我國載人航天器總體電路技術(shù)發(fā)展

程天然 王林濤 吳京松 周垚 沈朝陽

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

航天器總體電路擔(dān)負(fù)著合理分配和安全可靠地輸送電能、配電控制等任務(wù)，是構(gòu)成電氣系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)[1]。總體電路主要由配電器(含集中變換的二次電源)、火工控制器和電纜網(wǎng)三部分組成，同時(shí)肩負(fù)交會(huì)對(duì)接完成后航天器間并網(wǎng)功率變換控制及傳輸?shù)墓δ?。載人航天器更是賦予了總體電路載人的技術(shù)特點(diǎn)，體現(xiàn)在圍繞航天員的艙內(nèi)環(huán)境保障，高壓配電的安全性，電纜防潮、防水、防護(hù)，人機(jī)工效的可操作性等方面。

我國載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略已近收官，航天器總體電路歷經(jīng)技術(shù)升級(jí)換代，配電功率切換能力大幅增強(qiáng)，配電管理自主程度不斷提高，電纜網(wǎng)從低速傳輸擴(kuò)展到了高速傳輸領(lǐng)域，引入了自動(dòng)化、智能化設(shè)計(jì)工具和手段，設(shè)計(jì)能力和水平大幅提升?？傮w電路作為航天器的生命線，為載人航天提供更強(qiáng)有力的保駕護(hù)航。

本文對(duì)我國載人航天器總體電路技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，可為后續(xù)相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 載人航天總體電路技術(shù)發(fā)展

1.1 供配電體制

1)神舟飛船

神舟飛船供配電系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 神舟飛船供配電系統(tǒng)組成及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Composition and topological structure of power supply and distribution system of Shenzhou spacecraft

神舟飛船是28 V低壓供電體制，配電器只提供負(fù)載一次母線電壓，在配電器內(nèi)實(shí)現(xiàn)各種一次供電母線的切換控制以及對(duì)某些重要設(shè)備的開、關(guān)機(jī)控制，而各分系統(tǒng)需要的二次電源電壓分散在各設(shè)備內(nèi)部變換產(chǎn)生。

神舟飛船作為搭載航天員的載人運(yùn)輸器，除了實(shí)現(xiàn)整船正常負(fù)載配電外，還要考慮上升段救生可能，軌道艙返回艙分離、推進(jìn)艙返回艙分離期間的能源轉(zhuǎn)換，返回艙再入大氣層返回地面后的救援等待等。因此，設(shè)計(jì)了一套獨(dú)特的由主電源母線、著陸斷電母線、逃逸救生母線、返回艙主母線組成的多母線體系。

(1)神舟飛船推進(jìn)艙、返回艙、軌道艙分別設(shè)有配電器，由三艙配電器的主母線分別給各艙段的用電設(shè)備供電。主電源在推進(jìn)艙配電器形成主電源母線，通過穿艙給返回艙配電器主母線供電和軌道艙配電器主母線供電。應(yīng)急電源作為主電源的備份，推進(jìn)艙配電器可接收外部指令，或者當(dāng)母線電壓跌落時(shí)自動(dòng)接通應(yīng)急電源并網(wǎng)。推返分離前，返回艙配電器進(jìn)行主返并網(wǎng)，由返回電源提供從推返分離到著陸后的返回艙主母線供電。

(2)為確保逃逸救生系統(tǒng)的供電安全，返回艙配電器設(shè)置了逃逸救生母線，由返回艙主母線供電，只在逃逸程序時(shí)段接通，在正常上升段拋整流罩后，斷開此母線，確保飛船正常運(yùn)行時(shí)逃逸程控器不會(huì)誤發(fā)逃逸指令，保證神舟飛船正常飛行時(shí)的安全。

(3)由于返回著陸電源電量有限，為了盡可能延長返回艙著陸后的供電時(shí)間，返回艙配電器設(shè)置了著陸斷電母線，由返回艙主母線供電，在飛船返回艙著陸后斷開著陸斷電母線，實(shí)現(xiàn)著陸后不工作的設(shè)備統(tǒng)一斷電。

