運(yùn)載火箭測(cè)量系統(tǒng)上電瞬態(tài)干擾測(cè)量及串?dāng)_分析

任牧原，徐洪平，陶 勇，姜鐵華

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

運(yùn)載火箭測(cè)量系統(tǒng)上電瞬態(tài)干擾測(cè)量及串?dāng)_分析

任牧原，徐洪平，陶 勇，姜鐵華

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

對(duì)運(yùn)載火箭測(cè)量系統(tǒng)二次電源在上電時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾源進(jìn)行測(cè)量，得到該瞬態(tài)干擾時(shí)域以及頻域信息。在測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合運(yùn)載火箭常用的線纜，分析該瞬態(tài)干擾對(duì)鄰近設(shè)備和線纜的耦合，研究不同線長(zhǎng)、不同間距以及端接負(fù)載等情況的耦合響應(yīng)?；谠囼?yàn)和仿真結(jié)果，對(duì)運(yùn)載火箭線纜線束的選型、布線提供建議，對(duì)工程研究具有指導(dǎo)意義。

瞬態(tài)干擾；仿真；串?dāng)_；運(yùn)載火箭

0 引 言

運(yùn)載火箭在其測(cè)試和發(fā)射的全流程中，會(huì)經(jīng)歷電池激活、轉(zhuǎn)電、點(diǎn)火、脫落插頭脫落、緊急斷電等多種模式切換狀態(tài)，在這些模式切換的過程中，電源線和地線上往往會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)高電壓或大電流，從而對(duì)與其共線束連接或鄰近安裝的負(fù)載設(shè)備造成影響。模式切換過程中產(chǎn)生的電壓和電流一般具有前沿短、電壓高、電流大、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，屬于瞬態(tài)電磁干擾，對(duì)數(shù)字電路威脅較大。

傳統(tǒng)的瞬態(tài)干擾研究主要集中在雷電、靜電、電磁脈沖等外界瞬態(tài)電磁特性及效應(yīng)上[1～3]，而研究傳導(dǎo)干擾對(duì)線纜、線束以及鄰近設(shè)備的影響多集中在船舶、飛機(jī)的線纜線束串?dāng)_分析[4～6]，對(duì)運(yùn)載火箭系統(tǒng)內(nèi)部瞬態(tài)干擾研究的報(bào)道較少。

隨著信息化集成等新技術(shù)的應(yīng)用，運(yùn)載火箭有限的艙段空間內(nèi)分布的電子電氣設(shè)備越來越多，功率越來越大，來自運(yùn)載火箭系統(tǒng)內(nèi)部的瞬態(tài)干擾對(duì)設(shè)備的潛在威脅越來越大，因此，結(jié)合測(cè)試流程，發(fā)現(xiàn)并研究其內(nèi)部瞬態(tài)干擾特性及其耦合影響，明確干擾機(jī)理和電磁效應(yīng)，對(duì)電子設(shè)備開展有針對(duì)性的防護(hù)設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文以運(yùn)載火箭測(cè)量系統(tǒng)二次電源上電過程為研究對(duì)象，在測(cè)量運(yùn)載火箭二次電源瞬態(tài)發(fā)射的基礎(chǔ)上，研究該瞬態(tài)干擾的時(shí)域、頻域特性，分析瞬態(tài)干擾對(duì)鄰近設(shè)備和線纜的耦合，研究不同線長(zhǎng)、不同間距以及不同端接負(fù)載等情況的影響，為運(yùn)載火箭線纜、線束的選型、布線提供參考。

1 電源上電瞬態(tài)特性分析

1.1 測(cè)量方法

結(jié)合運(yùn)載火箭綜合試驗(yàn)的流程，對(duì)二次電源在上電時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)配置如圖1所示。

圖1 上電波形測(cè)量試驗(yàn)配置

由圖1可知，配電控制組合提供一次電源，并作為二次電源的輸入端，二次電源將輸入電壓（28 V）轉(zhuǎn)化為用電設(shè)備需要的電壓。配電控制組合與二次電源之間的線纜束內(nèi)包含二次電源的供電母線以及其他數(shù)字信號(hào)傳輸線。試驗(yàn)時(shí)，在二次電源輸入端串接轉(zhuǎn)換裝置，將供電線從線纜束中轉(zhuǎn)出，用以測(cè)量上電過程中供電母線上的電壓波形，測(cè)量重復(fù)3～5次?？紤]到示波器不同通道間隔離度的影響，試驗(yàn)采用2臺(tái)示波器同時(shí)監(jiān)測(cè)，并分別對(duì)其時(shí)間軸進(jìn)行設(shè)置，以獲取上電過程的全波形和脈沖上升沿的細(xì)節(jié)波形。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

