某型号运载火箭测量系统测试电源分析

2021-02-01卢存升曾少龙邓家权

电源技术 2021年1期

卢存升，陈博，曾少龙，邓家权

(1.63798部队，四川西昌 615000；2.中科院微小卫星创新研究院，上海 201203)

测量系统是运载火箭的重要系统，担负着火箭测试飞行过程中数据的采集、传输和飞行状态的测量等任务。测量系统按照功能划分成供电控制、数据采集、通信传输、外弹道测量、安全控制等几大环节[1]。其中，供电控制设备的主要功能是在测试和发射过程中按一定的时间顺序控制箭上设备加电、转电，测量箭上设备仪器的工作状态，配合其他系统完成测试发射任务。

供配电设备是电测系统的重要组成部分，其电路设计是否完善关系着运载火箭测试发射的成败。本文在系统供配电原理和多次测试数据分析的基础上，对某型号运载火箭测量系统供配电设备在转电过程中出现测试电源电流跳变现象进行了分析，指出了目前测量系统供配电电路设计中存在的缺陷，结合供配电设计的原则，提出了供配电电路设计改进的建议。

1 测量系统供配电原理

1.1 测量系统及供电电源分类

某型号运载火箭测量系统分为遥测子系统和外测安全子系统，遥测子系统的主要功能是将运载火箭内部的各种物理量参数通过传感器转换成电信号，经过采集、编码处理后通过有线或无线方式传输到地面。而外测安全系统是由箭上应答机与地面雷达站配合，完成火箭跟踪测量和安全遥控任务[2]。系统的各种设备根据供电品质需要不同类型的供电电源，基于内测量的遥测子系统，其精密性、准确性和防干扰特点要求提供浮地电源供配电，系统拥有独立的电源地和信号地，与箭体相互绝缘。外测安全系统使用的是共地电源，系统供电和信号地与箭体相连接。

测量系统供配电电源分为浮地测试电源、共地测试电源、地面供电电源和箭上电池。由于电池本身容量制约，发射前测试使用地面供电电源供电，火箭点火前转到箭上电池供电，电池供电持续整个飞行过程，地面供电与箭上供电转换是通过箭上配电器与地面配电组合共同完成。地面供电电源除了给箭上实现地面供电外，在电池未安装时还通过模拟电缆模拟箭上电池供电。测试电源主要为信号转接装置中的配电控制设备执行指令动作提供驱动，其系统框图如图1所示。

1.2 测量系统供配电过程

图1 测量系统供配电框图

测量系统供配电过程主要控制箭上设备地面供电、地面转箭上供电、箭上设备断电以及辅助连接器脱落等动作，这些动作主要由指令执行器件——继电器及开关电路实现。开关电路将计算机指令经逻辑电路驱动继电器，继电器通过电磁铁吸合开关触点实现接通或断开电路。测试电源是这些执行电路的供电电源，在控制供配电过程中起重要作用。测试电源分为浮地测试电源和共地测试电源，浮地测试电源主要给遥测子系统供配电，共地测试电源给外安子系统及其他设备供配电。典型的指令执行电路如图2所示[3]。

图2 指令执行电路

测量系统供配电设备主要由VXI工控机、VXI测控组合、信号隔离箱、信号转接装置、配电控制组合、控制电源组合及地面电源单机组成。供配电指令通过VXI工控机接收转发至VXI测控组合，经信号隔离箱到信号转接装置，转换成28 V控制电平驱动配电组合中的继电器，配电组合通过继电器控制地面电源与箭上的配电电路的通断，实现给箭上设备的供配电，其供配电电路如图3所示[3]。

图3 测量系统供配电电路

1.2.1 箭上设备地面供电

箭上设备地面供电是指箭上设备由地面电源通过配电组合经由脱落连接器给箭上配电器供电的过程。从图3可以看出，当地面供电指令送到信号转接装置相应的执行电路后，执行电路输出28 V控制电平至配电组合，配电组合中继电器吸合地面电源与箭上配电母线相连接的电路开关触点，即可实现箭上设备地面供电。地面供电指令为保持型指令，28 V控制电平保持高电平持续输出。

1.2.2 地面转箭上供电

地面转箭上供电是指箭上供电电源由地面电源切换为箭上电池或者模拟电缆供电的过程。地面转箭上供电过程主要由箭上配电器实现，转电指令送达信号转接装置后，驱动执行电路输出28 V控制电平经由脱落连接器至箭上配电器，箭上配电器中的转电继电器吸合箭上电池供电母线与箭上配电母线开关触点，同时地面配电组合断开地面电源跟箭上配电母线电路开关触点。转电指令为脉冲型指令，执行电路输出的控制电平只持续一定时间即停止，转电继电器通过自保电路保持触点吸合。

