè)計(jì)是解決電磁干擾的重要手段，接地好壞直接影響箭上設(shè)備的電氣匹配性能[13-14]。運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)采用浮地設(shè)計(jì)，屏蔽地與設(shè)備殼相連，各設(shè)備的殼體就近與箭體殼相連[8]。

控制系統(tǒng)電纜網(wǎng)屏蔽接地設(shè)計(jì)的具體要求如下：

(1) 脈沖上升或下降時(shí)間小于1 μs的數(shù)字電路(頻率高于100 kHz)和火工品引爆電路，應(yīng)采用電纜屏蔽體多點(diǎn)接地，其他所有電路一般采用單端屏蔽接地。當(dāng)單端屏蔽接地用于使電路避免引入輻射時(shí)，應(yīng)在接收器或高阻抗端接地；當(dāng)單端屏蔽接地用于使電路輻射減至最小時(shí)，應(yīng)在信號(hào)源端接地[9]。

(2) 優(yōu)先選用360°屏蔽尾罩，采用360目銅網(wǎng)將電纜屏蔽層處理到屏蔽尾罩的屏蔽環(huán)上，使插頭尾罩與插座、設(shè)備殼體保持足夠的接觸面積，有效地提高抗干擾能力[8,12]。

(3) 對(duì)于采用非屏蔽尾罩的，用截面積不小于0.35 mm2的導(dǎo)線將電纜束屏蔽層焊接在單向焊片上[15]，利用插頭尾罩出線夾的螺釘，把單向焊片與尾罩搭接，通過(guò)插頭、插座與箭體殼相連。

(4) 電纜束中的屏蔽層應(yīng)相互連通，與插頭、插座的接殼點(diǎn)相連，并通過(guò)P2×4的防波套或6根以上截面積為0.5 mm2的導(dǎo)線與電纜束接地焊片連接，接地焊片與箭體殼相連，從而使電纜束屏蔽層、插頭、插座的殼體、箭體殼均相連，確保可靠接地。

3 箭上電纜網(wǎng)線路設(shè)計(jì)

3.1 1553B總線冗余設(shè)計(jì)

1553B總線網(wǎng)絡(luò)一般包括總線電纜、耦合器和終端電阻，一般采用終端隔離的變壓器耦合方式，短截線長(zhǎng)度不超過(guò)6 m，總長(zhǎng)度不超過(guò)190.5 m?？偩€電纜設(shè)計(jì)時(shí)需滿足總體對(duì)電纜網(wǎng)分支走向的要求，也需考慮站點(diǎn)的布局，減少總線彎折，裝配時(shí)應(yīng)保證一定的彎曲半徑，避免180°彎折捆扎。圖1以單總線雙通道冗余設(shè)計(jì)方案為例，給出A通道總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，B通道與A通道互為冗余，結(jié)構(gòu)相同，圖1中的耦合器分為五大類，如表5所示。

圖1 單總線A通道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of single bus Achannel topology

表5 耦合器分類Table 5 Classification of couplers

注：Z0為總線電纜的標(biāo)稱特性阻抗，范圍為70.0～85.0 Ω。

Ⅰ，Ⅱ級(jí)分離前，由綜合控制器發(fā)出總線切換指令，控制總線復(fù)用器A3的control端，使復(fù)用器內(nèi)部切換到終端匹配電阻上，保證在總線分離后Ⅱ級(jí)總線網(wǎng)絡(luò)完整。1553B總線網(wǎng)絡(luò)一般選用含8#雙同軸的總線分離電連接器連接。A，B通道各使用1個(gè)分離電連接器，實(shí)現(xiàn)總線雙通道的分離冗余設(shè)計(jì)，確保總線可靠切換和分離。

3.2 供配電線路冗余設(shè)計(jì)