2)空間實(shí)驗(yàn)室和貨運(yùn)飛船

隨著功率需求不斷增長，在滿足供配電任務(wù)要求的同時(shí)，兼顧一期設(shè)備狀態(tài)，為我國空間站發(fā)展積累技術(shù)基礎(chǔ)，空間實(shí)驗(yàn)室、貨運(yùn)飛船采用了100 V高壓長線傳輸、區(qū)域就近配電體制。為發(fā)揮高壓供電優(yōu)勢(shì)，減少電源變換的損耗，對(duì)新研制單機(jī)或50 W以上的大功率負(fù)載設(shè)備盡量采用一次電源100 V直接供電。負(fù)載設(shè)備所需的28 V二次母線由總體電路分系統(tǒng)統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)集中變換，其他28 V以下二次母線均由負(fù)載設(shè)備自行變換，圖2為貨運(yùn)飛船供配電系統(tǒng)組成及拓?fù)洹?/p>

圖2 貨運(yùn)飛船供配電系統(tǒng)組成及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Composition and topological structure of power supply and distribution system of cargo spacecraft

3)空間站

空間站單艙功率等級(jí)已高達(dá)10 kW，三艙組合體總功率更是幾十千瓦，為了充分發(fā)揮高壓供電優(yōu)勢(shì)，除閥門等少數(shù)負(fù)載為28 V供電外，其余均為100 V供電設(shè)備。與空間實(shí)驗(yàn)室、貨船相同，由總體電路分系統(tǒng)集中進(jìn)行100 V至28 V二次母線電壓變換，其他電壓由負(fù)載設(shè)備自行變換。

我國空間站在軌運(yùn)行時(shí)間長，采用雙母線供電，將保平臺(tái)任務(wù)和安全的關(guān)鍵/重要負(fù)載由A、B母線同時(shí)提供配電通道，一方面實(shí)現(xiàn)了母線層的備份，增加了系統(tǒng)供電可靠性；同時(shí)當(dāng)組合體完成艙間能源組網(wǎng)后，充分利用組合體多艙母線融合優(yōu)勢(shì)，當(dāng)能源故障時(shí)可通過重構(gòu)對(duì)供電體系進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)供電能力不足時(shí)可進(jìn)行本艙或艙間能量調(diào)配，極大提高了應(yīng)對(duì)故障的能力。圖3為空間站三艙組合體供電拓?fù)鋱D，正常飛行時(shí)核心艙A、B母線分別由實(shí)驗(yàn)艙IIA和IB提供，故障時(shí)首先降低負(fù)載用電進(jìn)入能源安全模式，再適時(shí)重構(gòu)調(diào)整供電體系。與“一重故障保業(yè)務(wù)連續(xù)，二重故障保航天器安全”的新型航天發(fā)展戰(zhàn)略思想相符。

面向空間站在軌維修的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了母線切換層、母線配電層、負(fù)載配電層的三級(jí)配電體系架構(gòu)，降低了供配電設(shè)備維修對(duì)系統(tǒng)的影響。為了保證指令母線不間斷供電，采用原位板卡更換設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了指令母線單元在線維修。為了綜合利用資源，以標(biāo)準(zhǔn)化接口為前提，采用板卡更換設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了功率控制單元單板維修。

匯集各個(gè)載人航天器供配電體制如表1所示。

表1 載人航天器供配電體制對(duì)比Table 1 Comparison of power supply and distribution system for manned spacecraft

1.2 配電技術(shù)發(fā)展

航天配電技術(shù)的發(fā)展主要圍繞開關(guān)器件、功率變換、總線和自主管理控制等技術(shù)的發(fā)展。其中元器件是配電技術(shù)的基礎(chǔ)。在我國航天事業(yè)發(fā)展初期，工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，元器件種類不全，等級(jí)不高。大量元器件都是采用民用、工業(yè)用器件，后續(xù)隨著工業(yè)發(fā)展才陸續(xù)使用了軍品、“七?！薄臆娪脴?biāo)準(zhǔn)等較高等級(jí)器件，近幾十年開始陸續(xù)使用了宇航元器件。

1)繼電器開關(guān)器件

繼電器作為開關(guān)器件的典型代表在宇航配電中發(fā)揮了巨大作用，隨著載人航天功率等級(jí)的提高，繼電器觸點(diǎn)電流需求逐漸增大，觸點(diǎn)電壓新增了100 V需求。

(1)載人飛船采用了28 V母線，選用了28 V/1 A、3 A、15 A的繼電器作為開關(guān)控制器件；

(2)空間實(shí)驗(yàn)室/貨船在載人領(lǐng)域首次采用了100 V供電母線電壓，選用了100 V高壓繼電器，有2 A、10 A、25 A、40 A等多個(gè)規(guī)格。另外由于并網(wǎng)供電等大功率需求，還使用了28 V/50 A繼電器；

