運載火箭上面級供配電一體化相關(guān)設(shè)計

田童 陳玉波 歷震儒

摘要：基礎(chǔ)級運載火箭的各電氣系統(tǒng)的可用性和分布如何，不僅造成設(shè)備重復(fù)和成本增加，而且整個系統(tǒng)的兼容性差，可靠性低。為此，提出了與主體等控制系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)和配電的集成設(shè)計，并與提供上層運載導(dǎo)彈供配的設(shè)計相結(jié)合。通過一體化設(shè)計和配電，可以進一步提高整個上層電氣系統(tǒng)的集成度和可靠性，并有效降低成本。

關(guān)鍵詞：上面級;一體化設(shè)計;供配電;電氣系統(tǒng);運載火箭;控制系統(tǒng)

1.前言

上面級一般系統(tǒng)設(shè)備主要具有多次發(fā)射軌道聯(lián)合起動、長距離一段時間連續(xù)軌道工作、自主機動控制軌道飛行等多種功能綜合特點，具備多次運載衛(wèi)星發(fā)射軌道聯(lián)合發(fā)射和同時完成多次軌道機動、軌道分離任務(wù)綜合部署的一種綜合適應(yīng)能力。

上面級以運載火箭系統(tǒng)控制電氣系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)為控制核心，采取完全系統(tǒng)功能一體化的火箭系統(tǒng)技術(shù)控制管理思想，在運載火箭系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域率先展開探索如何建立一種高性能運行率低效率、高可靠、低成本、高技術(shù)性和通用性的完全功能統(tǒng)一化的火箭控制供配電氣元器件系統(tǒng)體系，合理進行組織資源分配和有效節(jié)約綜合利用系統(tǒng)資源，避免系統(tǒng)重復(fù)增加設(shè)備研發(fā)投資以至于大大降低運載火箭系統(tǒng)測試設(shè)備研發(fā)造價，減少火箭系統(tǒng)測試中間環(huán)節(jié)以大大提高系統(tǒng)設(shè)備運行效率可靠性和火箭系統(tǒng)測試工作效率，最終有效率地縮短運載火箭綜合發(fā)射系統(tǒng)任務(wù)測試周期并大大提高運載火箭綜合發(fā)射系統(tǒng)任務(wù)測試成功率。

2.供配電一體化設(shè)計的思想

上面級電氣系統(tǒng)由主動電源控制系統(tǒng)管理功能系統(tǒng)、測量自動控制管理系統(tǒng)、主動電源熱控制等功能系統(tǒng)三大部分設(shè)計組成：

2.1以控制系統(tǒng)為主體進行一體化設(shè)計

以電氣控制管理系統(tǒng)為設(shè)計主體可以實現(xiàn)一體化系統(tǒng)設(shè)計，主要理由是因為電氣控制管理系統(tǒng)一直是上面級電氣系統(tǒng)的一個核心組成部分，主要的電源發(fā)射控制節(jié)點都是被安排在電氣控制管理系統(tǒng)，并且電氣控制管理系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計技術(shù)成熟，系統(tǒng)的集成性及系統(tǒng)自動化應(yīng)用程度均較高。以電氣控制管理系統(tǒng)為設(shè)計主體，實現(xiàn)上面級各電氣系統(tǒng)的電源集中自動供配電，能大大減少蓄電池、脫落電源連接器和其他地面?zhèn)溆秒娫淳€的數(shù)量，大大簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高系統(tǒng)發(fā)射機的可靠性，并大大降低系統(tǒng)成本。

2.2基于供電品質(zhì)要求的一體化設(shè)計

根據(jù)中國供電系統(tǒng)品質(zhì)規(guī)定要求，將使用供電負載驅(qū)動設(shè)備一般分為2類：一類的所指的主要是對使用直流供電驅(qū)動設(shè)備技術(shù)品質(zhì)本身整體要求較高的電流驅(qū)動控制、測量管理控制系統(tǒng)電源驅(qū)動裝置設(shè)備;另一類的則主要是對使用直流供電驅(qū)動設(shè)備技術(shù)，本身整體要求不高的熱量管理監(jiān)控控制系統(tǒng)電源驅(qū)動裝置設(shè)備以及火工品和使用組的電磁閥。為了電池能夠長期維持大量的電流電壓脈沖波動輸出，電池組的直流電壓脈沖波動幅度較高，這些都對供電驅(qū)動設(shè)備本身供電不利。