上電過程中測(cè)量的時(shí)域波形及其頻域信息見圖2。

圖2 上電過程中測(cè)量的時(shí)域波形及其頻域信息

由圖2a可知，從二次電源輸入端加電開始，經(jīng)過0.4 ms的上升沿，達(dá)到25.4 V，后經(jīng)過0.57 ms的上升沿，達(dá)到27.8 V。然后出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)象，最終穩(wěn)定在28.2 V，持續(xù)時(shí)間為3.4 ms，整個(gè)脈沖從0 V至穩(wěn)定在28.2 V，歷經(jīng)約4.3 ms。圖2b對(duì)該波形進(jìn)行傅立葉變換，能量主要集中在低頻部分，頻率范圍在0～ 10 kHz時(shí)，幅值在-32 dBV以上。

1.3 仿真模型

二次電源上電過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾可能對(duì)鄰近線纜及設(shè)備造成影響，通過仿真分別對(duì)供電線束內(nèi)部串?dāng)_和供電線束對(duì)鄰近線纜的串?dāng)_2種情況進(jìn)行分析。

圖3為線束串?dāng)_仿真模型示意。供電線束及鄰近線束平行布置于運(yùn)載火箭艙段內(nèi)部，靠近艙壁。其中，前者為干擾線束，線型為多芯線束；后者為受擾線束，線型為單芯線束。從放大多芯線束的截面可以看出，2個(gè)線束通過端接負(fù)載連接到艙壁，仿真時(shí)，將實(shí)測(cè)波形作為激勵(lì)源添加至干擾線束。

圖3 線束串?dāng)_仿真模型示意

通過仿真試驗(yàn)分析下述情況的線間串?dāng)_：

a）在供電多芯線束內(nèi)部，各線之間不同間距、不同線長(zhǎng)以及不同端接負(fù)載對(duì)瞬態(tài)串?dāng)_的影響；

b）在供電多芯線束與鄰近線束之間，不同間距、不同線纜類型對(duì)瞬態(tài)串?dāng)_的影響。

2 瞬態(tài)脈沖對(duì)鄰近設(shè)備/線纜的影響

2.1 供電線束內(nèi)部的串?dāng)_分析

2.1.1 不同間距的影響

運(yùn)載火箭上電纜束的外徑不大于50 mm[7]。本文選擇的供電線纜束外徑為50 mm，設(shè)置電纜長(zhǎng)度

l = 1 m，高度h = 100 mm，受擾線端接阻性負(fù)載，阻值R=70 ?，依次設(shè)置線束內(nèi)部各線間的距離d2為10 mm，20 mm，30 mm，40 mm，50 mm，分析供電線束內(nèi)部不同間距對(duì)串?dāng)_的影響。串?dāng)_電壓隨間距d2的變化情況如圖4所示。

對(duì)比圖2a和圖4可知，在不同間距的情況下，供電線束上的瞬態(tài)激勵(lì)僅有約0.2 μs的脈沖前沿進(jìn)入受擾線，串?dāng)_電壓的上升沿約為0.035 μs。隨著線束距離的增加，串?dāng)_電壓減小，當(dāng)線束距離2d從10 mm增大到50 mm時(shí)，串?dāng)_電壓從240 mV減小到120 mV，衰減3 dB，串?dāng)_電壓的頻域能量集中在10 kHz左右。

圖4 線束間距對(duì)串?dāng)_的影響

一般來說，接地平面上方的導(dǎo)線電容C可以用如下公式求出[8]：

式中 h為超過艙面的高度；d為導(dǎo)線的直徑。根據(jù)本文線纜模型數(shù)據(jù)近似估算電容為4.55 pF。受擾線兩端的端接負(fù)載約為70 ?，根據(jù)電容的充放電公式：τ = RC，一般經(jīng)過3τ ～5τ 的時(shí)間，電容將會(huì)充滿電，計(jì)算得到5τ = 35 ns將會(huì)充滿電，這個(gè)數(shù)值與圖4中受擾線上的串?dāng)_電壓達(dá)到峰值的時(shí)間基本吻合，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