(3)到了載人航天三期空間站研制階段，對(duì)于高電壓、大功率的需求更加強(qiáng)烈，常規(guī)繼電器已不能滿足高電壓大功率切換需求，空間站需要全新研制高電壓大功率的開關(guān)器件，經(jīng)過國內(nèi)元器件廠家不懈努力，最終在空間站上應(yīng)用了120 V/100 A和120 V/200 A的接觸器。

圖3 空間站三艙組合體供電拓?fù)鋱DFig.3 Power supply topology of space station module 3 assembly

2)固態(tài)功率控制器

固態(tài)功率控制器是近年來發(fā)展起來的一種新型配電技術(shù)，是由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的開關(guān)裝置，用于接通斷開電路。相對(duì)于繼電器采用的電磁控制機(jī)械式開關(guān)，其優(yōu)點(diǎn)是：

(1)沒有機(jī)械觸點(diǎn)，不產(chǎn)生電弧，沒有觸點(diǎn)燃弧和回跳，使用壽命長，可靠性高；

(2)耐沖擊，抗振性能優(yōu)異，不會(huì)產(chǎn)生抖斷；

(3)開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換速度快，體積小，質(zhì)量輕。

固態(tài)功率控制器另外一個(gè)重要的特點(diǎn)是集成了保護(hù)功能，在負(fù)載發(fā)生過載甚至短路故障時(shí)能夠?qū)╇娋€路上的輸出電流加以控制，進(jìn)而起到保護(hù)供電母線的作用，即代替了繼電器+熔斷器的配電開關(guān)控制和保護(hù)模式。

載人航天三期空間站系統(tǒng)開始大規(guī)模使用了反時(shí)限保護(hù)特性的固態(tài)功率控制器(SSPC)作為開關(guān)控制和保護(hù)器件，采用了厚膜工藝，具有1 A、3 A、10 A、15 A幾個(gè)等級(jí)。

3)直流電壓變換器(DC/DC)

載人航天器直流電壓變換器的發(fā)展特點(diǎn)：

(1)由于一次供電母線電壓的不同，在28 V電壓變換的基礎(chǔ)上增加了100 V電壓變換；

(2)分布式分散配電使用的小功率直流電壓變換器采用的工藝從表面貼裝逐漸過渡到厚膜工藝，體積質(zhì)量減小；

(3)集中使用的直流電壓變換器功率需求越來越大。

具體如下：

(1)載人飛船的分散配電大量使用了進(jìn)口Interpoint公司的28 V直流電壓變換器；

(2)目標(biāo)飛行器/空間實(shí)驗(yàn)室集中100 V/28 V功率變換采用的是表貼工藝的200 W直流電壓變換器，28 V分散配電與載人飛船一致仍然使用了進(jìn)口Interpoint公司的28 V變換器；

(3)空間站和貨運(yùn)飛船的分散配電采用了型譜化的國產(chǎn)100 V厚膜直流電壓變換器，滿足各種單機(jī)對(duì)于不同電壓等級(jí)的需求；貨運(yùn)飛船100 V/28 V/200 W集中變換直流電壓變換器采用了平面變壓器，減小了單機(jī)體積重量；空間站100 V/28 V集中變換直流電壓變換功率增加到了500 W，并網(wǎng)供電使用100 V/100 V直流電壓變換器單臺(tái)功率達(dá)到了2 kW。

4)信息接口的發(fā)展帶來能源管理功能自主化

配電系統(tǒng)作為航天器的關(guān)鍵功能，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)智能化自主管理一直是要實(shí)現(xiàn)的重要目標(biāo)，在我國載人航天發(fā)展過程中，信息化接口的應(yīng)用帶來航天器自主能源管理飛躍式地發(fā)展。

一期載人飛船的配電系統(tǒng)遙測(cè)采用了有線模擬量電壓遙測(cè)，指令采用了遙控、程控、手控等硬線指令；二期目標(biāo)飛行器/空間實(shí)驗(yàn)室配電系統(tǒng)的遙測(cè)采用了串行數(shù)字信號(hào)接口(DS)，減少了遙測(cè)相關(guān)的電纜重量。無論是載人航天一期還是二期，能源管理功能都依靠航天器的平臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，由于資源有限，航天器僅能實(shí)現(xiàn)能源安全模式關(guān)負(fù)載等簡單的能源管理功能。

三期空間站配電系統(tǒng)配置了專門用于能源管理的計(jì)算機(jī)，具備1553B總線接口，用于遙測(cè)傳輸和總線指令控制?？梢詫?shí)施功能更為全面和強(qiáng)大的自主能源管理功能。以能源管理器為核心，能源管理器作為上一級(jí)總線的RT，同時(shí)作為配電系統(tǒng)內(nèi)總線的BC，通過1553B總線實(shí)現(xiàn)終端的管理。同時(shí)，配備的能源管理應(yīng)用軟件具有自主管理功能，實(shí)現(xiàn)能源安全模式、載荷用電管理、移動(dòng)用電管理等能源管理策略。

