自適應(yīng)輕質(zhì)化運(yùn)載器電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王苑瑾 楊 軼 田 琨 鄭 偉 鄧 釗

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

0 引言

隨著系統(tǒng)集成與控制技術(shù)的迅速發(fā)展，多個(gè)運(yùn)載器應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)電氣系統(tǒng)輕質(zhì)化、產(chǎn)品布局與結(jié)構(gòu)一體化、運(yùn)載器自適應(yīng)等需求越發(fā)迫切，需對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)與資源優(yōu)化、電氣系統(tǒng)模型升級(jí)、系統(tǒng)輕質(zhì)化方法、產(chǎn)品布局與結(jié)構(gòu)一體化、多運(yùn)載器自主智能配置等方面開(kāi)展研究[1]。相比于傳統(tǒng)運(yùn)載器定制化設(shè)計(jì)方案，自適應(yīng)輕質(zhì)化運(yùn)載器電氣系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化、接口簡(jiǎn)潔、結(jié)構(gòu)一體化、多運(yùn)載器自識(shí)別、自配置、自匹配等特點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)大多采用不同類型運(yùn)載平臺(tái)與運(yùn)載器系統(tǒng)定制化設(shè)計(jì)方式，硬件架構(gòu)通用性差、軟件狀態(tài)復(fù)雜多樣，小型化及集成化程度低[2]。國(guó)外新一代運(yùn)載器的電氣系統(tǒng)采用模塊化、平臺(tái)化設(shè)計(jì)思路，例如美國(guó)的新一代“航天發(fā)射系統(tǒng) ”(Space Launch System, SLS)火箭采用了模塊化、平臺(tái)化的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)模塊的不同組合構(gòu)成不同產(chǎn)品[3]，但是電氣產(chǎn)品種類仍然很多，產(chǎn)品的集成程度不高。SpaceX公司的Falcon火箭更注重成本，電氣系統(tǒng)技術(shù)充分體現(xiàn)了高集成、模塊化和接口簡(jiǎn)化的特點(diǎn)[4]。歐洲的Ariane 6運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)，采用綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)，功能設(shè)備可被由模塊化信息處理單元組成[5]。國(guó)外運(yùn)載器高集成、平臺(tái)化、模塊化設(shè)計(jì)思路[6]，實(shí)現(xiàn)了接口簡(jiǎn)潔標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，但在多運(yùn)載器自識(shí)別、自配置、自匹配等方面尚未開(kāi)展研究。

面向不同類型運(yùn)載平臺(tái)，本文對(duì)多運(yùn)載器電氣系統(tǒng)開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化、輕質(zhì)化、結(jié)構(gòu)一體化、自識(shí)別、自配置、自匹配等方面開(kāi)展研究，提出了一種自適應(yīng)輕質(zhì)化運(yùn)載器電氣系統(tǒng)方案，可有效提升運(yùn)載器的可擴(kuò)展性與靈活性，以適應(yīng)運(yùn)載火箭搭載多運(yùn)載器的應(yīng)用需求。

1 運(yùn)載器電氣系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 運(yùn)載器電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型

運(yùn)載器電氣硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、輕質(zhì)化的設(shè)計(jì)思路[7]，對(duì)運(yùn)載器電氣系統(tǒng)功能需求、性能指標(biāo)進(jìn)行歸類分析，對(duì)電氣系統(tǒng)中各功能項(xiàng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，并轉(zhuǎn)換為硬件與軟件資源需求[8]，具體如表1所示。

