北斗三號衛(wèi)星與上面級供電相關(guān)接口分析及驗(yàn)證

曾 毅,賈蒙楊,鮑恩竹,陳世杰,杜卓林,陳定輝

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094; 2.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094; 3. 中國人民解放軍61741部隊，北京 100094)

0 引言

上面級是在常規(guī)基礎(chǔ)級運(yùn)載火箭上增加的相對獨(dú)立的一級運(yùn)載工具，是航天器運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分，具有較強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性[1]。相對于常規(guī)的基礎(chǔ)級運(yùn)載火箭，上面級具有自主飛行、多次啟動、較長時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]。美國從第六代GPS導(dǎo)航衛(wèi)星開始，便采用上面級直接入軌策略[3]。歐空局利用俄制Fregat上面級完成了伽利略衛(wèi)星的發(fā)射[4]。中國從第三代導(dǎo)航衛(wèi)星開始，采用一箭雙星上面級直接入軌方式。

北斗三號衛(wèi)星采用一箭雙星上面級直接入軌方式，受可展開空間和變軌期間安全性的限制，上面級和基礎(chǔ)級分離后，衛(wèi)星無法對太陽翼進(jìn)行展開操作，仍需依靠蓄電池作為主要能源。由于轉(zhuǎn)移軌道段時間較長，如果該過程中全部能源由蓄電池組提供，蓄電池組設(shè)計容量大于在軌實(shí)際所需容量，增加了衛(wèi)星的的起飛質(zhì)量，同時造成在軌應(yīng)用資源的浪費(fèi)。按照一個功率等級3 kw的中地球軌道衛(wèi)星全部由衛(wèi)星自帶蓄電池組供電，蓄電池組的容量需要增加20%，質(zhì)量增加12 kg，給衛(wèi)星設(shè)計帶來負(fù)擔(dān)[5]。轉(zhuǎn)移軌道段采用上面級供電方式，既可以降低衛(wèi)星的起飛質(zhì)量，也可以解決上面級轉(zhuǎn)移軌道段至星箭分離時衛(wèi)星用電難題，對提升衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道段用電的可靠性和安全性有著重要意義。

衛(wèi)星采用運(yùn)載火箭上面級發(fā)射，與上面級組合體飛行時間約4 h，衛(wèi)星與上面級分離后約40 min后帆板展開，這一過程同采用自身變軌的導(dǎo)航、通信衛(wèi)星有較大差別。在這期間，衛(wèi)星飛行軌道經(jīng)歷了由大橢圓軌道至圓軌道的過程，衛(wèi)星的飛行姿態(tài)經(jīng)歷了變軌、慢旋、分離后巡航等多個姿態(tài)。星箭對界面的溫度是衛(wèi)星和上面級內(nèi)設(shè)備工作溫度的分析基礎(chǔ)，其中分離電連接器所處的環(huán)境最為惡劣。雙星采用起旋+彈簧彈射方式進(jìn)行同時分離，在分離時刻的碰撞或干涉安全性風(fēng)險也需要重點(diǎn)關(guān)注和分析。

本文針對北斗三號一箭雙星上面級直接入軌方式的特點(diǎn)，分析了衛(wèi)星與上面級間的供電和相關(guān)熱接口，并從雙星分離安全性角度考慮，分析影響衛(wèi)星與上面級接口安全性的主要要素，并對應(yīng)用和驗(yàn)證情況進(jìn)行總結(jié)。

