一種飛行器有效載荷接口擴(kuò)展裝置方案設(shè)計(jì)

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(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076)

0 引言

飛行器攜帶有效載荷執(zhí)行在軌任務(wù)，需為有效載荷提供必要的接口資源，目前有效載荷類(lèi)型多種多樣，例如天基對(duì)抗武器[1-2]、空間操控裝置[3-4]、遙感相機(jī)[5]、激光武器[6]等，每種有效載荷所需的接口資源各不相同，但飛行器能提供的接口資源有限，所以如何使飛行器利用有限的接口資源適應(yīng)多種類(lèi)型的有效載荷成為亟待解決的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，一種飛行器有效載荷接口擴(kuò)展裝置應(yīng)運(yùn)而生，利用飛行器有限的接口資源支持4種不同有效載荷正常工作。有效載荷接口擴(kuò)展裝置提供總線指令、數(shù)據(jù)通信、供配電等接口，根據(jù)不同有效載荷在軌分時(shí)工作的時(shí)序特性，充分利用飛行器接口資源，保證每種有效載荷順利執(zhí)行在軌任務(wù)，既增強(qiáng)了飛行器的技戰(zhàn)術(shù)能力，又豐富了飛行器的作戰(zhàn)手段。

1 組成及工作原理

有效載荷接口擴(kuò)展裝置屬于艙內(nèi)單機(jī)設(shè)備，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，由綜合電源單元A、綜合電源單元B、綜合管理單元A、綜合管理單元B、綜合接口單元、電源擴(kuò)展單元6個(gè)功能單元構(gòu)成。有效載荷接口擴(kuò)展裝置內(nèi)共設(shè)置三個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)接，分別定義為內(nèi)總線1、內(nèi)總線2和內(nèi)總線3。6個(gè)功能單元通過(guò)3條內(nèi)總線轉(zhuǎn)接相連，各功能單元與內(nèi)總線掛載情況見(jiàn)圖1所示。

圖1 各功能單元與內(nèi)總線掛載情況

所有功能單元都與內(nèi)總線1連接，綜合電源單元A、綜合電源單元B、綜合管理單元A、綜合管理單元B和綜合接口單元連接內(nèi)總線2，綜合電源單元A、綜合電源單元B和綜合接口單元連接內(nèi)總線3。

內(nèi)部關(guān)系及信息流設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 內(nèi)部關(guān)系及信息流設(shè)計(jì)示意圖

有效載荷接口擴(kuò)展裝置主要實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器綜合電子系統(tǒng)提供的一次電源進(jìn)行隔離變換和路數(shù)擴(kuò)展，以及為有效載荷提供LVDS、SpaceWire和RS422等數(shù)據(jù)傳輸接口，并將接收到的有效載荷數(shù)據(jù)通過(guò)與飛行器之間的1553B總線或LVDS接口轉(zhuǎn)發(fā)給飛行器綜合電子系統(tǒng)或GNC系統(tǒng)。

有效載荷接口擴(kuò)展裝置對(duì)外接插件共有22個(gè)，各接插件型號(hào)、功能、所屬功能單元如表1所示。

表1 有效載荷接口擴(kuò)展裝置對(duì)外接插件匯總

續(xù)表

代號(hào)型號(hào)功能定義所屬單元X17J6W-37C01JNMB擴(kuò)展控制電輸入X18J6W-78D02JNMB擴(kuò)展功率電輸入X19J599/26GC98SN擴(kuò)展火工品電輸入X20J6W-37C01JNMB擴(kuò)展控制電輸出X21J6W-78D02JNMB擴(kuò)展功率電輸出X22J599/26GC98SN擴(kuò)展火工品電輸出電源擴(kuò)展單元

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 綜合電源單元方案設(shè)計(jì)