箭上電纜網(wǎng)進(jìn)行供配電線路設(shè)計(jì)前，必須依據(jù)系統(tǒng)布置圖和電路圖分析供配電需求和電纜束分配，以便更好地實(shí)現(xiàn)供配電設(shè)計(jì)。圖2給出某運(yùn)載火箭+B1供配電需求框圖。圖3以儀器艙B01電纜為例，給出+B1供電線路的拓?fù)湓O(shè)計(jì)。圖3中箭地脫落插頭XS1TC和級(jí)間分離插頭XP1FC為焊接插頭，其余設(shè)備端插頭均為壓接插頭。焊接插頭每個(gè)接點(diǎn)可以焊多根導(dǎo)線，而壓接插頭每個(gè)接點(diǎn)只能壓接一根導(dǎo)線，電纜網(wǎng)中采用壓接套管實(shí)現(xiàn)并聯(lián)設(shè)計(jì)。壓接套管一般選用瑞侃公司D-436套管(圖3中的XB55～XB63)，將多根導(dǎo)線分別壓入套管兩端，壓緊后外套絕緣熱縮套管，實(shí)現(xiàn)壓接方式下并聯(lián)設(shè)計(jì)。

圖2 +B1供配電需求框圖Fig.2 Block diagram of +B1 bus power supply and distribution

圖3 +B1供電線路的拓?fù)湓O(shè)計(jì)Fig.3 Topology design of +B1 bus power supply circuit

箭地脫落插頭XS1TC為地面+B1供電端，80XS2為箭上配電器+B1供電端，為使地面供電和箭上電池供電兩種情況下，箭上設(shè)備的供配電路徑最短，將XS1TC和80XS2插頭同時(shí)出線壓入壓接套管的一端，再?gòu)膲航犹坠艿牧硪欢朔謩e給各設(shè)備供電，設(shè)計(jì)中盡量保證各壓接套管均勻出線，同一設(shè)備采用多個(gè)壓接套管并聯(lián)供電，任意一個(gè)壓接套管出現(xiàn)故障，都能保證箭上設(shè)備可靠供電。地面和箭上+B1供電端利用XS1TC插頭的跨線、壓接套管以及壓接套管間的跨線實(shí)現(xiàn)環(huán)形供電，供電插頭任一接點(diǎn)異常斷開(kāi)，箭上設(shè)備的供電都不受影響。

3.3 電阻盒線路設(shè)計(jì)

電阻盒內(nèi)控制線路分為電磁閥和火工品2類，圖4給出電阻盒線路設(shè)計(jì)的示例。電磁閥為感性負(fù)載，為抑制反電勢(shì)，提高電磁兼容性，設(shè)計(jì)由電阻和二極管組成的消反峰電路，并聯(lián)在電磁閥兩端，圖4中R1，V5為電磁閥1的消反峰電路。電阻盒中為每一路火工品負(fù)載設(shè)置相應(yīng)的限流電阻，用于控制火工品引爆電流，并避免由火工品橋絲搭殼引起的電源短路故障。限流電阻一般選用TRY-A型火工品限流電阻，能承受200 ms，200 W的瞬時(shí)過(guò)載。

每一路綜合控制器時(shí)序信號(hào)進(jìn)入電阻盒，均需串聯(lián)一組并聯(lián)二極管，提高設(shè)計(jì)可靠性，防止出現(xiàn)潛通路。圖4中如果沒(méi)有二極管V1～V4，則綜控器時(shí)序輸出信號(hào)1→4KZ/1，2→電磁閥1→4KZ/31，32→567/31，32→電池負(fù)母線→電磁閥2的消反峰回路V6，R2→時(shí)序回采端2，形成潛通路，造成時(shí)序回采端2在綜控器沒(méi)有輸出時(shí)序信號(hào)的情況下誤采到時(shí)序信號(hào)。

3.4 火工品短路插頭設(shè)計(jì)

為確保安全，箭上電纜網(wǎng)應(yīng)配備短路保護(hù)插頭，將火工品正負(fù)兩端短接，以防止靜電引起火工品引爆。短路插頭用紅色做顯著標(biāo)記，發(fā)射前取下。短路插頭分為支路和總短路插頭2類。支路短路插頭配備在靠近火工品一端的電連接器上，僅將該支路的火工品正負(fù)兩端短接；總短路插頭配備在電阻盒測(cè)試插頭上，用于在控制系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)火工品電纜對(duì)接后，將電阻盒控制的全部火工品正負(fù)兩端短接。