1 接口安全性設(shè)計原則

北斗三號采用一箭雙星上面級直接入軌方式，其接口設(shè)計難點(diǎn)主要包括3個方面：1)兩個系統(tǒng)之間電接口的電接口匹配性問題，設(shè)計時應(yīng)確保系統(tǒng)供電潛通路不會對供電安全性和遙測準(zhǔn)確性造成影響，防止出現(xiàn)母線電壓不匹配或負(fù)載劇烈變化導(dǎo)致雙星相互影響的問題;2)在上面級轉(zhuǎn)移軌道階段，衛(wèi)星要經(jīng)歷更為惡劣的高低溫環(huán)境，需要確保分離電連接器在產(chǎn)品安全裕度內(nèi)，確?？煽糠蛛x;3)到達(dá)目標(biāo)軌道后，雙星采用起旋+彈簧彈射方式進(jìn)行同時分離，需要重點(diǎn)關(guān)注雙星分離時刻的碰撞或干涉風(fēng)險。

2 供電接口設(shè)計分析與驗(yàn)證

2.1 系統(tǒng)供電原理

為了確保整個發(fā)射入軌過程中衛(wèi)星能源安全，并為故障處置留有足夠的供電余量，上面級直接入軌發(fā)射過程中由上面級向衛(wèi)星供電，以節(jié)省衛(wèi)星自身攜帶的能源，并降低衛(wèi)星散熱的壓力。衛(wèi)星自身采用高性能的全調(diào)節(jié)母線供電設(shè)計，因此上面級向衛(wèi)星供電也必須是略高于衛(wèi)星供電電壓的高品質(zhì)電源。上面級向雙星供電的系統(tǒng)關(guān)系如圖1所示[7]。

從射前準(zhǔn)備階段到雙星與上面級分離，星上設(shè)備供電需要從地面供電轉(zhuǎn)換到上面級供電，再轉(zhuǎn)入衛(wèi)星自身供電，需要設(shè)計合理的切換順序。經(jīng)歷多次一箭雙星發(fā)射后，結(jié)合上面級和衛(wèi)星射前準(zhǔn)備工作的優(yōu)化，整個供電轉(zhuǎn)換時序也不斷優(yōu)化。整星加電至射前2 h，雙星采用地面電源供電；射前2 h至衛(wèi)星與上面級分離，采用上面級電源供電;衛(wèi)星與上面級分離至衛(wèi)星太陽翼展開前，衛(wèi)星由自身攜帶的蓄電池組供電。為確保3種供電系統(tǒng)的安全性，在地面電源、上面級電源和衛(wèi)星電源的電壓輸出端都設(shè)置隔離二極管，確保3類電源都不會發(fā)生電流倒灌故障。

2.2 系統(tǒng)供電潛通路影響分析

雖然衛(wèi)星和上面級均設(shè)計為電源母線回線單點(diǎn)接地，但雙星與上面級對接后，整個組合體將有3個供電回線接地點(diǎn)，供電電流回路存在潛通路，如圖2所示。衛(wèi)星1與衛(wèi)星2基準(zhǔn)地之間通過衛(wèi)星支架與井字梁相聯(lián)，則衛(wèi)星1與衛(wèi)星2一次回線間將存在一條潛通路，衛(wèi)星1功率回線可能通過上面級結(jié)構(gòu)流向衛(wèi)星2功率回線，然后回到上面級供電控制器;衛(wèi)星2功率回線也可能通過上面級結(jié)構(gòu)流向衛(wèi)星1功率回線，然后回到上面級供電控制器。

圖1 地面、上面級和衛(wèi)星3種電接口關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of three electrical interfaces of ground, upper stage and satellite power

圖2 上面級接地潛通路示意圖Fig.2 Schematic diagram of upper stage grounding sneak circuit

由于供電的耦合特性，雙星供電電流回線通過衛(wèi)星支架連接，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。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，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)計時，電源控制設(shè)備和電纜通路可以承受最大10 A的潛通路電流，確保該電流不會對供電安全性和遙測準(zhǔn)確性造成影響[6]。