2.1.2 不同端接負(fù)載的影響

運(yùn)載火箭上測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備包括傳感器、總線、電源等。不同設(shè)備的阻抗值不同，比較典型的有：傳感器的阻抗值一般為2～3 k?，總線類的阻抗值約為70 ? 或120 ?，模擬采編單元的阻抗約106 ?，電源上一般會(huì)進(jìn)行濾波，電容值一般為1～500 pF。仿真分析端接負(fù)載分別為電阻和電容2種情況的線間串?dāng)_，線束的其他仿真參數(shù)固定為l = 1 m，d2= 10 mm，h = 100 mm。

a）端接負(fù)載為電阻時(shí)，依次令電阻R為70 ?，120 ?，2 k?，3 k?和1000 k?，不同阻性負(fù)載的串?dāng)_響應(yīng)如圖5所示。

圖5 阻性負(fù)載對(duì)串?dāng)_的影響

對(duì)比圖2a中加載的激勵(lì)與圖5中產(chǎn)生的響應(yīng)可知，瞬態(tài)激勵(lì)中0.1 μs左右的上升沿產(chǎn)生串?dāng)_，串?dāng)_電壓上升沿約為0.035 μs，受擾線電阻值的增加并沒有對(duì)串?dāng)_時(shí)間造成影響。但串?dāng)_電壓的幅值隨著阻值的增大而升高，當(dāng)阻值為70 ?和120 ?時(shí)，串?dāng)_電壓約為0.2 V，但在千歐量級(jí)時(shí)串?dāng)_電壓為0.7 V，而在兆歐量級(jí)可達(dá)1.4 V，表明該瞬態(tài)脈沖對(duì)運(yùn)載火箭不同設(shè)備的干擾不同，串?dāng)_電壓的頻域分量主要集中在8 kHz。

b）端接負(fù)載為電容時(shí)，依次令電容為1 pF，100 pF，200 pF和500 pF，不同容性負(fù)載的串?dāng)_響應(yīng)見圖6。

圖6 容性負(fù)載對(duì)串?dāng)_的影響

對(duì)比圖2a加載的激勵(lì)與圖6產(chǎn)生的響應(yīng)可知，瞬態(tài)激勵(lì)在整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)對(duì)受擾線產(chǎn)生影響，并且電容值增大時(shí)，串?dāng)_電壓幅值減小，電容為1 pF時(shí)，串?dāng)_電壓為2 V，而電容為100 pF時(shí)，串?dāng)_電壓約為0.3 V。串?dāng)_電壓頻域分量集中在0～8 kHz之間。對(duì)端接負(fù)載為電容的設(shè)備，供電線束內(nèi)部的串?dāng)_影響將會(huì)在干擾的持續(xù)時(shí)間內(nèi)一直存在，會(huì)在線上產(chǎn)生幾百毫伏的串?dāng)_，但是考慮到電源設(shè)備一般會(huì)進(jìn)行濾波，因此影響不會(huì)很大。

2.1.3 不同線束長(zhǎng)度的影響

a）端接阻抗為電阻時(shí)，線束的其他仿真參數(shù)固定為h=100 mm，2d=10 mm，R=70 ?，令線束長(zhǎng)度l取1 m，2 m，5 m和10 m。圖7為不同線長(zhǎng)的串?dāng)_響應(yīng)。

對(duì)比圖2a與圖7的瞬態(tài)激勵(lì)可以看出，隨著線纜長(zhǎng)度的增加，瞬態(tài)干擾對(duì)受擾線的影響時(shí)間增加，長(zhǎng)度從1 m增加到10 m時(shí)，串?dāng)_電壓持續(xù)時(shí)間從0.1 μs增加到0.7 μs，串?dāng)_電壓的上升沿從0.035 μs變化至0.05 μs，串?dāng)_電壓值從200 mV增加到500 mV，其頻率分量集中在4～6 kHz。由此可見，電源線束越長(zhǎng)，內(nèi)部鄰近線纜/設(shè)備上受到瞬態(tài)干擾的影響越大。

