CN115729154B - 一种低成本运载火箭分离体落区控制电气系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低成本运载火箭分离体落区控制电气系统，包括：包括火箭控制总线、末级供电电池模块、设置于分离体的伺服电源，还包括设置于分离体的尾段控制器、分离体落区控制总线以及分离体落区控制单机惯测组合、采编器、数据记录装置。本发明的低成本运载火箭分离体落区控制电气系统及方法，具备高可靠、低成本、易实现、可选配、模块化的特点。

Description

一种低成本运载火箭分离体落区控制电气系统

技术领域

本发明属于运载火箭落区控制技术领域，具体涉及一种低成本运载火箭分离体落区控制电气系统。

背景技术

随着商业航天的蓬勃发展，固体运载火箭凭借快速发射、成本低，任务适应性好的优势，逐渐成为微小卫星组网发射的主力军。但随着国内经济发展，安全的落区越来越少，在任务设计中往往为了调整安全落区不得不牺牲宝贵的运载能力，甚至某些任务因为落区难以协调，给发射任务带来额外的困难，运载火箭的残骸落区安全性已成为制约发射任务的重要因素。目前在役的固体运载火箭均没有进行分离体的落区控制，各级分离后，分离体处于完全不受控状态，落区范围通常在长宽各几十公里的范围内。有的固体运载火箭一级采用安装在尾段的栅格舵进行姿态控制，直接借用起飞主动段所用的四片栅格舵，即可以较小的代价实现一级分离体的落区控制。商业运载火箭要在商业发射市场上生存，成本必须有竞争力，如何以较低代价实现分离体的落区控制，硬件产品做到根据任务需要即插即用，通过软件定义火箭，成为商业运载火箭亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种低成本，高可靠、可选配、易实现的分离体落区控制电气系统，根据飞行任务的需要通过选配电气单机的方式实现分离体的落区控制，在不影响火箭主动段飞行的前提下，将分离前和分离后的电气系统完全隔离，以较低代价实现运载火箭分离体的落区控制。有些任务落区安全性满足要求，勿需对分离体进行落区控制，可随时取消落区控制硬件单机产品，以节省火箭成本。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种低成本运载火箭分离体落区控制电气系统，包括火箭控制总线、末级供电电池模块、设置于分离体的伺服电源，还包括设置于分离体的尾段控制器、分离体落区控制总线以及分离体落区控制单机惯测组合、采编器、数据记录装置；

所述尾段控制器包括设置有第一核和第二核的双核处理器，其中第一核在分离体分离前的飞行段使用，通过火箭控制总线接收(箭载计算机发来的)舵控指令，根据舵控指令，发出脉宽调制舵控信号，完成舵机闭环控制；第二核在分离体分离后落区控制段使用，检测到分离体分离后，第二核启动落区控制飞行程序，完成导航、制导、稳定计算，向第二核发出舵控指令；处理器双核在物理上完全隔离，执行落区控制功能的第二核出现不可预知的故障时，对第一核没有影响，因此不影响分离前的火箭一级飞行段；

所述尾段控制器还包括伺服电源电压转分离体电气系统供电电压模块，由末级供电电池模块和伺服电源电压转分离体供电电压模块同时并联供电；

所述尾段控制器具有四个独立的总线接口，既连接于火箭控制总线，也连接于分离体落区控制总线，分离体落区控制单机均连接于分离体落区控制总线。

进一步地，火箭控制总线为两条完全独立的总线，且互为冗余热备份，用于分离前与火箭末级进行通信；落区控制总线为两条完全独立的总线，且互为冗余热备份，用于分离后各分离体落区控制单机(落区控制惯组、采编器、数据记录装置)的通信，四条总线在物理上完全隔离。

进一步地，所述末级供电电池模块和伺服电源电压转分离体供电电压模块供电线路上串接双冗余防反灌二极管。

进一步地，所述伺服电源电压转分离体供电电压模块为DC/DC电源模块。

进一步地，所述分离体预留与各分离体落区控制单机相连的电缆网电气接口，根据任务需要，予以选配；所述分离体落区控制单机包括惯测组合、采编器、数据记录装置。

进一步地，所述尾段控制器还包括飞行控制板、发射控制板、驱动板和功放板，其中所述飞行控制板搭载设置有第一核和第二核的双核处理器，还包括二次隔离电源模块、总线通信模块以及开关量输出模块，用于控制器自检，落区控制飞行段的制导、稳定计算，发出火箭紧急断电、复位指令，火工品时序控制回路自动测试，传感器信号测量，遥测数据编帧，与火箭末级、分离体、地面测发控设备进行通信；二次隔离电源模块是把输入的28v或24v电压转换成其他处理器芯片使用的5v或者3.3v电压；