1.3 電纜網(wǎng)技術(shù)發(fā)展

電纜網(wǎng)是航天器的重要組成部分之一，是航天器能量流和信息流的承載體。負(fù)責(zé)在不同飛行階段，安全可靠地向各分系統(tǒng)傳輸電能，并為各艙段之間、艙段內(nèi)各分系統(tǒng)之間進(jìn)行指令和信息的傳遞，使航天器能量流和信息流協(xié)調(diào)一致。載人航天器電纜網(wǎng)具有規(guī)模龐大(見圖4)、功能接口復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)性高等特點(diǎn)，神舟飛船電纜網(wǎng)具有防水、防潮的設(shè)計(jì)要求，空間實(shí)驗(yàn)室和貨運(yùn)飛船電纜網(wǎng)具有高壓安全性設(shè)計(jì)要求，空間站電纜網(wǎng)具有在軌操作、可維修性、長壽命設(shè)計(jì)要求。

圖4 載人航天器電纜網(wǎng)發(fā)展對(duì)比Fig.4 Comparison of cable network development for manned spacecraft

1)防結(jié)露、防水設(shè)計(jì)

神舟飛船電纜網(wǎng)防結(jié)露、防水設(shè)計(jì)及驗(yàn)證是一項(xiàng)具有載人特色的研究成果。

載人航天器特有的密封艙環(huán)境下，航天員的呼吸及生活均會(huì)具有一定的產(chǎn)濕量，為解決密封艙內(nèi)電連接器因結(jié)露造成絕緣性能降低而引起的影響系統(tǒng)工作安全性問題，密封艙內(nèi)電纜具有防結(jié)露設(shè)計(jì)要求。通過模擬真實(shí)載人飛船艙內(nèi)環(huán)境條件，設(shè)計(jì)載人飛船防結(jié)露試驗(yàn)方法，準(zhǔn)確定位了不同型號(hào)電連接器及電纜工藝的防結(jié)露特性，針對(duì)不滿足要求的電連接器插頭插座對(duì)接面研發(fā)了密封措施，針對(duì)電纜尾部出線端研發(fā)了電連接器尾罩灌封及熱縮套封工藝，并開展試驗(yàn)驗(yàn)證確保了設(shè)計(jì)更改的正確性、防護(hù)措施的有效性。

神舟飛船返回時(shí)，為防止落海造成暴露在返回艙外表面的穿艙插座上的接點(diǎn)短路而影響設(shè)備正常工作，確保航天員生命安全，返回艙電纜具有防水設(shè)計(jì)要求。針對(duì)載人飛船返回艙所有設(shè)備在返回段及著陸后的不同工作模式，對(duì)穿艙插座上接點(diǎn)因短路而帶來的影響進(jìn)行了分析，采取部分電纜插頭與插座對(duì)接后整體熱縮套封的防護(hù)措施，部分電纜接點(diǎn)由航天員在返回過程中實(shí)施斷開操作的防護(hù)方式，有效解決了返回艙濺落在海上時(shí)由于暴露在返回艙外表面的穿艙插座上的接點(diǎn)短路而引起的影響設(shè)備工作安全性問題。

空間實(shí)驗(yàn)室和空間站等載人航天器沿用了此項(xiàng)技術(shù)，并經(jīng)歷了更嚴(yán)格的考核驗(yàn)證。

2)高壓安全性設(shè)計(jì)

空間實(shí)驗(yàn)室和貨運(yùn)飛船首次于載人航天器上采用了“100 V高壓長線傳輸、區(qū)域就近高低壓混合配電、分布式局域二次母線”的供配電體制。高壓安全性設(shè)計(jì)成為電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

高壓電纜從元器件選型、分支設(shè)計(jì)、接點(diǎn)排布、布局走向均進(jìn)行了安全性設(shè)計(jì)，高壓電纜全部采用單根電纜，獨(dú)立標(biāo)識(shí)、單獨(dú)敷設(shè)，在傳輸路徑上采取二次隔離，電纜與艙體金屬結(jié)構(gòu)直接接觸部位加鋪聚酰亞胺膜；此外，為了防止高壓100 V直接暴露在艙外，對(duì)操作安全及飛行安全造成影響，在設(shè)備上帶有高電壓的100 V空插座上安裝了高壓防護(hù)插頭。

