航天器用配电器设计与优化

一、引言

传统的航天器配电器产品由于各型号总体平台控制方案、布局构型、载荷类型和规模、资源需求的不同,导致各型号对配电器产品的设计要求也不尽相同。造成了现有配电器产品多为特定型号量身定制,无论种类、数量、结构、功能、尺寸、电器都存在很大的特异性。多型号、多任务、批量生产的新常态下导致产品定制化设计的技术风险加大,研制周期变长,研制效率降低,不利于产品质量的稳定与一致性,制约了配电器产品化能力的提升。

在已有型号产品的成熟技术基础上,采用标准化结构框架并固化模块接口,充分考虑模块的灵活搭配,以模块的不同组合适应后续型号的不同需求。同时面向新需求,通过新标准模块的研发及时更新和完善产品序列,不断淘汰传统非标模块产品,补充新模块产品,保持整机架构的统一和标准化,通过模块型谱化、接口标准化不断提升配电器的产品化水准。模块化配电器产品基于型谱模块选用集成的设计思路,推动了型谱模块产品的组批投产与型号单机快速研制。

二、国内外现状

（一）国内产品状态

配电器产品的主要功能和用途有:将平台一次母线电源以直供电形式提供给星上各分系统或设备;接收控制指令,实现星上单机的供电控制;实现整星母线汇流,为整星提供接地基准;接收控制指令,实现航天器火工品起爆控制、热力解锁控制;采用星箭分离信号对火工品驱动回路进行锁定设计。星箭分离前,处于锁定状态,避免因误发指令引起火工品误起爆;星箭分离后,解除锁定,可以根据外部控制指令完成火工品起爆控制功能;接收地面模拟分离指令,提供模拟分离无源触点信号送相关单机,用于地面模拟分离测试。

对近5 年的15 个型号 27 型配电器产品的技术状态进行了清理,涵盖了近年来承担的风云气象系列、环境检测系列、深空任务系列、中低高遥感系列等系列航天器的单机产品27 型,其中含配电模块66 种、火工品模块45种。

（二）国外发展现状

1.总线技术的高可靠应用

相比较离散的指令和遥测信号线,数据总线可将不同设备节点进行有效连接并实现双向通信,信号传输速率高,极大的减轻了电缆网的重量,提高信息传送的质量,提升航天器整体水平。以STEREO 航天器为例,其功率分配单元(PDU)包括功率转换,负载电压,电流监测,熔断器,外部继电器转换,功率继电器,分离序列,数字太阳传感器接口,高倍率天线,万向节驱动,推进器控制等功能,采用了由一个1553B 接口卡和两个指令译码卡组成的备份冗余策略的总线通信方式实现对外通信以及内部功能模块间的信息传输。

2.完善的故障诊断、保护功能

供配电系统为整个航天器各阶段用电负载提供能源供给,一旦失效将使整个任务失败,航天器已逐步向着长寿命、高可靠发展,未来的空间站、深空探测等任务将对供配电系统提出更高的要求,要求分系统单机具备自我故障诊断、自主保护以及及时断开出故障负载的能力。

（三）航天器配电器产品发展趋势分析近年来,随着技术发展,国内外航天器硬件产品都在向以下的方向发展:

1.设计思路转变

配电器单机产品型号定制设计 通用供配电型谱产品转变;配电器型谱产品研究对象由型谱单机向型谱模块转移,通过型谱模块选用集成单机产品供不同型号选用,逐渐形成型谱化产品。

2.火工品驱动设计

火工品控制由继电器向 MOS 管转变,基于电磁继电器的火工品驱动方案逐渐退出应用,部分老型号仍继承基于继电器的驱动设计方案,新型号基本以MOS 管作为驱动电路首选。