2.3 上面級轉(zhuǎn)衛(wèi)星供電瞬態(tài)特性分析與驗(yàn)證

上面級供電輸出到衛(wèi)星母線的電壓設(shè)計為43～45 V，高于衛(wèi)星電源系統(tǒng)調(diào)制電壓，上面級為衛(wèi)星供電輸出，衛(wèi)星PCU工作于分流域的最上端，供電不輸出。當(dāng)上面級切換為衛(wèi)星供電時，上面級電源突然切斷，衛(wèi)星端電源系統(tǒng)開始調(diào)制，由于衛(wèi)星電源系統(tǒng)PCU采用S3R三域調(diào)節(jié)技術(shù)，PCU需要從分流域最上端經(jīng)過分流域、充電域、放電域才能完成穩(wěn)定的母線電壓輸出，由于此時上面級已不輸出，PCU調(diào)節(jié)過程會導(dǎo)致衛(wèi)星母線電壓出現(xiàn)一定幅度的下跌。 PCU需要從分流域最上端經(jīng)過分流域、充電域、放電域從而建立母線電壓，是大幅度的跨域調(diào)節(jié)，對PCU控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是一個考驗(yàn)，在設(shè)計上需要關(guān)注。上面級轉(zhuǎn)衛(wèi)星供電時PCU工作點(diǎn)示意如圖3所示。

圖3 上面級轉(zhuǎn)衛(wèi)星供電時PCU工作點(diǎn)示意Fig.3 Working point of PCU during power supply switchfrom upper stage to satellite

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在上面級轉(zhuǎn)衛(wèi)星供電過程中，母線下跌最大幅度不超過6 V，恢復(fù)時間小于10 ms，母線最低電壓大于37 V，在此過程中，平臺單機(jī)工作穩(wěn)定，沒有單機(jī)發(fā)生欠壓保護(hù)或復(fù)位的現(xiàn)象，可以保證整星供電安全。上面級轉(zhuǎn)衛(wèi)星供電母線瞬態(tài)波形如圖4所示。

圖4 上面級轉(zhuǎn)衛(wèi)星供電母線瞬態(tài)圖Fig.4 Transient diagram of power bus from upper stage to satellite

3 熱接口分析與驗(yàn)證

3.1 分離電連接器熱分析與驗(yàn)證

北斗二號采用衛(wèi)星自身變軌方式，分離電連接器在射前10 min轉(zhuǎn)衛(wèi)星蓄電池供電后就不參與整星工作,因此分離電連接器的溫度情況就不需要關(guān)注。北斗三號在上面級轉(zhuǎn)移軌道階段，上面級通過分離電連接器給衛(wèi)星供電，分離電連接器的分離特性關(guān)乎到星箭能否正常分離的系統(tǒng)間接口，必須保證可靠分離。分離電連接器安裝在衛(wèi)星-Z板外表面，所處的空間環(huán)境較為復(fù)雜，考慮到分離電連接器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，出于突出主要矛盾、簡化熱分析模型的目的，進(jìn)行如下合理的簡化假設(shè)：

1)忽略與分離電連接器相連的電纜和周邊的支架對分離電連接器溫度的影響因素。

2)為簡化模型，將上面級轉(zhuǎn)移軌道所經(jīng)歷的不同軌道段處理為一個統(tǒng)一的軌道參數(shù)。

通過熱分析和在軌驗(yàn)證，分離電連接器低溫工況下分離電連接器最低溫度不低于10℃，高溫工況下分離電連接器最高溫度不大于70℃，滿足產(chǎn)品的安全裕度。轉(zhuǎn)移軌道分離電連接器溫度變化如圖5和圖6所示。

3.2 星箭對接面熱分析與驗(yàn)證

衛(wèi)星采用運(yùn)載火箭上面級發(fā)射與上面級組合體飛行時間約4 h，衛(wèi)星的飛行姿態(tài)經(jīng)歷了變軌、慢旋、分離后巡航等多個姿態(tài)，星箭對界面的溫度是衛(wèi)星和上面級內(nèi)設(shè)備工作溫度的分析基礎(chǔ)。星箭對接處的溫度主要受上面級衛(wèi)星支架、分配器及衛(wèi)星服務(wù)艙的影響。其熱設(shè)計狀態(tài)主要如下：