3)新型器件的應(yīng)用

(1)密封穿艙電連接器。載人航天器密封艙具有氣密性要求，泄漏率不大于1×10-4Pa·cm3/s，于神舟飛船上研制了三件套Y27系列玻璃燒結(jié)密封穿艙電連接器可滿足跨艙段間能源和信號(hào)的傳輸要求。神舟飛船軌道艙與返回艙之間采用四件套Y35系列密封穿艙電連接器可適應(yīng)飛船軌返分離、推返分離時(shí)電纜網(wǎng)艙段間的物理切割需求。密封穿艙電連接器在空間實(shí)驗(yàn)室和貨運(yùn)飛船進(jìn)行了大量推廣應(yīng)用，在空間站上沿用了此項(xiàng)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上提高技術(shù)指標(biāo)、首次應(yīng)用了能夠承載大電流的大功率密封穿艙電連接器，以滿足空間站超27 kW等級(jí)多母線能源系統(tǒng)艙間功率調(diào)配需求。

(2)在軌維修操作連接器?？臻g站在軌壽命長達(dá)15年，為滿足電子設(shè)備維修性設(shè)計(jì)需求，研制JYH系列艙外宇航員作業(yè)專用電連接器、J36-T3、J14-T3型艙內(nèi)在軌維修操作連接器。在軌維修操作連接器根據(jù)人機(jī)工效學(xué)要求，進(jìn)行了防滑、對(duì)位、操作方式、操作反饋、界面機(jī)械安全性等專項(xiàng)設(shè)計(jì)，其構(gòu)型設(shè)計(jì)、操作力設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)填補(bǔ)了國內(nèi)該領(lǐng)域空白，于天和一號(hào)首次在軌成功應(yīng)用，在軌驗(yàn)證結(jié)果表明其能夠可靠、安全地支持宇航員開展維修活動(dòng)，為載人航天器電子單機(jī)的維修性設(shè)計(jì)及空間站在軌長期運(yùn)營提供有力的技術(shù)支撐。圖5為航天員操作在軌維修連接器。

圖5 JYH系列在軌維修連接器Fig.5 JYH series on-orbit maintenance connectors

(3)新型傳輸導(dǎo)線。普通導(dǎo)線采用的交聯(lián)乙烯-四氟乙烯共聚物絕緣材料(X-ETFE)，在輻照加工交聯(lián)過程中，會(huì)產(chǎn)生游離氟，這些游離狀含氟自由基團(tuán)，與水接觸會(huì)產(chǎn)生含氟酸性物質(zhì)，在高溫高濕的情況下，存在腐蝕金屬外殼連接器的問題并對(duì)航天員不利。載人航天器艙內(nèi)環(huán)境密閉、有人、有水(飲用水、冷凝水、結(jié)露等)，特別是空間站長期駐人，為確保宇航員安全，空間站密封艙內(nèi)電纜首次采用了低氟型新型傳輸導(dǎo)線；同時(shí)，在優(yōu)化減重方面，電纜網(wǎng)大量選用了薄壁導(dǎo)線，電纜網(wǎng)減重20.31%；此外，空間站首次成功應(yīng)用了抗輻照以太網(wǎng)傳輸線纜、千兆萬兆光纜，實(shí)現(xiàn)航天員圖像話音、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)高可靠傳輸，為大量應(yīng)用載荷設(shè)備的數(shù)據(jù)管理和載荷數(shù)據(jù)的艙間、天地間高速通信管理，及艙內(nèi)載荷試驗(yàn)和艙外暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、復(fù)接以及下行提供技術(shù)支撐。

4)數(shù)字化智能化設(shè)計(jì)

載人航天器電纜網(wǎng)數(shù)字化設(shè)計(jì)始于貨運(yùn)飛船系列型號(hào)，后續(xù)不斷發(fā)展，在功能實(shí)現(xiàn)和性能提升上取得了大量成果。以核心艙為代表的空間站電纜網(wǎng)，單艙規(guī)模是載人二期的4倍(6萬分支，24萬接點(diǎn)、跨780個(gè)穿艙面)，空間站設(shè)備規(guī)模龐大、組合體能源和信息流可靠冗余、跨艙調(diào)配、故障重構(gòu)等傳輸需求極大地增加了電纜拓?fù)涞膹?fù)雜度。因此，在空間站電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)中，電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)從多維度積極探索數(shù)字化的設(shè)計(jì)與分析路徑，建立適應(yīng)型號(hào)發(fā)展的自動(dòng)化、圖形化、智能化的數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，提出一種基于復(fù)雜度評(píng)估算法的電纜圖形化智能分束方法，可以自動(dòng)完成電纜網(wǎng)拓?fù)鋱D，提供多種智能分束方案，將超大型網(wǎng)狀電纜優(yōu)化為分支拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，樹狀或小型交叉網(wǎng)狀式拓?fù)?，可以有效降低電纜復(fù)雜度，最終在核心艙正樣階段實(shí)現(xiàn)整艙電纜網(wǎng)減重470 kg。圖6為電纜智能分束功能演示。