发射控制板包括时序控制模块、火工品安全管制机构自动控制模块，用于伺服热电池的激活、多路火工品时序控制和发射前火工品管制机构的自动短路保护和解保护；

驱动板包括限流保护模块，完成伺服功率电流的限流保护和驱动控制；

功放板包括伺服电源电压转分离体供电电压模块，主要完成强弱电转换、伺服电机的控制和保护。

另一方面，本发明提供一种低成本运载火箭分离体落区控制方法，利用前述的低成本运载火箭分离体落区控制电气系统，包括如下步骤：

火箭起飞前，火工品管制机构自动解保护，尾段控制器发出伺服电源电池激活信号，伺服电源电池激活；

火箭起飞后，尾段控制器由火箭末级供电电池模块供电；尾段控制器通过火箭控制总线接收(箭载计算机)发出的舵控指令，根据舵控指令控制栅格舵偏转实现火箭姿态控制；

分离体分离后，尾段控制器自动切换到伺服电源电压转分离体供电电压模块供电，尾段控制器利用落区控制惯组敏感的分离体姿态、位置信息，控制分离体回落到目标落区。

本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明的低成本运载火箭分离体落区控制电气系统及方法，具备高可靠、低成本、易实现、可选配、模块化的特点。系统低成本、可选配主要体现在当发射任务落区安全，不需要进行分离体落区控制时，电气系统可直接去除落区控制相关电气单机，用于节省发射成本；当发射任务落区不安全，需要进行分离体落区控制时，即插即用。高可靠体现在分离体的落区控制与火箭主动段飞行控制完全隔离设计，不影响火箭主动段飞行的供电、通信等。本发明提供的分离体落区控制电气系统不仅适用于一级分离体的落区控制，二级分离体、三级分离体的落区控制同样适用。一级飞行和落区控制电气系统隔离，不影响火箭正常飞行。可根据任务需要即插即用，在电缆网上预留电气接口，任务适应性好。总之，做到了低成本化，硬件选配，软件定义火箭，尽可能利用一级飞行需要的尾段控制电气产品完成分离体落区控制。

附图说明

图1为分离体落区控制电气示意图；

图2为分离体落区控制流程图；

图3为双核处理器第一核和第二核功能划分示意图；

图4为分离体分离前后供电电源自动切换示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，均属于本发明保护的范围。

本发明的实施例以一级分离体的分离体落区控制为例，提供一种低成本运载火箭分离体落区控制电气系统。

目前常规的运载火箭一级电气系统安装在尾段，主要由电动伺服、尾段控制器、火工品管制机构、伺服电源160V电池组成，主要功能是接收箭载计算机的舵控指令，完成栅格舵偏转控制，进而对火箭进行姿态控制。一级电气系统弱电由火箭末级集中供电，尾段控制器作为一个控制节点挂载在控制系统总线上。要实现一级分离体落区控制的即插即用，需要解决四个问题，一是一级飞行段和落区控制飞行段电气系统的隔离问题，即增加落区控制功能不能影响火箭一级飞行；二是分离后的分离体的电气单机不能再由火箭末级供电电池模块供电问题；三是分离后分离体的电气单机的通信问题；四是如何低成本实现即插即用。

解决隔离问题的技术方案一是如图3所示，落区控制电气系统采用的尾段控制器双核处理器，双核分工不同，第一核(图1中的A核)主要完成一级飞行段所要使用的舵控功能，第二核((图1中的B核)主要完成落区控制功能，双核工作时间完全错开，火箭起飞到一级分离，主要使用处理器第一核，在第二核判断一级分离若干秒后，0.1-7s，作为一个实例取5s，第二核开始进行落区控制，并向第一核发送舵控指令。第二是采用了火箭控制总线和落区控制总线两套总线后，火箭一级分离前，仅使用火箭控制总线，一级分离后，才启用落区控制总线，挂载在落区控制总线上的惯测组合、采编器、数据记录装置等单机出现任何故障都不影响火箭控制总线的正常工作。