2.3基于標準接口的一體化設(shè)計

各控制系統(tǒng)設(shè)備用電控制可以通過采用標準的控制電源接口與正在控制中的系統(tǒng)設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)連接，各系統(tǒng)用電控制設(shè)備只要注意保證標準電源接口不變，設(shè)備控制功能人員可根據(jù)自身實際需求隨時進行其自適應(yīng)性能的修改。這樣既大大簡化了控制系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)連接，同時它又可以大大縮短系統(tǒng)研制設(shè)備周期、降低設(shè)備研制過程成本、從而在整體上大大優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)備性能。

3.供配電一體化設(shè)計方案

3.1供配電需求

傳統(tǒng)的我國基礎(chǔ)級運載火箭軌道飛行持續(xù)時間一般在1030min，上面級級別要求能夠長時間保持在軌火箭飛行，飛行持續(xù)時間一般在7h以上。隨著我國在軌火箭運行持續(xù)時間的不斷增加，上面級各供電系統(tǒng)的綜合供配電能力需求也大幅提高。

3.2設(shè)計方案

地面上層電源僅由電源控制系統(tǒng)供電，箭頭電源僅由控制系統(tǒng)電池I和電池II供電?？紤]到整個供配電系統(tǒng)的重量，上層在設(shè)計電池I、電池II均由單個電池供電;箭頭完成單一配電，完成裝置和設(shè)備的連續(xù)供電，以及煙火產(chǎn)品和電磁閥的供電。因此，整個上層電氣系統(tǒng)地面上的電源和電池大大減少，電纜和電源柜減少，系統(tǒng)成本大大降低。電纜系統(tǒng)控制系統(tǒng)將主電源發(fā)送到每個電子設(shè)備，并將系統(tǒng)之間的信號和指令有機地連接起來，以便將樓上的系統(tǒng)連接到電網(wǎng)中。上述供電和配電原理圖如圖1所示。

4.詳細設(shè)計

4.1基于磁保持繼電器的多母線供配電設(shè)計

由于大型電磁繼電器自身的供電功率高，而且使用于飛行真空和高空間環(huán)境的大型電磁供電效率低，會直接影響造成大型繼電器自身溫升過高而導(dǎo)致供電系統(tǒng)失效，這些都不有利于飛行設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)上面層各級長時間工作飛行時間和較高可靠性的連續(xù)供配電。因此，上面級一般設(shè)備選用磁電源保持式的電磁繼電器，只需在外部自動控制線的外包處一次性地安裝接通大型電磁供電器的外部激勵電磁信號電源即可，然后通過內(nèi)部一個永久性采用電磁復(fù)合鋼的磁力耦合自動作用系統(tǒng)即可進行連續(xù)自動化供電保持。

4.2統(tǒng)一供配電、轉(zhuǎn)電設(shè)計

上面級各控制系統(tǒng)由箭上控制保護系統(tǒng)統(tǒng)一進行供配電，統(tǒng)一進行轉(zhuǎn)電，轉(zhuǎn)電前電源統(tǒng)一由箭上控制保護系統(tǒng)內(nèi)的地面箭上電源統(tǒng)一供電，轉(zhuǎn)電后由箭上的蓄電池統(tǒng)一供電。上面級通過箭上配電器內(nèi)的大型繼電器和箭上轉(zhuǎn)電保護繼電器構(gòu)成，實現(xiàn)對各控制系統(tǒng)保護儀器的統(tǒng)一供配電，如圖3所示，其中kp1一kp4為大型地面箭上供電保護繼電器，kz1一kz4為箭上轉(zhuǎn)電保護用磁繼電器，電阻電流r1一r10和二極管電阻v1一v10組成磁繼電器的脈沖消反峰控制電路。

結(jié)論

本文詳細介紹了電氣系統(tǒng)供電配電的一體化設(shè)計方法。通過集成電源設(shè)計和分配，可靠性、電磁兼容性和經(jīng)濟性可以進一步提高。上層電氣系統(tǒng)供配電一體化設(shè)計已應(yīng)用于系列運載火箭的上層階段，為后續(xù)運載火箭電氣系統(tǒng)集成設(shè)計的發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

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