圖6 智能分束方案預(yù)覽(電纜局部)Fig.6 Preview of intelligent beam splitting scheme(local cable)

1.4 并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展

來訪主動(dòng)飛行器通過交會(huì)對(duì)接與被動(dòng)飛行器對(duì)接口對(duì)接完成后，存在功率流傳輸需求。表2為歷次載人航天器之間并網(wǎng)功率需求和基本方案。

表2 載人航天器并網(wǎng)供電Table 2 Power utility grid connection for manned spacecraft

1)載人二期并網(wǎng)供電

載人二期工程突破了在軌交會(huì)對(duì)接技術(shù)后，空間實(shí)驗(yàn)室向神舟飛船的并網(wǎng)供電，是載人航天器在軌實(shí)施的首次并網(wǎng)供電。采用恒壓限流并網(wǎng)工作模式[2]，供電優(yōu)先級(jí)為：太陽電池陣>并網(wǎng)控制器>鎘鎳蓄電池組>應(yīng)急電源。并網(wǎng)供電組成結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。

圖7 并網(wǎng)供電組成結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Power utility grid connection structure diagram

2)空間站并網(wǎng)供電

為避免電壓源互相競(jìng)爭(zhēng)造成并網(wǎng)電壓不穩(wěn)現(xiàn)象，空間站并網(wǎng)控制器在載人二期恒壓并網(wǎng)模式的基礎(chǔ)上增加了恒流并網(wǎng)模式，恒流模式的引入增加了并網(wǎng)控制的可靠性和靈活性。恒壓-恒流輸出模式可自主切換，并網(wǎng)控制器的輸出電壓和輸出電流均可以通過在軌注入1553B總線指令實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)功率的限值控制。

(1)恒壓、恒流控制。功率組件的主電路通過恒壓恒流控制器[3]實(shí)現(xiàn)“恒流限壓”功能，恒流限壓電路控制下變換器外特性曲線由6個(gè)控制域組成，分別為恒流工作域、正常工作域、過壓域、過流域、過流保護(hù)域、過壓保護(hù)域，見圖8。

圖8 恒流限壓電路控制下變換器的外特性Fig.8 External characteristics of converter in constant current and voltage control mode

(2)遠(yuǎn)端采樣控制。由于載人飛船輸出端為低壓大電流母線，且并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電纜較長，導(dǎo)致在不同負(fù)載條件下，并網(wǎng)點(diǎn)電壓對(duì)功率波動(dòng)。對(duì)載人飛船并網(wǎng)采用了遠(yuǎn)端電壓采樣及控制技術(shù)，把并網(wǎng)點(diǎn)作為電壓閉環(huán)控制點(diǎn)，確保采樣點(diǎn)電壓值與實(shí)際并網(wǎng)點(diǎn)的電壓值始終一致，將電纜上的壓降損失放置在電壓閉環(huán)內(nèi)，以彌補(bǔ)大功率輸出時(shí)，線纜上的壓降造成并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落，保證并網(wǎng)點(diǎn)電壓在全負(fù)載范圍內(nèi)波動(dòng)幅度小。圖9為遠(yuǎn)端電壓采樣拓?fù)鋱D。

圖9 并網(wǎng)控制器遠(yuǎn)端采樣拓?fù)鋱DFig.9 Remote sampling topology of power supplyment controller

1.5 火工控制技術(shù)發(fā)展

載人航天器安裝了多種火工裝置，通過起爆火工裝置，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)解鎖和分離，以及閥門打開等功能?；鸸た刂萍夹g(shù)屬于配電技術(shù)的一種，但因其控制的負(fù)載為整器的火工裝置，因此在技術(shù)本身及實(shí)施層面又有其特殊性。

從神舟飛船、空間實(shí)驗(yàn)室、貨運(yùn)飛船到空間站，火工控制技術(shù)的發(fā)展一直遵循成熟可靠、安全第一的原則，從如下方面確保火工控制系統(tǒng)的可靠性、安全性。