解决分离后分离体的电气单机不能再由火箭末级供电电池模块供电问题，设计了尾段由28v和24v双供电，分离前末级28v给尾段供电，分离后自动切换到伺服电源160V转24v模块给尾段继续正常供电工作；解决分离后电气单机的通信问题，一级分离后，启用落区控制总线通信；解决如何低成本实现即插即用的问题，采用火箭控制总线和落区控制总线两套总线，并在电缆网上预留有各单机电气接口，根据任务需要即插即用，用软件定义火箭功能；一级分离体的落区控制功能并非所有任务都需要，当任务落区不安全时才需要对分离体进行控制，根据任务需要仅增加一台惯组、一台采编器和数据记录装置便可进行落区控制，并能采集落区控制飞行段的遥测数据；全箭电气单机供电由末级的一块电池集中统一供电，降低了成本；尾段采用成本更低的一次性热电池供电，地面测试和一级飞行时一级分离体采用末级电源，分离后自动切换到热电池转化的24v电源供电，一级分离体不需要增加专用的28v电池，也降低了成本；如果飞行段和落区控制段共用一套总线，当任务不需要对落区进行控制，为节省成本拆掉落区控制惯组，则会破坏火箭控制总线的物理结构，影响主线任务，即不能做到即插即用。

具体通过如下的技术方案予以解决：

本发明的实施例提供的一种低成本运载火箭分离体落区控制电气系统，包括火箭控制总线、末级供电电池模块、设置于尾段的伺服电源，还包括增加设置于分离体的尾段控制器、分离体落区控制总线以及分离体落区控制单机包括惯测组合、采编器、数据记录装置；

尾段控制器包括设置有第一核和第二核的双核处理器，其中第一核在分离体分离前的飞行段使用，通过火箭控制总线接收(箭载计算机发来的)舵控指令，根据舵控指令，发出脉宽调制舵控信号，完成舵机闭环控制；第二核在分离体分离后落区控制段使用，检测到分离体分离后，第二核启动落区控制飞行控制，完成导航、制导、稳定计算，向第二核发出舵控指令；处理器双核在物理上完全隔离，执行落区控制功能的第二核出现不可预知的故障时，对第一核没有影响，因此不影响火箭一级飞行段；

尾段控制器还包括伺服电源电压转分离体供电电压模块，由末级供电电池模块和伺服电源电压转分离体供电电压模块同时并联供电；本实施例中伺服电源电压为160V，末级供电电池模块输出为28V，分离体供电电压模块输出为24V；

尾段控制器既连接于火箭控制总线，也连接于分离体落区控制总线，分离体落区控制单机均连接于分离体落区控制总线。

本发明提出的低成本运载火箭分离体落区控制电气系统，在火箭地面测试时，火箭控制总线和分离体落区控制总线可以完全分开测试，火箭起飞后，为落区控制新增的电气单机惯组、采编器、数据记录装置均不参与火箭飞行控制，供电回路、总线通信回路均与主动段飞行完全分开。

尾段控制器采用高性能双核处理器，其中第一核在一级飞行段使用，通过火箭控制总线接收箭载计算机发来的舵控指令，根据舵控指令完成舵机闭环控制，发出PWM舵控信号；第二核在落区控制段使用，检测到一级分离后，第二核启动落区控制飞行控制，完成导航、制导、稳定计算，向第二核发出舵控指令。处理器双核在物理上完全隔离，执行落区控制功能的第二核出现不可预知的故障时，对第一核没有影响，因此不影响火箭一级飞行段。

尾段控制器由火箭末级28V电源母线和160V转24V电源模块(可选配)同时并联供电，28V和24V供电线路上串接双冗余二极管，双冗余二极管起到防反灌的作用，一级分离前，28V供电经二极管后电压高于24V供电线路，24V供电线路不能供电，所以在分离前，尾段控制器实际仅由来自火箭末级的28V电源母线供电，双冗余二极管能保证28V电源不会对24V电源模块进行电流反灌，保护160V转24V电源模块。

一级分离后，28V电源母线断开，24V电源自动接续为尾段控制器供电，不需要转电过程。其中160V转24V电源模块可根据任务需要选配，160V电源来自为电动伺服供电的电池。该供电方案没有一级分离前的转电过程，一级分离前的28V电源母线供电、火工品电源母线供电均与火箭不增加落区控制时完全一致，不增加成本，因为一级飞行时也需要28V电源，加或不加落区控制功能都需要。