綜合電源單元主要完成對(duì)飛行器提供的28 V一次電源進(jìn)行DC/DC隔離變換。飛行器給有效載荷接口擴(kuò)展裝置提供2路+28 V供電，同時(shí)有效載荷接口擴(kuò)展裝置自身也進(jìn)行供電備份設(shè)計(jì)，采取兩塊完全一致的電源模塊進(jìn)行冷備份設(shè)計(jì)，分別命名為綜合電源單元A、綜合電源單元B，其組成框圖如圖2所示。

圖2 綜合電源單元組成框圖

電源設(shè)計(jì)中，電源輸入濾波器(EMI)采用INTERPOINT公司的FMCE2803，電源變換器(DC/DC) 采用INTERPOINT公司的MTR2805SF。MTR2805SF提供+5 V變換輸出，DC/DC 電源變換器及電源輸入濾波器均為883級(jí)產(chǎn)品。

由于一次電源供電接口采取不可恢復(fù)的短路保護(hù)措施，一旦負(fù)載短路，需要在短時(shí)間內(nèi)切斷負(fù)載保護(hù)一次電源，所以保險(xiǎn)絲組采取雙熔斷器母線短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)，兩級(jí)繼電器并聯(lián)，兩組保險(xiǎn)絲并聯(lián)，可有效避免各種失效模式給飛行器電源系統(tǒng)帶來(lái)危害，其示意圖如圖3所示。電路選用兩只熔斷器(F1及F2)具有相同的額定電流值，在F2支路中串聯(lián)限流電阻R，限流電阻的阻值大于熔斷器直流阻值10倍以上，從而使F2支路具有較大的抗電沖擊能力。

圖3 雙熔斷器母線短路保護(hù)電路示意圖

熔斷器F1和F2選用上海松山電子RSG-I-FFA-10A(5A)，限流電阻選用上海松山電子RX81-1W-0.51Ω，兩路雙冗余供電情況下，如果一路短路會(huì)導(dǎo)致該路的熔斷器燒斷，不會(huì)影響另一路的正常工作。

另外，遙控開(kāi)關(guān)機(jī)繼電器組電路采取兩級(jí)繼電器并聯(lián)設(shè)計(jì)，其電路如圖4所示。

圖4 遙控開(kāi)關(guān)機(jī)繼電器組電路圖

一次電源輸入采用兩個(gè)磁保持繼電器1K1、1K2并聯(lián)控制，互為備份提高可靠性，繼電器控制電路采用了傳統(tǒng)衛(wèi)星上的成熟電路形式。

2.2 綜合管理單元方案設(shè)計(jì)

綜合管理單元主要完成有效載荷接口擴(kuò)展裝置與飛行器綜合電子系統(tǒng)和GNC系統(tǒng)的1553B總線通信，實(shí)現(xiàn)飛行器1553B總線指令的解析和總線數(shù)據(jù)的分類(lèi)處理。有效載荷接口擴(kuò)展裝置包含2個(gè)綜合管理單元，分別為綜合管理單元A、綜合管理單元B，2個(gè)綜合管理單元硬件上完全一致，其原理框圖如圖5所示。

圖5 綜合管理單元原理框圖

綜合管理單元由基于CPU和FPGA的內(nèi)嵌式軟件配合完成有效載荷數(shù)據(jù)的控制和管理。綜合管理單元A和綜合管理單元B各提供1路1553B接口，解析飛行器綜合電子系統(tǒng)發(fā)送的指令，并將FPGA處理的有效載荷數(shù)據(jù)通過(guò)1553B總線再回傳給飛行器，其中PROM用于存儲(chǔ)單片機(jī)程序，RAM用于緩存變量和參數(shù)。

綜合管理單元中的設(shè)備微處理器選用CPU芯片BSC80C32ERH為設(shè)備核心控制芯片，主要控制1553B芯片完成對(duì)飛行器綜合電子系統(tǒng)的總線數(shù)據(jù)收發(fā)處理以及任務(wù)計(jì)劃的執(zhí)行和管理。FPGA芯片選用反熔絲工藝A54SX72A系列芯片，主要和外圍電路共同完成與有效載荷的通信，將有效載荷的數(shù)據(jù)信息通過(guò)1553B總線上報(bào)給飛行器。