1.2.3 箭上设备断电

箭上设备断电是指断开箭上配电母线与供电电源电路的开关触点，根据供电状态分为断开地面供电和断开箭上供电。当箭上设备处于地面供电状态时，发送断地面供电指令至信号转接装置，执行电路停止28 V控制电平输出，配电组合中的继电器复位，使地面电源与箭上配电母线触点分离，实现断地面供电。当箭上设备处于箭上供电状态时，需发送断箭上供电指令，信号转接装置中相应的驱动执行电路输出28 V控制电平至箭上配电器中断电继电器，断电继电器是个常闭型触点，控制转电继电器自保电路，收到断电控制信号后，自保电路复位，箭上配电母线与箭上供电母线断开。断箭上供电信号在断箭供时为脉冲型电平，紧急关机时为保持型电平。

1.3 测量系统供配电控制过程

测量系统供配电控制的基本过程有箭上设备地面供电、转电、断电，其中地面供电方式有遥测分级地面供电、遥测统一地面供电、外安单机分别地面供电、外安统一地面供电；转电方式有遥测分级转电、遥测统一转电、外安分级转电、外安统一转电、测量统一转电、控制转电、应急转电；断电方式有箭上设备断电和紧急关机。不同的测试状态，按照供电、转电、断电的顺序选择相应的方式进行。在总检查流程中，测量系统首先地面供电，4 min准备时，测量系统统一转电同时允许控制转电，2 min准备时控制系统再次给测量系统转电，直至模飞结束断电或者紧急关机[3]。

测量系统供配电控制过程与供配电电路逻辑密切相关，每一个测试动作都对应着电路的一个逻辑状态，反过来，电路的每一个逻辑状态转换都是一个测试指令执行的结果。因此，熟悉系统供配电电路原理及状态逻辑关系，对分析排除测试中可能出现的异常现象具有重要的参考作用。

2 测试电流跳变现象及原理分析

2.1 测试电源电流跳变现象

测量系统地面设备改造后，测量系统地面供配电设备经历了十多次任务，其中每次任务的第三次总检查，状态为：模拟电缆供电、不脱落、不分离，在2 min准备时控制系统执行统一转电，测量系统浮地/共地测试电源电流同时下跳至0 A左右，同时05、06电源单机电流分别增加了约0.3和0.4 A，直至外安二级断电时，发断允许控制转电指令后，电流才恢复至浮地0.2 A、共地0.8 A左右，如图4所示(某任务地测数据)。经电路分析知，转电后测试电源仍有部分负载，正常情况下浮地电源电流为0.2 A，共地电源电流为0.8 A。经比对历次任务相同测试状态下第三次总检查皆有类似现象。

图4 某任务地测数据

2.2 测试电源负载分析

根据测量系统地面供配电电路设计图，分别对浮地/共地两路测试电源进行负载分析，浮地测试电源负载有遥测5 V/DC-DC二次电源模块，3个电流采样模块和2个漏电检测模块，均由DC-DC模块输出的±15 V供电，遥测地面供电继电器、遥测转电继电器、遥测断箭供继电器、遥测脱落继电器、遥测传输机柜加断电继电器以及遥测供配电状态指示，其中DC-DC模块、遥测地面供电继电器、遥测供配电状态指示为持续型负载，其他均为脉冲型瞬时负载。按照测试流程，启动测试电源时，负载为DC-DC模块，浮地测试电源电流约为0.2 A，遥测一二级地面供电，增加4个继电器负载，电流增至约1.0 A，遥测三级地面供电，增加4个继电器负载，电流增至1.6 A左右，天基地面供电，增加2个继电器负载，电流增至1.8～1.9 A，若转至箭上供电，则以上地面供电10个继电器负载断开，电流降至初始状态0.2 A。

共地测试电源负载有外安5 V/DC-DC二次电源模块、外安地面供电继电器、8台电源单机控制继电器、外安传输机柜控制继电器、外安断箭供继电器、外安脱落继电器、外安供配电状态指示以及信号转接装置内所有逻辑驱动电路，其中电源单机控制继电器、外安地面供电继电器、外安传输机柜控制继电器及外安供配电状态指示为主要负载。按照测试流程，启动测试电源时，共地电源负载为DC-DC二次电源和外安地供状态指示，电流约为0.1 A，依次启动地面电源单机，电流增至约0.8 A，外安各单机地面供电后，电流增至1.2 A左右，若转至箭上供电，则电流恢复到0.8 A。