表1 功能項(xiàng)及需求

對(duì)表1進(jìn)行分析，按照運(yùn)載器的各個(gè)功能項(xiàng)，可歸納為感知測(cè)試、計(jì)算處理、數(shù)據(jù)通信、終端控制、配電這5種類型功能，梳理后可對(duì)硬件與軟件資源進(jìn)行整合。針對(duì)運(yùn)載器儀器艙結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品化硬件模塊開(kāi)展集成化、輕質(zhì)化設(shè)計(jì)[9]；在現(xiàn)役運(yùn)載火箭標(biāo)準(zhǔn)1553B、485總線體系框架下，結(jié)合不同設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，系統(tǒng)總線選用1553B總線體制，與載荷單機(jī)及單機(jī)內(nèi)部總線選用485總線體制；每個(gè)運(yùn)載器與運(yùn)載火箭接口實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、自適應(yīng)接口，組成一個(gè)完整的電氣系統(tǒng)[10]，設(shè)計(jì)模型如圖1。

圖1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型

1.2 運(yùn)載器電氣系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)1.1節(jié)，運(yùn)載器設(shè)計(jì)模型，考慮多運(yùn)載器同時(shí)飛行的應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)展自適應(yīng)輕質(zhì)化運(yùn)載器電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括以下4個(gè)方面：

1)電纜網(wǎng)輕質(zhì)化；

2)電氣產(chǎn)品布局結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)；

3)單機(jī)輕質(zhì)化；

4)電氣系統(tǒng)最小化、功能集成化設(shè)計(jì)。

1.2.1 電纜網(wǎng)輕質(zhì)化設(shè)計(jì)

根據(jù)運(yùn)載器結(jié)構(gòu)緊湊狹小的特點(diǎn)，運(yùn)載器電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要從分支長(zhǎng)度、電纜走向等方面，結(jié)合運(yùn)載器結(jié)構(gòu)開(kāi)展一體化設(shè)計(jì)工作[11]。在電纜網(wǎng)線型選擇方面，在滿足耐壓值、絕緣特性、電流值、降額、設(shè)計(jì)裕度等電氣參數(shù)及可靠性情況下，盡量選擇小線徑導(dǎo)線、單層絕緣的導(dǎo)線。本設(shè)計(jì)中計(jì)算電纜網(wǎng)電氣參數(shù)，采用截面積為0.2mm2導(dǎo)線代替部分截面積為0.35mm2導(dǎo)線，重量減輕1.19kg/km。采用截面積為0.2mm2導(dǎo)線代替部分截面積為0.5mm2導(dǎo)線，重量減輕3.43kg/km。導(dǎo)線選用交聯(lián)乙烯-四氟乙烯共聚物薄層絕緣，單層絕緣壁厚為0.15mm～0.20mm，使導(dǎo)線外徑較同類產(chǎn)品減少，重量減輕約10%。

針對(duì)串口組網(wǎng)通信線，使用截面積為0.2mm2屏蔽雙絞線實(shí)現(xiàn)485總線型通信拓?fù)洹？偩€型拓?fù)漭^常用的環(huán)形及星型拓?fù)洌谡军c(diǎn)擴(kuò)展性上有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)到達(dá)每個(gè)站點(diǎn)的導(dǎo)線長(zhǎng)度較短，便于電纜網(wǎng)輕質(zhì)化設(shè)計(jì)。

連接器選型方面，設(shè)計(jì)選用J30J、J29B、RD4Q、CZ81系列矩形連接器，相比J599型連接器，具有體積小、質(zhì)量輕、接觸件密度高的特點(diǎn)。采用上述優(yōu)化措施后，電纜網(wǎng)減重約為10%左右。

1.2.2 電氣產(chǎn)品布局結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)

根據(jù)運(yùn)載器結(jié)構(gòu)緊湊狹小的特點(diǎn)，電氣產(chǎn)品采用功能模塊組合形式，便于產(chǎn)品布局與結(jié)構(gòu)相融合[12]。本設(shè)計(jì)中單機(jī)采用模塊化結(jié)構(gòu)形式，從側(cè)視圖及俯視圖可以看出，電氣產(chǎn)品通過(guò)不同功能模塊拼裝組合的方式，借用艙體結(jié)構(gòu)，與電氣產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)運(yùn)載器小型化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

