可在轨维修的航天器配电系统的设计方法与流程

本发明涉及航天器配电系统设计领域，尤其涉及一种可在轨维修的航天器配电系统的设计方法。

背景技术：

航天器的研制和运行都具有高投入、高风险特点，但一般航天器在轨故障通常只是个别部件出问题，整器报废损失过大。美国和俄罗斯等航天强国早在20世纪60代.就开展了航天员在轨维修航天器方面的研究，目前已有多年的空间站在轨维护历史.对航天器的在轨维修积累了丰富的经验。我国在神舟飞船与天宫空间实验室的载人交会对接任务中，也成功开展了航天器设备的在轨更换维修试验。随着航天器对高可靠、长寿命方面的要求越来越高，航天器的各部件能否在轨维修日益受到关注。

配电系统作为航天器的重要组成部分，为整器提供能量传输与控制，决定了航天器能否正常执行飞行任务，其寿命长短也直接决定了航天器的寿命，统计近年来国外航天器公布的527个在轨故障，供配电系统的故障约占14％，属于故障高发区域。通过研究分析航天器配电系统的故障均属于严重甚至灾难等级的，因此航天器配电系统的可靠性要求极高，目前多是通过提高元器件可靠性指标等手段来满足高可靠性的要求。若能对配电系统进行一定的维修性设计，通过在轨维修降低其故障严酷度等级，整个航天器的可靠性也会随之提高，甚至达到整个航天器延寿的目的。

配电系统包括配电器和供电电缆网，供电电缆网的在轨故障率很低，故障模式包括短路和断路两种模式，一般可通过导线选型、电连接器接点排布和多点多线从设计上避免。而配电器作为单机设备，相对于电缆网故障模式更多，一台配电器的故障意味着某一区域的负载设备可能无法正常工作，相应的航天器可能无法完成某项任务。随着配电器设计生产水平的不断提高，例如冗余配电、高可靠开关、高精度传感器的应用等，使得配电器的故障容错率也已经达到了很高水平，但这些新技术多是从提高单机可靠性和性能的角度出发，若能从在轨维修的角度出发，综合使用这些手段进行配电系统设计，将极大提高整个航天器的可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种可在轨维修性的航天器配电系统的设计方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种基于可维修性的航天器配电系统设计方法，包括以下步骤：

a.设计具备故障诊断功能并且定位故障位置的航天器配电系统；

b.将定位到的故障设备断电隔离；

c.对航天器配电系统进行维修安全性设计。

根据本发明的一个方面，在所述a步骤中，通过fmea分析，在配电器软硬件上设置遥测参数和指令，进行故障诊断及定位，保证当故障发生时能迅速的定位至故障设备。

根据本发明的一个方面，在所述b步骤中，识别航天器的最小工作模式，并对所述最小工作模式中的关键负载设备进行冗余配电设计，用于关键负载设备的切换使用。

根据本发明的一个方面，在执行所述b步骤前，需保证航天器中其他最小功能的系统的下端无所述最小工作模式中的所述关键负载设备。

根据本发明的一个方面，在执行所述b步骤前，需保证对航天器中其他最小功能的系统的下端的关键设备的供电已切换至配电系统中工作正常的配电设备。

根据本发明的一个方面，在所述c步骤中，在所述航天器配电系统的配电器的输入端和输出端设置用于控制系统中电缆通电或者断电的控制开关。

根据本发明的基于可维修性的航天器配电系统设计方法，是以航天器配电系统的一个基本单元为例，从在轨维修的角度出发，对配电系统基本单元中的每个环节进行了优化设计，提出了实现在轨维修的改进拓扑，并对其工作模式进行了分析。提出的维修性设计方法能够从系统工程的角度对航天器系统设计进行优化，按设计要点提前规划平台资源使用情况，从而实现配电系统维修性与平台资源使用之间的平衡，对航天器配电系统可维修性设计具有一定借鉴意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性表示航天器配电系统基本单元组成图；

图2示意性表示优化后的配电系统基本单元拓扑图；

图3示意性表示根据本发明的基于可维修性的航天器配电系统设计方法的流程图；

图4示意性表示航天器配电系统配电器输入输出端开关设置图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

实际上，航天器配电系统能否能在轨维修，取决于其设计状态，包含故障诊断与定位、能否将故障设备断电隔离、维修安全性等多个方面。本发明首先将航天器的配电系统简化至一个基本单元，这个基本单元实现了配电系统传输电能的基本功能，如图1所示。图1中配电器接收电源系统提供的电能，在多级配电体制中也可能是接收上一级配电器提供的电能，经汇流条扩充为多路后送至各负载设备，根据负载设备电压需求情况配电器内部会设置电源变换模块。航天器的配电系统均可分解为此基本单元。