采用两套控制总线通信架构，包括火箭控制总线和落区控制总线，两套总线分属不同的总线网段。其中火箭控制总线Ⅰ(图1中的火箭控制总线1)、火箭控制总线Ⅱ(图1中的火箭控制总线2)互为冗余热备份，用于分离前与火箭末级进行通信；落区控制总线Ⅰ(图1中的落区控制总线1)、落区控制总线Ⅱ(图1中的落区控制总线2)互为冗余热备份，用于分离后分离体各电气单机的通信，四条总线在物理上完全隔离。尾段控制器作为火箭控制总线和落区控制总线的公共网络节点，一级分离前仅使用火箭控制总线，一级分离后才启用落区控制总线。

将箭上控制总线分为火箭控制总线和落区控制总线，在火箭全流程仿真测试过程中，可同时完成火箭主任务的全流程仿真和一级分离体落区控制的全流程仿真，使仿真过程更加真实、可靠。因为本发明采用了火箭控制总线和落区控制总线两套独立的总线网络，火箭在总装厂房内进行全流程仿真试验时，一级分离的脱插断开时，一级分离体的落区控制总线的物理结构不受影响，可以在火箭尾段旁边放置一台仿真机进行一级分离体落区控制的全流程仿真试验。在火箭末级旁边放置一台仿真机可以进行火箭主任务的全流程仿真试验，两个全流程仿真试验可以同时进行。

落区控制电气系统的电气单机惯组用于敏感一级分离体姿态、位置，提供给尾段控制器进行导航计算；采编器用于冲击、温度、压力等传感器的供电、信号调理；数据记录装置具备抗高过载、大冲击能力，能够记录火箭一级分离后的控制信息、传感器数据，用于事后数据分析。一级分离体预留与各电气单机相连的电缆网电气接口，根据任务需要，选配各电气单机(一台惯测组合、一台采编器、一台数据记录装置，还有尾段控制器里的一个160V转24V电源模块)。

尾段控制器作为一级分离体电气系统的核心单机，集成了伺服控制、落区控制等多种功能，由飞行控制板、测试发射控制板、驱动板和功放板组成。其中飞行控制板搭载一片高性能SIP芯片，尾段控制器挂在火箭控制总线上，在火箭一级分离前，处理器第一核接收箭载计算机的舵控指令，完成栅格舵控制，尾段控制器由火箭末级28V电源母线供电；一级分离后，火箭末级28V电源母线断开，尾段控制器转由160V转24V电源模块供电，无需切换过程。160V转24V电源模块采用DC/DC电源模块，输入电压DC100V～370V，输出电压DC24V，输出电流3A，该电源模块可根据任务需要选装。尾段控制器通过分离行程传感器和一级分离脱插分离信号确认一级分离，等待5s后，处理器第二核开始进行落区控制导航、制导、稳定计算，向第一核发出舵控指令，使用第一核的舵机闭环控制算法和栅格舵完成落区控制。

尾段控制器还包括二次隔离电源模块、总线通信模块以及开关量输出模块，用于控制器自检，落区控制飞行段的制导、稳定计算，发出火箭紧急断电、复位指令，火工品时序控制回路自动测试，传感器信号测量，遥测数据编帧，与火箭末级、分离体、地面测发控设备进行通信；二次隔离电源模块是把输入的28v或24v电压转换成其他处理器芯片使用的5v或者3.3v电压；发射控制板包括时序控制模块、火工品安全管制机构自动控制模块，用于伺服热电池的激活、多路火工品时序控制和发射前火工品管制机构的自动短路保护和解保护；

