運載火箭上面級供配電一體化相關設計

田童 陳玉波 歷震儒

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

關鍵詞：上面級;一體化設計;供配電;電氣系統;運載火箭;控制系統

1.前言

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

上面級以運載火箭系統控制電氣系統設計技術為控制核心，采取完全系統功能一體化的火箭系統技術控制管理思想，在運載火箭系統技術領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、高技術性和通用性的完全功能統一化的火箭控制供配電氣元器件系統體系，合理進行組織資源分配和有效節約綜合利用系統資源，避免系統重復增加設備研發投資以至于大大降低運載火箭系統測試設備研發造價，減少火箭系統測試中間環節以大大提高系統設備運行效率可靠性和火箭系統測試工作效率，最終有效率地縮短運載火箭綜合發射系統任務測試周期并大大提高運載火箭綜合發射系統任務測試成功率。

2.供配電一體化設計的思想

上面級電氣系統由主動電源控制系統管理功能系統、測量自動控制管理系統、主動電源熱控制等功能系統三大部分設計組成：

2.1以控制系統為主體進行一體化設計

以電氣控制管理系統為設計主體可以實現一體化系統設計，主要理由是因為電氣控制管理系統一直是上面級電氣系統的一個核心組成部分，主要的電源發射控制節點都是被安排在電氣控制管理系統，并且電氣控制管理系統的軟硬件設計技術成熟，系統的集成性及系統自動化應用程度均較高。以電氣控制管理系統為設計主體，實現上面級各電氣系統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備用電源線的數量，大大簡化控制系統結構設計，提高系統發射機的可靠性，并大大降低系統成本。

2.2基于供電品質要求的一體化設計

根據中國供電系統品質規定要求，將使用供電負載驅動設備一般分為2類：一類的所指的主要是對使用直流供電驅動設備技術品質本身整體要求較高的電流驅動控制、測量管理控制系統電源驅動裝置設備;另一類的則主要是對使用直流供電驅動設備技術，本身整體要求不高的熱量管理監控控制系統電源驅動裝置設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，這些都對供電驅動設備本身供電不利。

2.3基于標準接口的一體化設計

各控制系統設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設備進行網絡連接，各系統用電控制設備只要注意保證標準電源接口不變，設備控制功能人員可根據自身實際需求隨時進行其自適應性能的修改。這樣既大大簡化了控制系統間的網絡連接，同時它又可以大大縮短系統研制設備周期、降低設備研制過程成本、從而在整體上大大優化控制系統設備性能。

3.供配電一體化設計方案

3.1供配電需求

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

3.2設計方案

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

4.詳細設計

4.1基于磁保持繼電器的多母線供配電設計

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致供電系統失效，這些都不有利于飛行設備能夠實現上面層各級長時間工作飛行時間和較高可靠性的連續供配電。因此，上面級一般設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，然后通過內部一個永久性采用電磁復合鋼的磁力耦合自動作用系統即可進行連續自動化供電保持。

4.2統一供配電、轉電設計

上面級各控制系統由箭上控制保護系統統一進行供配電，統一進行轉電，轉電前電源統一由箭上控制保護系統內的地面箭上電源統一供電，轉電后由箭上的蓄電池統一供電。上面級通過箭上配電器內的大型繼電器和箭上轉電保護繼電器構成，實現對各控制系統保護儀器的統一供配電，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。

結論

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

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