(a)-X-Y側(cè)插頭及插座

(b)+X+Y側(cè)插頭及插座

(a)-X-Y側(cè)插頭及插座

(b)+X+Y側(cè)插頭及插座

1)整個分配器支架的外表面均為散熱面，噴涂KS-Z白漆，分配器支架上端面粘貼聚酰亞胺薄膜鍍鋁二次表面鏡，儀器安裝板下面板噴涂SR107白漆；

2)分配器支架上端面包覆一層50 μm厚的聚酰亞胺薄膜，外面再粘貼一層25μm防靜電聚酰亞胺薄膜鍍鋁二次表面鏡壓敏膠帶；

3)衛(wèi)星支架包覆10單元多層隔熱組件，最外層為25 μm防靜電F46鍍銀二次表面鏡。

通過熱分析和驗(yàn)證，其在低溫工況和高溫工況時的溫度分別如圖7和8所示。從上述圖可以看出，衛(wèi)星支架上星箭對接處在低溫工況的溫度在-12～+15℃范圍內(nèi)，在高溫工況的溫度在+5～+25℃范圍內(nèi)，滿足衛(wèi)星支架星箭對接處提出的溫度指標(biāo)要求為-15～+30℃。

圖7 低溫工況衛(wèi)星支架上星箭對接處溫度Fig.7 Temperature of satellite and rocket docking on satellite support under low temperature condition

圖8 高溫工況衛(wèi)星支架上星箭對接處溫度Fig.8 Temperature of satellite and rocket docking on satellite support under high temperature condition

4 分離時刻太陽翼安全性分析

常規(guī)的的衛(wèi)星采用一箭一星發(fā)射方式，不需要考慮分離時刻衛(wèi)星的碰撞情況。采用一箭雙星直接入軌發(fā)射方式，由上面級將衛(wèi)星直接送入工作軌道高度，雙星采用起旋+彈簧彈射方式同時分離。分離時刻兩衛(wèi)星質(zhì)心最小距離及太陽翼展開最小安全時刻直接關(guān)系到分離時刻整星的安全，要避免發(fā)生碰撞或干涉風(fēng)險。兩衛(wèi)星的太陽翼展開狀態(tài)最遠(yuǎn)點(diǎn)之間距離變化隨著時間變化而擴(kuò)大。

通過動力學(xué)模型分析驗(yàn)證，兩顆衛(wèi)星分離過程中不會相互接觸，分離過程是安全的。在分離1 min后雙星質(zhì)心距離大于16 m，可滿足雙星同時展開太陽翼無碰撞風(fēng)險的要求。目前太陽翼展開時機(jī)是與上面級分離后35 min，滿足上述條件要求，可以確保整星分離安全。

5 結(jié)論

本文針對北斗三號一箭雙星上面級直接入軌方式特點(diǎn)，分析了接口安全性設(shè)計原則，并通過實(shí)際飛行結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。綜合全文，可以得到如下結(jié)論：

1) 上面級與雙星兩個系統(tǒng)之間供電潛通路不會對供電安全性和遙測準(zhǔn)確性造成影響，在上面級轉(zhuǎn)衛(wèi)星供電過程中，電壓下跌幅度小于6 V，平臺單機(jī)工作穩(wěn)定，可以保證整星供電安全。

2) 在上面級轉(zhuǎn)移軌道階段，對系統(tǒng)安全最重要的分離電連接器所處的溫度環(huán)境在產(chǎn)品安全裕度內(nèi)，確保分離可靠展開。

3) 采用一箭雙星直接入軌發(fā)射方式，雙星采用起旋+彈簧彈射方式進(jìn)行同時分離，兩顆衛(wèi)星分離過程中不會相互接觸，分離過程是安全的。