指令母線在航天器接地系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心 李海偉 潘江江 姜 爽 張 翔 趙 巖

?

指令母線在航天器接地系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心 李海偉 潘江江 姜 爽 張 翔 趙 巖

【摘要】航天器長(zhǎng)期在軌飛行，經(jīng)歷各種復(fù)雜環(huán)境，為了避免雷電、高能粒子輻照造成的電子設(shè)備故障，提高全航天器的電磁兼容性，需要考慮系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)。通過指令母線技術(shù)解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中一次地和二次地隔離代價(jià)高的問題，將整個(gè)航天器設(shè)計(jì)成一個(gè)等勢(shì)體，為各個(gè)系統(tǒng)中電子設(shè)備內(nèi)電路工作提供統(tǒng)一的參考電位，從而減小儀器設(shè)備之間的共模干擾，為全飛行儀器設(shè)備可靠穩(wěn)定工作提供有力保障。

【關(guān)鍵詞】航天器；接地；干擾；隔離

0　引言

航天器系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)屬于頂層設(shè)計(jì)，需要總體考慮、系統(tǒng)思維，全局策劃。本文論述了頂層設(shè)計(jì)過程中遇到的一次地和二次地隔離代價(jià)高的問題，并提出了設(shè)置專用指令母線的解決技術(shù)，該技術(shù)在航天器上得到驗(yàn)證，并起到了良好效果。

1　接地分類

接地是指在兩點(diǎn)之間建立導(dǎo)電的通路，把系統(tǒng)中的電子元件相互連接起來，或把它們同時(shí)與某個(gè)稱作“地”的參考點(diǎn)連接起來。

航天器接地按照目的和作用的不同，分為參考接地和安全接地。

參考接地是指信號(hào)或功率傳輸電流流通的參考電位基準(zhǔn)點(diǎn)或基準(zhǔn)面，是將直流電源的輸出端通過地網(wǎng)接在一起，使其成為穩(wěn)定的零電位。由于微機(jī)中各種TTL電路的邏輯“0”和邏輯“1”，僅相差2V多，直流地上出現(xiàn)波動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤。參考接地包括信號(hào)接地、電源接地、屏蔽接地等。

安全接地是指為保護(hù)人身安全及元器件安全所進(jìn)行的接地，包括保護(hù)接地和防雷接地。保護(hù)接地是指電子設(shè)備的金屬機(jī)殼、底盤等與大地通過低阻抗通道相連，可以防止事故狀態(tài)時(shí)設(shè)備外殼上出現(xiàn)過高的對(duì)地電壓而危及操作人員的安全。防雷接地是把可能受到雷擊的物體和大地接通，以便提供泄放大電流的通路。

2　電位基準(zhǔn)

電位基準(zhǔn)有兩種類型，即大地和航天器系統(tǒng)基準(zhǔn)地。將大地（或全航天器）作為電位基準(zhǔn)的理由，主要從兩個(gè)方面出發(fā)，防止危及人體，防止對(duì)小信號(hào)的干擾感應(yīng)。

將大地作為電位的基準(zhǔn)并認(rèn)為其電位為零伏，好比以海平面作為高度的基準(zhǔn)并取其高度為零米，因此可以用海拔若干米表示高度，也可用電勢(shì)若干伏表示電位［1］。類似在月亮引力和風(fēng)力的影響下海平面基準(zhǔn)高度會(huì)發(fā)生變化，大地的基準(zhǔn)電位在空間外界磁場(chǎng)的影響下也會(huì)發(fā)生浮動(dòng)。由于大地的電導(dǎo)率較小，大地上不同的兩點(diǎn)具有電位差且短時(shí)間內(nèi)難以消失，相對(duì)零電位的大地必然存在電勢(shì)差，這樣就造成了該局部點(diǎn)向大地流入電流的現(xiàn)象［1］。

航天器受空間帶電粒子輻照，單位時(shí)間內(nèi)電荷變化量形成電流，類似與大地直接流入電流的現(xiàn)象。同時(shí)，由于航天器不同位置分布電容不同，也會(huì)造成電位的微小變化，理論表示為公式（1）。

從對(duì)小信號(hào)干擾的角度考慮，微小電位變化相對(duì)電磁干擾而言，很多情況下會(huì)產(chǎn)生重要的作用。為了防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，需要單點(diǎn)接地，利用大地（或全航天器）作為唯一的電位基準(zhǔn)，避免電流通過［2］。

3　接地必要性

接地設(shè)計(jì)主要是為了減小干擾，包括外界環(huán)境對(duì)航天器的干擾以及不同儀器設(shè)備之間的互相干擾。接地和隔離是減小干擾的首選有效措施。應(yīng)當(dāng)接地的地方必須良好接地，接地不良有時(shí)比不接地后果更嚴(yán)重（產(chǎn)生更大干擾）；同樣，不應(yīng)當(dāng)接地的地方必須電隔離，以保證設(shè)備機(jī)殼、底板及器體結(jié)構(gòu)均不能作為直流電源或低頻信號(hào)的回流通路［3］。

歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)某航天器儀器設(shè)備沒有考慮接地設(shè)計(jì)，某次陰雨天飛行，云層靜電使計(jì)算機(jī)5V電源模塊擊穿，導(dǎo)致飛行任務(wù)失敗的案例。

4　接地設(shè)計(jì)

