CN111301716B - 一种多级运载火箭的供配电*** - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种多级运载火箭的供配电***，多级运载火箭的两端分别采用独立的电池供电。本申请结合多级运载火箭级数多、长度长的特点，采用两端供电的方式，减轻供配电***的重量，减重幅度不少于30％。

Description

一种多级运载火箭的供配电***
技术领域
本申请涉及火箭技术领域，具体涉及一种多级运载火箭的供配电***。
背景技术
我国运载火箭主要以液体运载火箭为主，随着近些年来微小卫星的快速发展，以及对火箭快速响应的需求日益增加，固体运载火箭逐渐登上历史舞台，发射次数逐渐增多。固体运载火箭由于受发动机比冲和工作时间的限制，一般需要采用四级发动机串联设计才能实现可观重量有效载荷的入轨。
对于固体运载火箭的供配电***，目前大多采用集中式供电，集中式供电方式多由两级甚至单级导弹演化而来，但是对于需要采用四级发动机的固体运载火箭来说，则略显得力不从心，尤其对于远距离的瞬时大电流需求，由于线路较长，电阻较大，从而导致压降过大，为了保证较小的压降，则需要加粗导线或者增加并联导线的数量，而这将大大增加箭上电缆网的重量。
另外，现有的供电方式中，并不区分用电负载类型，即将稳态用电负载和瞬时用电负载采用同一块电池供电，这种供电方式对于飞行时间很短的舱段并没有太大问题，然而由于不同卫星的发射需要，运载火箭的上面级可能需要飞行很长的时间，而电池随着用电时间的增长，其大电流放电能力会下降，对于锂电池来说尤其明显，从而降低了瞬态大电流用电负载的工作可靠性。为了保证工作的可靠性，现有措施往往是采用增大电池容量的方法，而这将大大增加上面级电池的重量，降低有效载荷的运载能力。
发明内容
本申请的目的在于提供一种多级运载火箭的供配电***，结合多级运载火箭级数多、长度长的特点，采用两端供电的方式，减轻供配电***的重量，减重幅度不少于30％。
本申请提供了一种多级运载火箭的供配电***，多级运载火箭的两端分别采用独立的电池供电。
其中，优选地，多级运载火箭包括一级仪器舱、二级仪器舱、三级仪器舱、四级仪器舱以及头部，一级仪器舱和二级仪器舱的所有用电负载采用第一电池供电，三级仪器舱、四级仪器舱以及头部的所有用电负载采用第二电池供电。
其中，优选地，多级运载火箭包括一级仪器舱、二级仪器舱、三级仪器舱、四级仪器舱以及头部，一级仪器舱和二级仪器舱的所有负载采用第三电池供电，三级仪器舱、四级仪器舱以及头部的感性负载和瞬时脉冲负载采用第四电池供电，三级仪器舱、四级仪器舱以及头部的阻性负载采用第五电池供电。
其中，优选地，第五电池通过配电器为多个阻性负载供电，配电器内安装有多个固态开关，每个固态开关与一个阻性负载连接；配电器采用分时上电方式控制多个固态开关，使多个阻性负载逐步上电。
其中，优选地，配电器通过数字总线控制多个固态开关进行分时上电。
其中，优选地，瞬时脉冲负载的正端和负端均设有开关；发射时刻，瞬时脉冲负载的负端开关接通。
其中，优选地，所有瞬时脉冲负载的负端开关由多级运载火箭的总控制器统一控制。
其中，优选地，瞬时脉冲负载上设置有测试电路，测试电路包括串联在一起的为瞬时脉冲负载供电的电池、光耦合器、电阻以及瞬时脉冲负载的负端开关。