有效載荷接口擴(kuò)展裝置與飛行器的1553B接口芯片采用B65170S6RH，A總線接插件為SK621-0440-4P，B總線接插件為SK621-0440-4S。接口遵循MIL-STD-1553B標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)總線接口標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 綜合接口單元方案設(shè)計(jì)

綜合接口單元主要面向有效載荷提供LVDS、SpaceWire[7-8]、RS422等數(shù)據(jù)傳輸接口，采集有效載荷遙測(cè)信息，并提供與飛行器之間的1553B接口，接收飛行器的總線指令，以及與飛行器之間的LVDS接口，將有效載荷遙測(cè)信息發(fā)送給飛行器。

綜合接口單元的原理框圖如圖6所示。

圖6 綜合接口單元原理框圖

綜合接口單元提供一路與飛行器綜合電子系統(tǒng)的1553B接口，綜合接口單元將接收到的1553B總線數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后，通過(guò)內(nèi)總線2送給綜合管理單元A，該路1553B總線接口芯片的控制由綜合管理單元A完成。同時(shí)綜合接口單元提供另外一路與飛行器GNC系統(tǒng)的1553B接口，綜合接口單元將接收到的1553B總線數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后，通過(guò)內(nèi)總線2送給綜合管理單元B，該路1553B總線接口芯片的控制由綜合管理單元B完成。

綜合接口單元提供四路雙向RS422通信接口給有效載荷。一方面通過(guò)RS422接口將飛行器的控制指令發(fā)送給有效載荷；另一方面有效載荷數(shù)據(jù)通過(guò)RS422接口發(fā)送給綜合接口單元后，首先由綜合接口單元內(nèi)部的FPGA判斷其中哪一路信號(hào)有效，并將有效的RS422信號(hào)轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過(guò)內(nèi)總線1送給綜合管理單元A或綜合管理單元B，最后經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，利用與飛行器的1553B通道發(fā)送給飛行器綜合電子系統(tǒng)或GNC系統(tǒng)，兩路1553B通道的選擇由綜合管理單元解析飛行器發(fā)送的1553B指令來(lái)確定。

綜合接口單元提供四路LVDS接口接收有效載荷數(shù)據(jù)，提供兩路LVDS接口給飛行器發(fā)送有效載荷數(shù)據(jù)。有效載荷數(shù)據(jù)通過(guò)LVDS接口發(fā)送給綜合接口單元后，首先由綜合接口單元內(nèi)部的FPGA判斷其中哪一路信號(hào)有效，并將有效信號(hào)通過(guò)與飛行器的LVDS通道發(fā)送給飛行器綜合電子系統(tǒng)，與飛行器的兩路LVDS通道的選擇由綜合管理單元解析飛行器發(fā)送的1553B指令來(lái)確定。

綜合接口單元提供四路SpaceWire接口接收有效載荷數(shù)據(jù)。有效載荷數(shù)據(jù)通過(guò)SpaceWire接口發(fā)送給綜合接口單元后，首先由綜合接口單元內(nèi)部的FPGA判斷其中哪一路信號(hào)有效，并將有效信號(hào)通過(guò)與飛行器的LVDS通道發(fā)送給飛行器綜合電子系統(tǒng)。

2.4 電源擴(kuò)展單元方案設(shè)計(jì)

電源擴(kuò)展單元主要完成對(duì)飛行器綜合電子系統(tǒng)提供的可控配電路數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，滿(mǎn)足多路有效載荷供配電的需求，其原理示意圖如圖7所示。