3.5 助推分離線路冗余設(shè)計(jì)

助推分離線路冗余設(shè)計(jì)分為2類：一類利用火工品橋絲互為冗余，系統(tǒng)分別從不同的助推分離插頭給出左橋、右橋的控制信號(hào)，從而使控制線路和火工品橋絲形成的控制回路整體冗余，如圖5所示；另一類是利用綜合控制器中給出冗余時(shí)序控制信號(hào)，再分別從不同的助推分離插頭控制相應(yīng)的火工品，從而保證火工品控制通路的冗余，如圖6所示。

圖5中ZF13～ZF16每個(gè)側(cè)推火箭有左右2個(gè)引爆橋絲(ZF13(L)表示左橋，ZF13(R)表示右橋)。綜合控制器分別給出左橋、右橋兩路控制信號(hào)，時(shí)序控制信號(hào)和電池負(fù)母線供電信號(hào)分別經(jīng)過(guò)分離插頭11FCZ，12FCZ到達(dá)火工品的正、負(fù)端，確保任一分離插頭異常斷開(kāi)，都能保證火工品可靠引爆。設(shè)計(jì)中時(shí)序控制信號(hào)走11FCZ的5，6點(diǎn)，負(fù)母線走11FCZ的45，46點(diǎn)，正負(fù)母線隔開(kāi)，避免出現(xiàn)搭接短路，確保系統(tǒng)安全。

圖6中綜合控制器給出冗余的Ⅰ，Ⅲ副系統(tǒng)關(guān)機(jī)信號(hào)YF-A，YF-C，時(shí)序控制信號(hào)和電池負(fù)母線供電信號(hào)分別經(jīng)11FCZ，12FCZ到達(dá)火工品的正、負(fù)端，控制YF-A，YF-C的4路火工品橋絲同時(shí)引爆，任一分離插頭異常斷開(kāi)，助推器Ⅰ，Ⅲ都能正常關(guān)機(jī)。

圖5 助推器側(cè)推線路設(shè)計(jì)示意圖Fig.5 Schematic diagram of booster side push circuit design

圖6 Ⅰ，Ⅲ副系統(tǒng)關(guān)機(jī)線路設(shè)計(jì)示意圖Fig.6 Schematic diagram of Ⅰ and Ⅲ subsystem power off circuits

4 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

4.1 電纜網(wǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)

電纜網(wǎng)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，按電纜網(wǎng)專用技術(shù)條件進(jìn)行100%的出廠檢驗(yàn)；并在每批產(chǎn)品中按圖紙要求抽取相應(yīng)比例的電纜進(jìn)行例行試驗(yàn)。電纜束出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目一般包括配套和外觀質(zhì)量檢查、線路檢查、絕緣電阻、絕緣強(qiáng)度檢查。電阻盒出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目較電纜束增加5項(xiàng)：火工品限流電阻阻值測(cè)試、篩選試驗(yàn)、低溫、高溫和振動(dòng)試驗(yàn)。例行試驗(yàn)項(xiàng)目一般包括低溫、高溫、振動(dòng)、沖擊、高濕度、低氣壓和運(yùn)輸試驗(yàn)[6]。

4.2 控制系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)

電纜網(wǎng)由工廠交付系統(tǒng)后，應(yīng)隨控制系統(tǒng)參加綜合試驗(yàn)、匹配試驗(yàn)、火工品引爆試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、出廠測(cè)試和飛行試驗(yàn)等，并根據(jù)實(shí)際使用中反饋的信息，對(duì)電纜網(wǎng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改和完善。

5 結(jié)束語(yǔ)

箭上電纜網(wǎng)是控制系統(tǒng)密不可分的一部分，電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)中要充分考慮供配電和信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?、安全性和電磁兼容性要求，以及?dǎo)線及電連接器的降額要求。本文詳細(xì)介紹了電連接器和電纜的選擇要求以及電纜的屏蔽和接地設(shè)計(jì)要求，并給出了1553B總線、供配電線路、電阻盒以及助推分離等線路的具體設(shè)計(jì)，為運(yùn)載火箭箭上電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)和參考。