其中，优选地，多级运载火箭包括一级仪器舱、二级仪器舱、三级仪器舱、四级仪器舱以及头部，一级仪器舱和二级仪器舱的用电负载包括阻性负载和瞬时脉冲负载，三级仪器舱、四级仪器舱以及头部的用电负载包括阻性负载、感性负载以及瞬时脉冲负载，阻性负载包括计算机设备、惯性敏感设备、测量设备、伺服机构；一级仪器舱和二级仪器舱的瞬时脉冲负载、计算机设备、惯性敏感设备以及测量设备采用第六电池供电；三级仪器舱、四级仪器舱以及头部的感性负载和瞬时脉冲负载采用第七电池供电，三级仪器舱、四级仪器舱以及头部的计算机设备、惯性敏感设备、测量设备采用第八电池供电；一级仪器舱、二级仪器舱、三级仪器舱和四级仪器舱的伺服机构分别采用独立的高压伺服热电池供电。
本申请的有益效果如下：
1、本申请结合多级运载火箭级数多、长度长的特点，采用两端供电的方式，减轻供配电***的重量，减重幅度不少于30％。
2、本申请根据不同负载的特性划分供电电池，需要长时间工作且要瞬时大电流用电的负载与稳态阻性负载采用不同的电池单独供电，最大程度上充分利用电池的容量，确保供电***的安全性和可靠性。
3、本申请对于同一供电电池上的多个阻性负载采用分时上电的策略，减少对配电器件的损伤，提高配电器件使用寿命。
4、本申请的瞬时脉冲负载的负端设有开关，发射时刻通过测试电路对瞬时脉冲负载的接通状态进行测试，确保了瞬时脉冲负载的点火电路的安全性。
5、本申请用热电池为伺服机构供电，热电池可任意角度激活、工作，适于伺服机构的多角度运动。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例一提供的供配电***结构图；
图2是本申请实施例二提供的供配电***结构图；
图3是本申请实施例三提供的供配电***结构图。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
多级运载火箭的用电负载主要包括计算机设备、惯性敏感设备、伺服机构、姿态控制设备、测量设备、电动分离装置和火工品等共七类，其中计算机设备包括飞控机和各级控制器等，姿态控制设备包括姿控、轨控、滚控等设备。
这七类用电设备可以分为三大类：阻性负载、感性负载和瞬时脉冲负载。其中，阻性负载包括计算机设备、惯性敏感设备、伺服机构、测量设备，感性负载包括姿态控制设备和电动分离装置，瞬时脉冲负载主要指火工品。
由于多级运载火箭的长度大，长距离供电会造成压降较大，因此本申请中，多级运载火箭的两端分别采用独立的电池供电，以降低供电线缆的长度，提高可靠性的同时降低电缆网的重量。
本申请中，优选地，电池为锂电池。
如下以四级固体运载火箭为例进行说明。四级固体运载火箭包括一级仪器舱、二级仪器舱、三级仪器舱、四级仪器舱以及头部，一级仪器舱和二级仪器舱的用电负载包括阻性负载和瞬时脉冲负载，三级仪器舱、四级仪器舱以及头部的用电负载包括阻性负载、感性负载以及瞬时脉冲负载。
实施例一
图1是本申请实施例一提供的供配电***结构图。如图1所示，一级仪器舱和二级仪器舱的阻性负载和瞬时脉冲负载均采用同一块电池-二级锂电池供电，三级仪器舱、四级仪器舱以及头部的阻性负载、感性负载以及瞬时脉冲负载均采用同一块电池-头部锂电池供电。
相比于现有技术，本实施例降低了供电线缆的长度，提高了运载火箭的可靠性的同时降低了电缆网的重量。
实施例二
图2是本申请实施例二提供的供配电***结构图。如图2所示，一级仪器舱和二级仪器舱的阻性负载和瞬时脉冲负载均采用同一块电池-二级锂电池供电，三级仪器舱、四级仪器舱以及头部的阻性负载采用同一块电池-第一头部锂电池供电，三级仪器舱、四级仪器舱以及头部的感性负载和瞬时脉冲负载采用同一块电池-第二头部锂电池供电。