圖2 運(yùn)載器儀器艙俯視示意圖

圖3 運(yùn)載器儀器艙側(cè)視示意圖

1.2.3 單機(jī)輕質(zhì)化

針對(duì)單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，主要從結(jié)構(gòu)件材料選用、產(chǎn)品電路集成化設(shè)計(jì)方面，達(dá)到單機(jī)減重的目的。本電氣方案中，單機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件用鎂合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋁合金材料，減重約為30%。同時(shí)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，并且選用恒流源、SOPC芯片、多路集成化繼電器等新型元器件，實(shí)現(xiàn)單機(jī)的輕質(zhì)化小型化目標(biāo)。

1.2.4 電氣系統(tǒng)最小化集成化設(shè)計(jì)

對(duì)電氣系統(tǒng)開(kāi)展最小化設(shè)計(jì)，即采用最少的電氣產(chǎn)品以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。根據(jù)表1中的功能項(xiàng)及需求項(xiàng)，本設(shè)計(jì)采用小型化光纖慣組、模塊化集成式組合、電池以及通信總線，將配電器、電阻盒等設(shè)備功能集成至控制組合，達(dá)到系統(tǒng)輕質(zhì)化目的。

其中集成化組合式組合將衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)、智能配電控制、計(jì)算處理、時(shí)序控制等功能集成；本設(shè)計(jì)考慮總線負(fù)載率可靠性指標(biāo)、通用接口等，系統(tǒng)總線采用1553B總線與485串口組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)不同功能單機(jī)之間的通信，電氣系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 運(yùn)載器電氣最小系統(tǒng)框圖

2 運(yùn)載器通信站點(diǎn)RT地址自配置

面向多個(gè)運(yùn)載器的應(yīng)用場(chǎng)景，運(yùn)載器電氣系統(tǒng)具備運(yùn)載器號(hào)自動(dòng)識(shí)別與RT站點(diǎn)自動(dòng)配置，避免通過(guò)更改硬件電路或人工更改軟件程序的定制化配置方式，提升系統(tǒng)可拓展性與配置靈活性[13]。

如圖5所示，系統(tǒng)擴(kuò)展至N個(gè)運(yùn)載器，則設(shè)計(jì)2n≥N，其中n為運(yùn)載器與運(yùn)載火箭分離面的識(shí)別位數(shù)。N值可根據(jù)運(yùn)載火箭運(yùn)載能力及運(yùn)載器載荷質(zhì)量大小等評(píng)估。假設(shè)有6個(gè)運(yùn)載器，則識(shí)別位數(shù)為3，與運(yùn)載器對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

圖5 多運(yùn)載器1553B總線拓?fù)涫疽鈭D

表2 運(yùn)載器與識(shí)別位對(duì)應(yīng)關(guān)系

選取運(yùn)載火箭與運(yùn)載器分離面電纜網(wǎng)連接器中3個(gè)點(diǎn)，采用跨線方式配置識(shí)別位高低電平。6個(gè)運(yùn)載器的軟件與硬件設(shè)計(jì)完全相同，每個(gè)運(yùn)載器中的控制組合加電工作后，通過(guò)電平采集電路對(duì)識(shí)別位判別，軟件通過(guò)表2對(duì)應(yīng)關(guān)系配置運(yùn)載器號(hào)，并配置各運(yùn)載器中單機(jī)1553B總線RT地址，提升運(yùn)載器系統(tǒng)可拓展性及使用靈活性。

3 運(yùn)載器飛行控制參數(shù)自匹配

面向同一任務(wù)的多個(gè)運(yùn)載器會(huì)涉及多套飛行參數(shù)、或不同任務(wù)運(yùn)載器，需配置不同飛行參數(shù)。基于上述應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)運(yùn)載器與參數(shù)自匹配方案，軟件可自動(dòng)匹配參數(shù)，并按照預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行飛行控制。