3.航天器母线电压多样化航天器母线由 28V 向 42V 甚至 100V 过渡

4.故障隔离与可恢复

在航空领域应用广泛的 SSPC 技术逐渐引入航天器智能配电应用,通过12h 过流保护技术代替传统的熔断器电路,配电输出具备故障隔离与故障恢复能力。

5.基于VPX 接口的供配电模块

供配电产品形式上分为两种,一种是标准配电器模块;另一种是标准 6U 尺寸的CPCI 模块。随着新一代信息系统对高速信息处理等需求,综合电子系统提出了大 6U 尺寸的VPX 架构下位机产品。因此需要开发大6U 尺寸的基于 VPX 接口的供配电模块,在覆盖当前产品功能性指标的前提下满足后续型号应用需求。

三、航天器配电器型谱化情况

（一）产品树构建

构建标准配电器模块与标准配电器的产品树,详见图1 所示。包括模块级产品和单机级产品两个层次,标准配电器型谱模块是基础,通过标准配电器型谱模块的自由拼接形成标准配电器产品或衍生产品。形成标准配电器模块、标准配电器的两个层次的型谱体系。

（二）航天器配电器型谱规格与优化

经过对配电器现有产品的分析,并结合集团公司的任务需求,目前现有产品均有一定的型号任务需求,后续型号逐渐被模块化标准配电器产品替代。因此部分产品逐步退出应用,还有部分产品仍在使用,但在新的型号任务中列为限选产品。通过合并功能、性能相近的产品,形成配电器型谱模块及其集成的标准配电器产品型谱简表。

根据配电器任务特点与产品发展趋势分析,配电器型谱模块应包括火工品模块、28V 配电模块、42V 配电模块及其各自主管理与故障恢复功能的智能配电模块。

1.火工品模块

火工品模块包括主模块、从模块和火工品热力控制模块三种,其中主模块实现完整的火工品管理与控制功能;从模块、火工品热力控制模块9 用于火工品控制路数扩展和热力管理与控制功能。

2.28V 配电模块

28V 配电模块包括4 种,第1 种模块适用于直供电多的型号应用、第2 种模块适用于直供电少型号应用、第3 种模块适用于多路小电流的控制供电资源扩展、第4 种模块适用于多路大电流的控制供电资源扩展。为适应后续型号对减重的要求、增加模块配置的灵活性,新增直供电模块II,单模块配置直供电。

7.型谱化标准配电器产品

标准配电器01 型由火工品控制模块、28V 混合配电模块、28V 控制供电模块II 型、42V 控制供电模块、42V混合配电模块共5 个模块组成。适用于既有28V 配电需求,又有42V 配电需求且火工品控制路数较少的型号使用。标准配电器 02 型由火工品控制主模块、火工品控制主模块、28V 直供电模块、28V 控制供电模块 II 型及28V 控制供电模块组成。适用于火工品控制路数较多且28V 直供电配电需求较多的型号。

四、结论

通过上述对国内外的现状分析以及对航天器配电器产品趋势的研判,构建了航天器配电器产品树,并从航天器配电器型谱化特征参数进行区分,对航天器配电器型谱规格进行分析整合和优化,从现有的配电模块66 种、火工品模块45 种,配电器单机27 型统一型谱化为配电模块13 种、火工品类型模块4 种、标准配电器产品3 种。通过航天器配电器型谱化建设,为后续型号的配电产品研制提供了高质量、高效率、高效益的"三高"货架产品,有效适应了航天发射的新常态,是航天新发展理念的成功实践。

参考文献

[1] Anders, M.*; Rai, N.; Krishnamurthy, R.K.; Borkar, S.A transition-encoded dynamic bus technique for high-performance interconnects[J].IEEE.2003

[2] 迟同信.基于固态功率控制器的卫星智能配电器的设计[D].重庆大学.2015.

[3] 杨秀涛; 周振.基于多通道 SSPC 的小型智能配电器设计[J].机电工程技术.2021-05-20.

[4] 乔明.中小功率卫星配电器优化设计研究[J].电源技术.2019-10-20.