4.1接地設(shè)計(jì)原則

空間航天器接地也要形成等電位，為全航天器各個(gè)系統(tǒng)中電子設(shè)備電路提供統(tǒng)一的“參考地”。

航天器金屬結(jié)構(gòu)主體電容量較大，可為各電氣系統(tǒng)提供參考零電位，因此是航天器結(jié)構(gòu)接地系統(tǒng)的主要組成部分。應(yīng)當(dāng)靠近一次電源地線端，在航天器主結(jié)構(gòu)上選擇一個(gè)易于外部操作的單點(diǎn)接地點(diǎn)（Single Point Grounding，SPG）。該點(diǎn)在地面測(cè)試時(shí)引出地線單點(diǎn)接大地。一次電源地線端應(yīng)以最短距離和最低阻抗搭接到器體參考點(diǎn)。一、二次電源間應(yīng)有變壓器等隔離，其直流電阻應(yīng)大于1MΩ。

4.2一次地與二次地難以隔離的問題

航天器系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)過程中，遇到不同儀器設(shè)備之間的一次地和二次地隔離代價(jià)較高的難題。

如圖1所示，設(shè)備2對(duì)設(shè)備1發(fā)出控制指令，通過控制設(shè)備1中的磁保持繼電器線圈實(shí)現(xiàn)設(shè)備加斷電控制功能。磁保持繼電器線圈正端在設(shè)備1中接28V一次母線正端，磁保持繼電器線圈負(fù)端在設(shè)備2中與二次地連接在一起，違背了“全航天器一、二次電源間應(yīng)有變壓器等隔離，其隔離直流電阻應(yīng)大于1MΩ”的設(shè)計(jì)原則，破壞了一次電源單點(diǎn)接地的架構(gòu)。

另外設(shè)備2輸出的控制信號(hào)地、采集信號(hào)地和總線地均為二次地，在與其它設(shè)備連接的過程中也存在與一次地連一起，違背“全航天器一、二次電源間應(yīng)有變壓器等隔離，其隔離直流電阻應(yīng)大于1MΩ”接地設(shè)計(jì)原則的情況。

各類單機(jī)所有的輸入輸出接口均需要隔離設(shè)計(jì)，如圖2所示，為了符合接地“全航天器一、二次電源間應(yīng)有變壓器等隔離，其隔離直流電阻應(yīng)大于1MΩ”的設(shè)計(jì)原則，需要增加大量的隔離電路，而且增加串聯(lián)環(huán)節(jié)，可靠性降低，導(dǎo)致單機(jī)體積、重量大幅增加。

圖1　一次地和二次地不隔離示意圖

圖2　一次地和二次地隔離示意圖

圖3　指令母線技術(shù)

4.3指令母線技術(shù)解決思路

通過設(shè)置專用的指令母線，如圖3所示，設(shè)備2中的指令母線地與設(shè)備1中的二次地連接在一起，由總體頂層設(shè)計(jì)保證指令母線地與一次電源地之間隔離，這樣符合“全航天器一、二次電源間應(yīng)有變壓器等隔離，其隔離直流電阻應(yīng)大于1MΩ”的設(shè)計(jì)原則。

指令母線方案與各類單機(jī)隔離方案設(shè)計(jì)對(duì)比情況見表1。

通過表1可以看出，當(dāng)單機(jī)設(shè)備數(shù)量超過4個(gè)以上時(shí)，指令母線方案在質(zhì)量、體積、功耗等各個(gè)對(duì)比項(xiàng)目中均占優(yōu)勢(shì)。由此可以得出結(jié)論，指令母線方案適用于單機(jī)數(shù)量較多，接口關(guān)系復(fù)雜的航天器。

指令母線與一次電源通過總體頂層隔離設(shè)計(jì)，為各類單機(jī)統(tǒng)一提供指令模塊用電，有效地解決了隔離代價(jià)較大的問題，同時(shí)規(guī)范了系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)，為航天器提供了較好的電磁環(huán)境。

4.4驗(yàn)證效果

儀器設(shè)備眾多的某航天器成功應(yīng)用指令母線技術(shù)，整器通過電磁環(huán)境試驗(yàn)以及各項(xiàng)大型地面試驗(yàn)，驗(yàn)證了通過指令母線技術(shù)解決不同儀器設(shè)備之間一次地和二次地隔離代價(jià)大問題的有效性。

5　結(jié)論

通過采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)指令母線，解決了全航天器一、二次電源間隔離代價(jià)高的問題。該技術(shù)可以在儀器設(shè)備超過4個(gè)以上的航天器設(shè)計(jì)中予以借鑒，具有重量輕、體積小、功耗低等優(yōu)勢(shì)。指令母線技術(shù)為航天器系統(tǒng)頂層接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了有力指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

［1］呂俊霞.電氣系統(tǒng)的接地方法和要求［J］.電子質(zhì)量，2008（2）：73-74.

［2］何宇，王林濤，張大鵬.一種載人航天器高壓供電系統(tǒng)接地方法［J］.航天器工程，2009（5）：54-60.

［3］洪展.電子設(shè)備的接地技術(shù)分析［J］.廣西氣象，2006（S1）：134-136.

表1　設(shè)計(jì)對(duì)比表

更 正

本刊2016年6月（下）劉赟《二次稱重技術(shù)在快速裝車站智能化改造中的應(yīng)用》一文署名單位“北京天地科技股份有限公司”應(yīng)為“天地科技股份有限公司”，特此更正！