驱动板包括限流保护模块，完成伺服功率电流的限流保护和驱动控制；

功放板包括伺服电源电压转分离体供电电压模块，主要完成强弱电转换、伺服电机的控制和保护。

具体地，惯组由三轴光纤陀螺、三轴石英加表组成，主要完成姿态获取和加速度获取，通过落区控制总线为尾段控制器提供位置、姿态信息。

数据记录装置挂在落区控制总线上，具备防摔、防水、抗冲击等性能，通过总线接收存储测试控制信息，用于事后数据处理。

伺服电池可选用热电池，在火箭发射之前，由尾段控制器激活，电池激活后电解质由固体转化为热熔融态，电池进入放电状态，本实例选用的伺服电池工作寿命不低于800s。

火工品管制机构用于电池激活火工品控制回路的自动管制，火箭发射之前，通过内部电机转动，自动解除火工品控制线路短路保护，接通控制线路。

另一方面，本实施例还提供了基于本发明的低成本运载火箭分离体落区控制电气系统的控制方法，如图2所示。包括如下步骤：

火箭起飞前，火工品管制机构自动解保护，尾段控制器发出伺服电源电池激活信号，伺服电源电池激活；

火箭起飞后，尾段控制器由火箭末级供电电池模块供电；尾段控制器通过火箭控制总线接收(箭载计算机)发出的舵控指令，根据舵控指令控制栅格舵偏转实现火箭姿态控制；

一级分离体分离后，尾段控制器自动切换到伺服电源电压160V转分离体供电电压24V模块供电，尾段控制器利用落区控制惯组敏感的分离体姿态、位置信息，控制分离体回落到目标落区。

Claims (7)

1.一种低成本运载火箭分离体落区控制电气系统，包括火箭控制总线、末级供电电池模块、设置于分离体的伺服电源，其特征在于，还包括设置于分离体的尾段控制器、分离体落区控制总线以及分离体落区控制单机；

所述尾段控制器包括设置有第一核和第二核的双核处理器，其中第一核在分离体分离前的飞行段使用，通过火箭控制总线接收舵控指令，根据舵控指令，发出脉宽调制舵控信号，完成舵机闭环控制；第二核在分离体分离后落区控制段使用，检测到分离体分离后，第二核启动落区控制飞行程序，完成导航、制导、稳定计算，向第一核发出舵控指令；

所述尾段控制器还包括伺服电源电压转分离体供电电压模块，具有四个独立的总线接口，既连接于火箭控制总线，也连接于分离体落区控制总线，由末级供电电池模块和伺服电源电压转分离体供电电压模块同时并联供电；

所述分离体落区控制单机均连接于分离体落区控制总线。

2.根据权利要求1所述的低成本运载火箭分离体落区控制电气系统，其特征在于火箭控制总线为两条完全独立的总线，且互为冗余热备份，用于分离前与火箭末级进行通信；落区控制总线为两条完全独立的总线，且互为冗余热备份，用于分离后各分离体落区控制单机之间的通信，四条总线在物理上完全隔离。

3.根据权利要求1所述的低成本运载火箭分离体落区控制电气系统，其特征在于所述末级供电电池模块和伺服电源电压转分离体供电电压模块供电线路上串接双冗余防反灌二极管。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的低成本运载火箭分离体落区控制电气系统，其特征在于所述伺服电源电压转分离体供电电压模块为DC/DC电源模块。

5.根据权利要求1所述的低成本运载火箭分离体落区控制电气系统，其特征在于所述分离体预留与各分离体落区控制单机相连的电缆网电气接口，根据任务需要，予以选配；所述分离体落区控制单机包括惯测组合、采编器和数据记录装置。

6.根据权利要求1所述的低成本运载火箭分离体落区控制电气系统，其特征在于所述尾段控制器还包括飞行控制板、发射控制板、驱动板和功放板，其中所述飞行控制板搭载设置有第一核和第二核的双核处理器，还包括二次隔离电源模块、总线通信模块以及开关量输出模块，用于控制器自检，落区控制飞行段的制导、稳定计算，发出火箭紧急断电、复位指令，火工品时序控制回路自动测试，传感器信号测量，遥测数据编帧，与火箭末级、分离体、地面测发控设备进行通信；

发射控制板包括时序控制模块、火工品安全管制机构自动控制模块，用于伺服热电池的激活、多路火工品时序控制和发射前火工品管制机构的自动短路保护和解保护；

驱动板包括限流保护模块，完成伺服功率电流的限流保护和驱动控制；

功放板包括伺服电源电压转分离体供电电压模块，主要完成强弱电转换、伺服电机的控制和保护。

7.一种低成本运载火箭分离体落区控制方法，其特征在于利用根据权利要求1-6中任一项所述的低成本运载火箭分离体落区控制电气系统，包括如下步骤：

火箭起飞前，火工品管制机构自动解保护，尾段控制器发出伺服电源电池激活信号，伺服电源电池激活；

火箭起飞后，尾段控制器由火箭末级供电电池模块供电；尾段控制器通过火箭控制总线接收箭载计算机发出的舵控指令，根据舵控指令控制栅格舵偏转实现火箭姿态控制；

分离体分离后，尾段控制器自动切换到伺服电源电压转分离体供电电压模块供电，尾段控制器利用惯测组合敏感的分离体姿态、位置信息，控制分离体回落到目标落区。