火箭头部舱段飞行时间较长，锂电池长时间工作后提供脉冲电流时会带来更为严重的电压“低头”现象，可能对其它用电设备产生影响。具有电感特性的电磁线圈等感性负载会因电流突变而产生电磁脉冲干扰信号，这些电磁干扰信号瞬时电流大，但是作用时间短，能量低，会对电子元器件正常工作产生影响，但不足以电爆火工品。
因此，使用同一块电池为瞬时电流大、作用时间短的感性负载和长时间工作的瞬时脉冲负载供电，另一块电池为阻性负载供电，最大程度地保证了阻性负载工作电压的稳定和纯净，提高了***的可靠性。
多级运载火箭的用电负载大多集中在头部，配电器供电电流较大，尤其是上电瞬间脉冲电流更大。随着电磁干扰和防护需求的增加，很多用电负载的供电模块端加入了大量电容进行电磁滤波，进一步加大了上电的瞬时脉冲电流。
优选地，配电器内安装有多个固态开关，每个固态开关与一个阻性负载连接，并且配电器采用分时上电方式控制多个固态开关，使多个阻性负载逐步上电，以提高元器件的可靠性和使用寿命。
举例来说，将配电器的总电流分配给其控制的多个阻性负载，通过先后接通固态开关来控制多个阻性负载依次上电，以避免过大瞬时电流对继电器等电路器件的损伤。
进一步地，配电器通过数字总线控制多个固态开关进行分时上电。
优选地，瞬时脉冲负载的正端和负端均设有开关，总控制器统一控制瞬时脉冲负载的正端开关和负端开关，以保证瞬时脉冲负载的点火电路的安全性。在瞬时脉冲负载的点火过程中，总控制器同时控制瞬时脉冲负载的正端开关和负端开关。在接近发射时刻，瞬时脉冲负载的负端开关才接通。
进一步地，瞬时脉冲负载上设置有测试电路，以测试发射时刻瞬时脉冲负载的电路接通状态。
具体地，瞬时脉冲负载的测试电路是在其点火电路上增加了一个并联电路，瞬时脉冲负载的点火电路至少包括锂电池、瞬时脉冲负载及其正端开关和负端开关，锂电池、光耦合器、电阻以及瞬时脉冲负载的负端开关串联构成了测试电路，光耦合器的一端与负端开关和瞬时脉冲负载的负端连接在一起，光耦合器的另一端与电阻的一端连接，电阻的另一端与锂电池的正端连接。负端开关接通后，光耦合器导通，实现点火电路的测试。
实施例三
图3是本申请实施例三提供的供配电***结构图。如图3所示，一级仪器舱、二级仪器舱、三级仪器舱和四级仪器舱的伺服机构分别采用独立的热电池供电；一级仪器舱和二级仪器舱的瞬时脉冲负载和伺服机构外的阻性负载(即计算机设备、惯性敏感设备以及测量设备)采用同一块电池-二级锂电池供电；三级仪器舱、四级仪器舱以及头部的伺服机构外的阻性负载(即计算机设备、惯性敏感设备以及测量设备)采用同一块电池-第三头部锂电池供电，三级仪器舱、四级仪器舱以及头部的感性负载和瞬时脉冲负载采用同一块电池-第四头部锂电池供电。
热电池是一种熔融盐电解质贮备电池，在常温下电解质是不导电的固体，使用时通过撞击火帽或点燃电发火头，引燃单元热电池内部的烟火热源，使电解质熔融，激活热电池组。电池激活时间短(≦1.5s)，电池使用温度范围宽(-55～+85℃)，大电流脉冲放电能力强，贮存时间长，电池激活后需立即使用，可以任意角度激活、工作，特别适用于为电动伺服机构等高功率高电压箭上用电设备供电。
本申请的有益效果如下：
1、本申请结合多级运载火箭级数多、长度长的特点，采用两端供电的方式，减轻供配电***的重量，减重幅度不少于30％。
2、本申请根据不同负载的特性划分供电电池，需要长时间工作且要瞬时大电流用电的负载与稳态阻性负载采用不同的电池单独供电，最大程度上充分利用电池的容量，确保供电***的安全性和可靠性。