1)設(shè)計(jì)方面

載人航天器火工控制技術(shù)形成于神舟飛船，后續(xù)空間實(shí)驗(yàn)室、貨運(yùn)飛船、空間站均在此基礎(chǔ)上，根據(jù)自身型號(hào)特點(diǎn)，并參照院標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)設(shè)置獨(dú)立的火工母線，保證火工母線與供電母線的物理隔離。神舟飛船各艙段配置獨(dú)立的一組火工電源(由a、b兩塊電池構(gòu)成)，火工裝置引爆采用單一火工母線供電。從空間實(shí)驗(yàn)室開始，不再單獨(dú)配置專用火工電源，而是由3塊一次電源供電電池組中間抽頭形式提供3組火工電源，設(shè)置A、B兩條火工母線給主、備起爆器分別供電，確保供電、起爆通路完全獨(dú)立；同時(shí)，當(dāng)火工電源1或火工電源2故障時(shí)，可以將故障火工電源切除，將第3組火工電源接入對(duì)應(yīng)火工母線，增強(qiáng)火工供電的可靠性。

(2)各艙段單獨(dú)設(shè)置火工控制裝置，用于本艙段火工裝置的引爆控制。

(3)在飛行程序設(shè)計(jì)上，火工裝置引爆前接通火工母線，火工裝置引爆后及時(shí)斷開火工母線，保證了火工裝置不會(huì)發(fā)生誤爆。

(4)火工裝置起爆電路一般設(shè)置3～4道安全控制：指令母線通斷控制、火工母線(正/負(fù))通斷控制、起爆器供電(正/負(fù))控制。

神舟飛船火工控制裝置指令母線沒有加繼電器控制，對(duì)火工母線正線、火工裝置的正、負(fù)進(jìn)行控制。從空間實(shí)驗(yàn)室開始，嚴(yán)格遵照院標(biāo)設(shè)置了多道鎖。

(5)載人航天器火工控制裝置中采用的是四川永星電子TRY系列專用限流電阻，該限流電阻是在原RY型的改進(jìn)產(chǎn)品,將各火工裝置起爆電流限制在安全可靠的范圍內(nèi)，同時(shí)消除火工裝置引爆后搭殼引起的短路風(fēng)險(xiǎn)。

(6)火工裝置控制及執(zhí)行部件采用冗余設(shè)計(jì)，保證可靠性。

(7)火工供電線纜采取雙端屏蔽層接地的正負(fù)雙絞屏蔽設(shè)計(jì)，一方面減少火工供電線路對(duì)其他環(huán)境的干擾；另一方面增強(qiáng)自身抗干擾的能力。

(8)在火工控制裝置內(nèi)與各火工裝置的連接處設(shè)置靜電泄放電阻，構(gòu)成靜電泄放回路，避免在火工母線正、負(fù)端都斷開時(shí)，火工控制裝置內(nèi)靜電積累。

(9)采用霍爾電壓傳感器對(duì)火工母線電壓進(jìn)行測(cè)量，使用1只小磁保持繼電器和起爆電磁繼電器(一般2只并聯(lián))并聯(lián)的形式，對(duì)火工裝置起爆狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(10)設(shè)置地面火工單阻和綜阻短路保護(hù)插頭，以適應(yīng)地面測(cè)試不同階段對(duì)整器火工裝置的保護(hù)。

2)測(cè)試和驗(yàn)證

載人航天器各型號(hào)火工系統(tǒng)的測(cè)試和驗(yàn)證方法主要包括如下方面。

(1)載人航天器初樣研制階段，采用真實(shí)火工品，設(shè)計(jì)狀態(tài)一致的火工供電電纜，進(jìn)行火工品真實(shí)點(diǎn)火試驗(yàn)，驗(yàn)證整個(gè)火工系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

(2)載人航天器按照5～10 A進(jìn)行引爆電流設(shè)計(jì)，通過起爆電流復(fù)核復(fù)算對(duì)整個(gè)火工控制系統(tǒng)可靠性進(jìn)行確認(rèn)。

(3)綜合測(cè)試階段安排專項(xiàng)火工指令檢查，驗(yàn)證指令執(zhí)行和遙測(cè)功能，以及設(shè)備內(nèi)部供電通路的正常。

(4)整器火工裝置阻值測(cè)試。為驗(yàn)證火工裝置安裝后電起爆器狀態(tài)以及整個(gè)供電通路正常，在研制過程的不同階段、北京地區(qū)和發(fā)射場(chǎng)地區(qū)均安排有測(cè)試和確認(rèn)環(huán)節(jié)。