由于脉冲型控制指令持续时间较短，电流采样无法捕捉到其中的电流变化，上述分析中诸如转电、脱落、断箭上供电等脉冲型控制电平变化不影响对持续电流的观察。

2.3 测试电源电流跳变原因分析

按照故障问题排查思路，对测试电源电流跳变现象进行故障模式分析、问题定位和机理分析。

2.3.1 故障模式分析

根据电路原理和测量系统供配电电路图，测试电流跳变至0的可能故障模式有：

X1：测试电源掉电导致电流下跳；

X2：测试电源输出端负载卸载；

X3：电流采样模块异常；

测试电源被其他电源旁路，可分为：

X4：测试电源与控制系统电源母线搭接；

X5：测试电源与箭上供电母线搭接。

故障树如图5所示。

图5 测试电源电流跳变故障树

2.3.2 问题定位

对故障树的5种模式进行逐一分析排查：

(1)X1测试电源掉电导致电流下跳

主控微机测控软件采样测试电源电压始终显示为28 V，在电流下跳过程中没有受到影响，前端电源机柜控制电源面板上测试电源供电指示灯显示为常亮，电流跳变现象出现过程中没有变化，因此可以排除测试电源掉电导致电流下跳的可能性。

(2)X2测试电源输出端负载卸载

浮地电源在转电后，遥测地面供电继电器断开，但DCDC二次电源模块输出±15 V给漏电模块供电仍正常工作，遥测5 V二次电源VXI采样参数正常，共地电源控制电源单机继电器没有断开，传输机柜控制继电器没有断开，外安5 V二次电源VXI采样参数正常，浮地、共地两路测试电源均存在负载，正常工作电流为0.2和0.8 A。因此，可以排除测试电源输出端负载卸载的可能性。

(3)X3电流采样模块异常

测试电源电流采样模块位于控制电源组合内，由控制电源独立供电，不受供配电过程影响，而断允许控制转电后电流恢复正常，说明电流采样模块工作正常，因此可以排除电流采样模块异常的情况。

(4)X4测试电源与控制系统电源母线搭接

经查测量系统与控制系统接口中转电信号为不带电触点，信号交换通过继电器开关触点吸合/断开来传递，系统间供配电完全隔离，不存在测试电源与控制系统电源母线搭接，因此该项可排除。

(5)X5测试电源与箭上供电母线搭接

经查询箭上遥测配电器、外安控制器电路设计图，发现转电继电器线圈供电由地面测试电源提供，转电指令发出后继电器吸合，其中继电器的自保开关触点接通了继电器线圈与箭上供电母线通路，使得箭上供电母线与地面测试电源在转电过程中存在搭接的现象。而在总检I、总检III状态下，控制转电时跳变现象仍然存在，脱插脱落后，箭地电路通路断开，测试电流恢复至正常的0.2和0.8 A。因此，测试电源与箭上供电母线搭接不能排除，问题得到定位。

2.3.3 机理分析

经现象分析、问题定位得知，测试电源电流跳变现象是由于在转电过程中，测试电源供电母线与箭上供电母线搭接导致测试电源被旁路所引起，测试电源与箭上供电电源形成并联电源。根据电路原理，两个并联电源给同一负载供电时，电压较高的电源起主要作用，负载电流集中汇聚到电压较高的电源上。

测量系统在总检II状态下，箭上供电经模拟电缆由地面电源单机供电，转电后，地面电源单机电流即为箭上供电电流。测量系统按规程要求，测试时地面电源单机电压设置在30.0～31.0 V，而测试电源电压固定为28.0 V，因而在转电过程中，测试电源的负载被加载到电压较高的地面电源单机上，使得测试电源电流下跳至0 V，电源单机电流增大。外安子系统箭上负载较小，而遥测子系统箭上负载较大，电流增大现象在05、06电源上尤为明显。

测试电源电流跳变现象出现在控制转电到断允许控制转电之间，而在系统内转电时现象不明显，是因为系统内转电指令均为脉冲型指令，转电继电器吸合后，很短时间内就切断了测试电源与箭上供电母线的搭接，而控制转电指令为保持型指令，转电信号一直持续至断允许控制转电指令的执行。

综上所述，测量系统浮地/共地测试电源电流在控制转电时出现跳变是由于测试电源与箭上供电母线搭接而引起，控制转电只是促使跳变现象浮现的一个因素。根据供配电箭地分开的原则，这是系统供配电电路设计中的一个缺陷。

3 电路设计改进建议

3.1 箭地电源搭接可能导致的隐患

根据电路原理，电源并联原则是并联电源电压相对一致，若并联电压不一致，除了出现负载不平衡外，还会导致电压高的电源向电压低的电源倒灌电流，对于开关电源来说可能导致内部控制逻辑混乱。针对供配电系统本身来说，浮地测试电源内部设有限流装置，倘若箭上供电电源电压低于测试电源电压时，箭上负载将分配至测试电源上，可能会出现测试电源电流过流而导致掉电的风险。此外，遥测箭上设备要求供电母线完全浮地，箭上供电跟地面测试电源搭接可能导致系统漏电、测量设备抗干扰性降低等风险。