3、本申请对于同一供电电池上的多个阻性负载采用分时上电的策略，减少对配电器件的损伤，提高配电器件使用寿命。
4、本申请的瞬时脉冲负载的负端设有开关，发射时刻通过测试电路对瞬时脉冲负载的接通状态进行测试，确保了瞬时脉冲负载的点火电路的安全性。
5、本申请用热电池为伺服机构供电，热电池可任意角度激活、工作，适于伺服机构的多角度运动。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种多级运载火箭的供配电***，其特征在于，所述多级运载火箭的两端分别采用独立的电池供电；
所述多级运载火箭包括一级仪器舱、二级仪器舱、三级仪器舱、四级仪器舱以及头部，所述一级仪器舱和所述二级仪器舱的所有负载采用第三电池供电，所述三级仪器舱、所述四级仪器舱以及所述头部的感性负载和瞬时脉冲负载采用第四电池供电，所述三级仪器舱、所述四级仪器舱以及所述头部的阻性负载采用第五电池供电；
其中，阻性负载包括计算机设备、惯性敏感设备、测量设备；感性负载包括姿态控制设备和电动分离装置，瞬时脉冲负载指火工品；
所述一级仪器舱、所述二级仪器舱、所述三级仪器舱和所述四级仪器舱的伺服机构分别采用独立的高压伺服热电池供电。
2.如权利要求1所述的供配电***，其特征在于，所述多级运载火箭包括一级仪器舱、二级仪器舱、三级仪器舱、四级仪器舱以及头部，所述一级仪器舱和所述二级仪器舱的所有用电负载采用第一电池供电，所述三级仪器舱、所述四级仪器舱以及所述头部的所有用电负载采用第二电池供电。
3.如权利要求1所述的供配电***，其特征在于，所述第五电池通过配电器为多个阻性负载供电，所述配电器内安装有多个固态开关，每个所述固态开关与一个阻性负载连接；
所述配电器采用分时上电方式控制所述多个固态开关，使所述多个阻性负载逐步上电。
4.如权利要求3所述的供配电***，其特征在于，所述配电器通过数字总线控制所述多个固态开关进行分时上电。
5.如权利要求2所述的供配电***，其特征在于，所述瞬时脉冲负载的正端和负端均设有开关；发射时刻，所述瞬时脉冲负载的负端开关接通。
6.如权利要求1所述的供配电***，其特征在于，所述瞬时脉冲负载的正端和负端均设有开关；发射时刻，所述瞬时脉冲负载的负端开关接通。
7.如权利要求5或6所述的供配电***，其特征在于，所有瞬时脉冲负载的负端开关由多级运载火箭的总控制器统一控制。
8.如权利要求5或6所述的供配电***，其特征在于，所述瞬时脉冲负载上设置有测试电路，所述测试电路包括串联在一起的为所述瞬时脉冲负载供电的电池、光耦合器、电阻以及所述瞬时脉冲负载的负端开关。
9.如权利要求1所述的供配电***，其特征在于，所述多级运载火箭包括一级仪器舱、二级仪器舱、三级仪器舱、四级仪器舱以及头部，所述一级仪器舱和二级仪器舱的用电负载包括阻性负载和瞬时脉冲负载，所述三级仪器舱、所述四级仪器舱以及所述头部的用电负载包括阻性负载、感性负载以及瞬时脉冲负载，所述阻性负载包括计算机设备、惯性敏感设备、测量设备、伺服机构；
所述一级仪器舱和所述二级仪器舱的瞬时脉冲负载、计算机设备、惯性敏感设备以及测量设备采用第六电池供电；
所述三级仪器舱、所述四级仪器舱以及所述头部的感性负载和瞬时脉冲负载采用第七电池供电，所述三级仪器舱、所述四级仪器舱以及所述头部的计算机设备、惯性敏感设备、测量设备采用第八电池供电。
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