為了檢測(cè)火工控制線路及火工裝置狀態(tài)，保證測(cè)試、運(yùn)輸狀態(tài)下火工裝置的安全，設(shè)計(jì)了單獨(dú)的火工測(cè)試及保護(hù)電路，如圖10所示。通過單阻測(cè)試插頭直接測(cè)量每個(gè)火工裝置橋絲阻值,通過綜阻測(cè)試插頭測(cè)量每個(gè)火工裝置供電回路阻值，同時(shí)配置對(duì)應(yīng)的單阻和綜阻火工短路保護(hù)插頭，以適應(yīng)地面測(cè)試不同階段對(duì)整器火工裝置的保護(hù)。神舟飛船火工地面測(cè)試電纜有20根，后期通過將單阻和綜阻測(cè)試插頭型號(hào)和接點(diǎn)定義的統(tǒng)一，對(duì)火工測(cè)試電纜設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，如貨船飛船火工測(cè)試電纜根數(shù)精簡到2根，減少了器上火工電纜的操作次數(shù)，降低了操作風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 火工品測(cè)試及保護(hù)設(shè)計(jì)原理示意圖Fig.10 Test and protection design principle diagram of pyrotechnic devices

一期、二期載人航天器起爆電流計(jì)算和火工裝置阻值測(cè)試?yán)碚撝涤?jì)算，基本采取電路仿真軟件或Excel表格計(jì)算的方法，存在效率低下、計(jì)算結(jié)果偏差較大、工作重復(fù)容易出現(xiàn)低級(jí)錯(cuò)誤的特點(diǎn)，無法滿足后續(xù)空間站階段各型號(hào)高密度研制和發(fā)射的任務(wù)要求。從2016年開始，完成了“載人航天器火工引爆線路仿真計(jì)算軟件”的研制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)讀取仿真計(jì)算所需數(shù)據(jù)，自動(dòng)進(jìn)行單綜阻計(jì)算、引爆電流計(jì)算復(fù)核，自動(dòng)生成測(cè)試細(xì)則、仿真報(bào)告的功能，提高了火工鏈路仿真的效率和可信度，目前該軟件已在神舟系列飛船上得到了全面應(yīng)用，極大提升了工作質(zhì)量和工作效率。

2 后續(xù)載人登月對(duì)總體電路技術(shù)發(fā)展的需求與展望

載人登月初步規(guī)劃了兩個(gè)飛行器：新一代載人飛船和月面著陸器。其中，新一代載人飛船作為地球表面與月球軌道之間的往返飛行器，月面著陸器作為月球軌道與月球表面之間的往返飛行器。載人登月對(duì)總體電路除了更高的可靠性和安全性要求之外，在設(shè)備集成化、固態(tài)功率控制器(SSPC)芯片化智能化、電纜輕量化、無線移動(dòng)供電、高速電連接器技術(shù)等方面提出了更高要求。

綜合電子設(shè)備集成度進(jìn)一步提高，一次二次配電、火工品管理等功能廣泛集成在綜合電子設(shè)備中。SSPC電路采用獨(dú)立專用控制芯片，控制芯片通過總線進(jìn)行配電數(shù)據(jù)采集、功率控制，SSPC電路體積重量顯著縮小，控制芯片獨(dú)立于功率器件之外，使用更靈活。廣泛采用輕質(zhì)導(dǎo)線、壓接技術(shù)，電氣設(shè)備連接器設(shè)計(jì)規(guī)范化，電纜復(fù)雜程度大幅度降低。試驗(yàn)載荷、月球車、月面活動(dòng)移動(dòng)用電設(shè)備廣泛采用電磁耦合無線充電方案。高速時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)采用新型高速電連接器技術(shù)。以上總體電路的新技術(shù)均將有力的保障中國載人登月任務(wù)順利實(shí)施。

3 結(jié)束語

中國載人航天發(fā)展到空間站階段并不是結(jié)束，載人登月工程正在加速研究中。新一代載人飛船的可重復(fù)利用、返回落海后48 h的電氣性能安全性保障要求，輕量化、小型化火工控制方式的改進(jìn)，配電功率無線能量傳輸、固態(tài)功率控制器芯片化等方面進(jìn)行的技術(shù)儲(chǔ)備，綜合電子的高度集成應(yīng)用趨勢(shì)，大功率匯流組件傳輸，預(yù)埋電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)、布局與敷設(shè)的深度融合，都將為載人航天未來總體電路的設(shè)計(jì)及創(chuàng)新帶來新的挑戰(zhàn)。

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