匹配參數(shù)具體包括制導(dǎo)參數(shù)、姿控參數(shù)以及綜合參數(shù)，分別描述了制導(dǎo)、姿控及綜合時(shí)序等在運(yùn)載器飛行過(guò)程中所使用的關(guān)鍵參數(shù)信息，設(shè)計(jì)時(shí)將上述參數(shù)從地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程固化至控制組合FLASH指定區(qū)域，運(yùn)載器與匹配參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 運(yùn)載器與匹配參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

運(yùn)載器上電后，軟件首先識(shí)別運(yùn)載器號(hào)，判斷運(yùn)載器號(hào)是否為有效號(hào)碼。運(yùn)載器號(hào)有效正確后，軟件會(huì)調(diào)用匹配制導(dǎo)、姿控及綜合參數(shù)。運(yùn)載器在飛行過(guò)程中將根據(jù)制導(dǎo)、姿控與綜合的參數(shù)完成飛行控制，具體流程見(jiàn)圖6。

圖6 運(yùn)載器參數(shù)自匹配流程圖

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證與應(yīng)用

本運(yùn)載器設(shè)計(jì)以電氣系統(tǒng)最小化為原則，從單機(jī)功能集成化、系統(tǒng)電纜網(wǎng)輕質(zhì)化以及產(chǎn)品布局結(jié)構(gòu)一體化等多個(gè)方面開(kāi)展研究工作。對(duì)設(shè)計(jì)的電氣系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，相比于同類型傳統(tǒng)運(yùn)載器，減重效果明顯，電氣系統(tǒng)總計(jì)減重42.51kg，具體見(jiàn)表4。

表4 運(yùn)載器電氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

搭建6個(gè)運(yùn)載器電氣系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)，對(duì)運(yùn)載器號(hào)自識(shí)別、1553B通信站點(diǎn)RT地址自配置及飛行控制參數(shù)自匹配進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，每個(gè)運(yùn)載器中硬件電氣產(chǎn)品及軟件設(shè)計(jì)完全相同。在分離面的電纜網(wǎng)中設(shè)計(jì)識(shí)別位跨線，實(shí)現(xiàn)識(shí)別位電平配置。

控制組合上電啟動(dòng)后，軟件通過(guò)硬件采集結(jié)果判別識(shí)別位，配置運(yùn)載器號(hào)及通信站點(diǎn)1553B的RT地址，即運(yùn)載器1控制組合為RT10，運(yùn)載器2控制組合為RT11，運(yùn)載器3控制組合為RT12，運(yùn)載器4控制組合為RT13，運(yùn)載器5控制組合為RT14，運(yùn)載器6控制組合為RT15。

RT地址配置成功后，運(yùn)載器1～6可接收BC發(fā)送指令，將飛行控制參數(shù)由FLASH搬移至DSP的內(nèi)部RAM，并完成CRC校驗(yàn)。根據(jù)運(yùn)載器號(hào)調(diào)用對(duì)應(yīng)的飛行控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各運(yùn)載器不同的飛行控制及多運(yùn)載器協(xié)同工作，運(yùn)載器工作流程如圖7所示。

圖7 運(yùn)載器工作流程圖

經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證，RT地址自配置及飛行控制參數(shù)自匹配功能均正常，多運(yùn)載器系統(tǒng)完成了飛行驗(yàn)證。

5 結(jié)論

研究運(yùn)載器電氣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)輕質(zhì)化運(yùn)載器電氣系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)對(duì)電氣系統(tǒng)輕質(zhì)化、產(chǎn)品布局結(jié)構(gòu)一體化[14]、通信站點(diǎn)RT地址自配置、飛行控制參數(shù)自匹配等技術(shù)進(jìn)行研究及技術(shù)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明電氣系統(tǒng)減重效果明顯，各功能滿足多運(yùn)載器應(yīng)用需求，提升了多運(yùn)載器系統(tǒng)可拓展性與站點(diǎn)配置的靈活性。為后續(xù)多運(yùn)載器智能控制的深入研究奠定了基礎(chǔ)。