圖7 線長(zhǎng)對(duì)串?dāng)_的影響（端接負(fù)載為阻性）

b）端接阻抗為電容時(shí)，線束的其他仿真參數(shù)固定為h = 100 mm，d2= 10 mm，C = 200 pF，改變線束長(zhǎng)度l為1 m，2 m，5 m和10 m。不同線長(zhǎng)的串?dāng)_響應(yīng)如圖8所示。

圖8 線長(zhǎng)對(duì)串?dāng)_的影響（端接負(fù)載為容性）

對(duì)比圖2a與圖8的瞬態(tài)激勵(lì)可知，隨著線纜長(zhǎng)度的增加，串?dāng)_持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，周期性變得明顯。線纜長(zhǎng)度從1 m增加到10 m時(shí)，串?dāng)_電壓持續(xù)時(shí)間從0.3 μs增加到1 μs，最大波形的上升沿從0.04 μs上升到0.1 μs。同時(shí)隨著長(zhǎng)度的增大，串?dāng)_電壓峰值從0.3 V增加到1.4 V，串?dāng)_電壓周期變長(zhǎng)，其頻率分量從8 kHz下降至2 kHz。瞬態(tài)干擾注入時(shí)，電源線束越長(zhǎng)，串?dāng)_響應(yīng)越強(qiáng)，作用時(shí)間越長(zhǎng)。

2.2 供電線束對(duì)鄰近線纜的串?dāng)_分析

2.2.1 不同間距的影響

分析作為干擾源的供電線束對(duì)于鄰近線纜的干擾，仿真不同線束間距對(duì)串?dāng)_的影響。仿真參數(shù)設(shè)置為l = 1 m，h = 100 mm，R = 70 ?，改變兩線束間距d1分別為50 mm，100 mm，150 mm，200 mm和

250 mm，供電線束為編織屏蔽。圖9為不同線束間距的串?dāng)_響應(yīng)。

對(duì)比圖2a與圖9的瞬態(tài)激勵(lì)波形可知，線束間距增加時(shí)串?dāng)_電壓的波形持續(xù)時(shí)間從1.6 μs減小至1 μs，上升沿時(shí)間不變，約為0.09 μs，串?dāng)_電壓不斷減小，間距從50 mm變化至250 mm時(shí)，電壓幅值從13 mV減小至3 mV。串?dāng)_電壓頻率分量較大值約為4 kHz。

可見，在運(yùn)載火箭內(nèi)，干擾線束對(duì)受擾線的串?dāng)_受線束間距的影響較大。

圖9 線束間距對(duì)線束間串?dāng)_的影響

2.2.2 不同線型的影響

分析作為干擾源的供電線束對(duì)于鄰近線纜的干擾，仿真受擾線為不同線型時(shí)對(duì)串?dāng)_的影響。各仿真參數(shù)保持不變，分析受擾線的類型為屏蔽線、雙絞線、單線時(shí)的情況。不同線型的串?dāng)_響應(yīng)如圖10所示。

圖10 線型對(duì)線束間串?dāng)_的影響

對(duì)比圖2a與圖10的瞬態(tài)激勵(lì)波形可知，單線上產(chǎn)生的串?dāng)_電壓峰值為110 mV，上升沿為0.03 μs，持續(xù)時(shí)間約0.3 μs，頻率分量約為6 kHz，屏蔽線和雙絞線串?dāng)_電壓峰值約為11 mV，上升沿分別為0.080 μs和0.065 μs，持續(xù)時(shí)間為1 μs左右，頻率分量集中在3 kHz左右。

對(duì)于本文研究的測(cè)量系統(tǒng)二次電源上電時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾，屏蔽線和雙絞線相較于單線均有較好的干擾抑制作用。

3 瞬態(tài)干擾的影響分析與建議

本文測(cè)量了運(yùn)載火箭測(cè)量系統(tǒng)中二次電源上電時(shí)的瞬態(tài)干擾，分析了該干擾對(duì)鄰近設(shè)備/線纜產(chǎn)生的串?dāng)_，得到如下結(jié)論：

a）運(yùn)載火箭測(cè)量系統(tǒng)二次電源在上電時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖波形，持續(xù)時(shí)間約為4.3 ms，其頻率分量在0～10 kHz之間。