圖7 開(kāi)關(guān)切換電路原理示意圖

目前控制電(28 V、5 A)由飛行器提供的3路擴(kuò)展至9路，功率電(28 V、20 A)由飛行器提供的2路擴(kuò)展至4路，火工品電(28 V、20 A、起爆時(shí)間80±10 ms)由飛行器提供的1路擴(kuò)展至2路，各路供配電的開(kāi)關(guān)切換由綜合管理單元A或綜合管理單元B解析飛行器綜合電子系統(tǒng)或GNC系統(tǒng)發(fā)送的1553B總線指令進(jìn)行切換控制。

擴(kuò)展后的所有控制電、功率電、火工品電的各路之間是相互對(duì)立的，如果出現(xiàn)某一路短路故障，熔斷器在短時(shí)間內(nèi)迅速燒斷，從而起到保護(hù)一次電源的作用，不會(huì)影響其它各路正常工作。

由于元器件老化等原因，可能存在繼電器失效的情況，從而會(huì)導(dǎo)致后續(xù)設(shè)備不能上電或斷電，電源擴(kuò)展單元通過(guò)元器件嚴(yán)格篩選，并采取了Ⅰ級(jí)降額設(shè)計(jì)的應(yīng)對(duì)措施，所以這種故障模式發(fā)生的概率很小。如果要進(jìn)一步提高擴(kuò)展后的每一路供配電支路的可靠性，可以在原有繼電器的基礎(chǔ)上，再并聯(lián)一個(gè)繼電器，但由于有效載荷擴(kuò)展裝置的體積、重量限制，此次未進(jìn)行繼電器并聯(lián)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

有效載荷接口擴(kuò)展裝置的外型示意圖如圖8所示，結(jié)構(gòu)殼體材料為硬鋁2A12，設(shè)計(jì)上在保證結(jié)構(gòu)剛度需求的前提下，選擇適當(dāng)?shù)臍んw厚度，盡量減輕設(shè)備重量，并采用模塊化設(shè)計(jì)，遵循產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)接口規(guī)范，采用統(tǒng)一的安裝接口、安裝技術(shù)要求、通用底板尺寸，其中模塊結(jié)構(gòu)框架只對(duì)與其它模塊結(jié)構(gòu)有接口的特征進(jìn)行統(tǒng)一尺寸約束，以及模塊結(jié)構(gòu)具有共性的特征進(jìn)行統(tǒng)一尺寸約束。

圖8 結(jié)構(gòu)外形示意圖

有效載荷接口擴(kuò)展裝置的各塊印制板材料均為環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板3240，各塊印制板根據(jù)功能劃分，印制板間通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)接插座進(jìn)行信號(hào)連接，每塊印制板分別固定于一個(gè)獨(dú)立框架上，并與框架構(gòu)成單一模塊的緊湊結(jié)構(gòu)，各模塊上下子口對(duì)接，再加以蓋板，利用穿釘將各模塊固定，并連接構(gòu)成統(tǒng)一的整體，拆卸維修方便靈活，可靠性高，且相同功能的模塊結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，模塊間互換性好，也可按功能需要調(diào)整模塊數(shù)量和組合方式，便于產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)殼體和印制板的材料特性參數(shù)如表2所示。

表2

4 結(jié)論

有效載荷接口擴(kuò)展裝置是銜接飛行器與有效載荷的橋梁，其設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了在飛行器有限的接口資源基礎(chǔ)上，能夠?yàn)?種有效載荷提供總線指令、數(shù)據(jù)通信、供配電等接口，確保有效載荷順利執(zhí)行在軌任務(wù)。目前能夠支持機(jī)械臂、小衛(wèi)星[9-10]、激光武器、偵查相機(jī)等有效載荷，并可根據(jù)有效載荷選型情況進(jìn)行能力再擴(kuò)展，達(dá)到了單個(gè)飛行器同時(shí)攜帶多種有效載荷的目的，間接降低了發(fā)射成本，并使飛行器戰(zhàn)斗能力更加多樣化，在飛行器有效載荷接口擴(kuò)展領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。