b）端接負(fù)載為阻性時(shí)，在本文的設(shè)定參數(shù)下，測(cè)量的瞬態(tài)脈沖僅有部分快速上升沿會(huì)在鄰近的線束線纜上產(chǎn)生串?dāng)_，隨著阻值的增大，串?dāng)_電壓幅值變大。串?dāng)_的頻率分量基本在4～10 kHz間，幅值約為幾十毫伏到幾百毫伏。

c）端接負(fù)載為容性時(shí)，串?dāng)_的影響時(shí)間要遠(yuǎn)長(zhǎng)于端接阻性負(fù)載，并隨著負(fù)載的增大，串?dāng)_電壓減小。鄰近的線纜或設(shè)備，端接容性負(fù)載比端接阻性負(fù)載更易受到干擾，但串?dāng)_響應(yīng)與受擾線內(nèi)部傳輸?shù)男盘?hào)敏感程度有關(guān)，比如端接負(fù)載為120 ?的總線，內(nèi)部傳輸?shù)母咚贁?shù)字信號(hào)對(duì)微弱的干擾信號(hào)較為敏感，如果沒有外加屏蔽層，幾百毫伏的串?dāng)_電壓可能導(dǎo)致誤操作或發(fā)出誤指令。

d）運(yùn)載火箭上沒有任何屏蔽措施的單線非常容易受到二次電源上電的瞬態(tài)干擾影響，可以采用雙絞線或屏蔽線來進(jìn)行有效抑制，相比于沒有抗干擾措施的單線，其抑制效果約為20 dB。

e）供電線束與鄰近的設(shè)備或線束距離很近時(shí)，或使用較長(zhǎng)的穿艙電纜時(shí)，其串?dāng)_電壓較大，更容易受到供電線束上電波形的影響。

為了減小二次電源上電瞬態(tài)干擾對(duì)于鄰近線纜及設(shè)備的影響，結(jié)合仿真結(jié)果，對(duì)運(yùn)載火箭的線纜布線以及選型提出以下建議：

a）在供電線束內(nèi)部，靠近電源線（干擾線）的線束，或者端接負(fù)載為容性的線纜，可以采用增加屏蔽、選用雙絞線的方式減小串?dāng)_；

b）在供電線束內(nèi)部，某些較長(zhǎng)的穿艙線纜可以通過多點(diǎn)接地的方式，來相對(duì)減少耦合線纜的長(zhǎng)度，減小串?dāng)_；

c）在供電線束之間，串?dāng)_響應(yīng)對(duì)線束的間距很敏感，通過對(duì)圖10的分析可以看出，將敏感線束通過增加橫向的水平距離1d或者減小高度h，都可以有效減少串?dāng)_。

4 結(jié)束語

本文對(duì)運(yùn)載火箭測(cè)量系統(tǒng)二次電源上電時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾波形進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)鄰近線束及設(shè)備的串?dāng)_響應(yīng)仿真。測(cè)量結(jié)果得到瞬態(tài)干擾的時(shí)域數(shù)據(jù)，并通過傅立葉變換得到相關(guān)的頻域信息。通過仿真得到該瞬態(tài)干擾對(duì)于鄰近線束線纜和設(shè)備在線束間距、線束長(zhǎng)度、端接負(fù)載以及線纜類型不同的情況下的串?dāng)_響應(yīng)。本文對(duì)運(yùn)載火箭線纜線束的布線以及選型有一定的指導(dǎo)作用，可以為運(yùn)載火箭艙內(nèi)電子、電氣設(shè)備抗干擾設(shè)計(jì)提供參考。

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Measurement and Crosstalk Analysis of Transient Interference Caused by Launch Vehicle Telemetry System Power-on

Ren Mu-yuan, Xu Hong-ping, Tao Yong, Jiang Tie-hua
(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

Transient interference caused by the secondary power supply of telemetry system is measured, and the time domain information and frequency domain information of this interference are obtained. Based on the measured wave, the commonly used cables of the launch vehicle are selected and simulated the coupling between power cable and other wires or equipments. Then, the coupling response of the cable length, space between cables, and termination loads are studied. The simulation and measurement results can direct the type and layout of the cables on the launch vehicle.

Transient interference; Simulation; Crosstalk; Launch vehicle

V556

A

1004-7182(2016)04-0082-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160421

2015-11-17；

2015-12-15

任牧原（1990-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)樗矐B(tài)干擾特性分析及抑制技術(shù)