航天器在轨飞行间，当配电系统发生故障或配电设备定期检修时，从图1中的基本单元自身看，配电器仅一台，若负载中含姿轨控、热控等关键单机，则始终无法断电维修；但从整个配电系统的角度来说，若设置了多台配电器，设计时又考虑负载设备的冗余配电，则可以通过切换备份供电通道实现故障隔离，从而进行在轨维修。具体而言，在本发明中，配电系统基本单元若要实现在轨维修需要改进几个方面：①通过fmea分析，设置合理足够的遥测参数、指令等，实现对配电系统的故障诊断及定位；②通过对配电通道的优化配置，特别是航天器最小工作模式下的设备必须进行冗余配电，实现配电单机发生故障时可隔离；③通过对配电通道上下游设置开关等控制电路，保证航天员操作安全。其中，①和③通过配电单机的优化设计实现，②通过配电拓扑的优化设计实现，进行以上3个方面设计后的配电系统拓扑结构如图2所示。

从优化后的拓扑图(图2)可以看出，如果其中的配电器发生故障需要进行在轨维修，则依次通过切换关键负载供电通道、断开上下游设备供电等操作隔离故障配电器，之后的维修程序与一般设备维修一致。可以说优化后的配电系统基本单元通过单机和系统两个层面的设计已经具备了在轨可维修性。对于复杂的航天器，在配电系统论证之初就可以将其分割为若干个配电系统基本单元，对每个基本单元采用上述设计方法，不同基本单元之间的备份配电器从系统性的角度视情况可合并，并从质量、功耗、冗余度等多个方面进行综合考量及优化，从而达到整个配电系统可维修性的最优设计。

图3示意性表示根据本发明的可在轨维修的航天器配电系统的设计方法的流程图。如图3所示，根据本发明的可在轨维修的航天器配电系统的设计方法包括以下步骤：

a.设计具备故障诊断功能并且定位故障位置的航天器配电系统；

b.将定位到的故障设备断电隔离；

c.对航天器配电系统进行维修安全性设计。

根据本发明的一种实施方式，航天器配电系统的在轨维修，首先应能将故障定位在某台配电器，因此要求配电系统具有故障诊断功能。故障诊断就是判断系统是否发生故障，并定位故障位置，识别故障大小和发生的时间等。当前航天器的在轨监视仍然是传统方式，即采集的遥测数据由计算机进行处理给出独立的计算结果和越限报警，对航天器状态的综合判断和故障识别仍需要人工来完成。随着计算机智能化程度越来越高，故障诊断渐渐发展为自主健康管理的一部分，其诊断过程最终会完全由计算机完成。但无论人工还是计算机，其进行故障诊断的输入信息均为航天器的关键遥测信息和预想的故障模式，因此实现配电系统故障诊断功能，关键是确保其关键信息的可测试性和故障模式的完整性。

由航天器配电系统的基本单元可知，航天器配电系统由配电器(含电源变换器、功率开关等)和电缆组成。配电器一般均设置传感器来监测电压电流，功率通道的开关状态也是通过遥测参数来监测，这些遥测参数可以是硬线遥测，也可以通过总线传输的方式送至监视页面，通过对这些参数的监视判读来确定配电系统的工作状态。较高级的配电器设置了显示其内部程序是否工作正常的状态标志位，通过对该标志位的判读便可以迅速断定工作是否正常。

当监测到故障发生时，若按既定故障预案直至断开负载设备仍无法排除异常现象，则基本可以确定配电器异常，需要使用备份配电设备，将故障设备暂时隔离，并择机开展在轨维修。在配电系统的各类故障模式中，凡是故障或处置措施与功率通道开关相关的故障模式，其在轨维修的可能性需要具体情况具体分析，但最终的判定标准均为所维修的配电器能否断电。

综上所述，实现配电系统的在轨维修，首先需要通过fmea分析，在配电器软硬件上设置足够数量遥测参数(配电器的遥测参数包括电压、电流、开关通断状态等参数)和指令，进行故障诊断及定位，确保当故障发生时能迅速的定位至故障设备。

根据本发明的一种实施方式，当定位至某台配电单机发生故障后，进行维修前，应将故障设备进行隔离，避免故障蔓延造成更大危害。配电系统是航天器的能源网络，配电器通常处于长期开机工作的模式下，不能轻易断电隔离，即使是在轨维修期间，航天器的能源信息等关键功能仍需正常工作，不可丧失。因此配电系统的在轨维修设计要考虑其维修时仍能提供整个航天器的基本工作所需电能，从安全性的角度出发，维修时也仅能提供航天器最基本功能所需电能，避免大功率负载下进行在轨维修产生危险。这就需要进行航天器最小工作模式的识别。

在本发明中，最小工作模式即维持航天器在轨运行所需开机工作的设备的最小范围，包括姿轨控设备、供电设备、遥测遥控设备和热控设备，断电隔离时需通过切换备份保证这些关键设备正常运转。

航天器应具有的最小功能一般包括以下几个系统：①姿态轨道控制系统：保证航天器在轨姿态稳定；②热控系统：保证设备工作所需要的热环境；③能源系统：保证平台最小负载下工作设备电能供应；④信息系统：保证工程遥测以及数管遥测数据下行。在这4类系统中，除能源系统外，其余3类均需接收配电系统提供的电能，在对配电系统中故障配电器断电隔离前，应保证其下端(即下游负载设备)无上述最小工作模式中的关键设备，或者有关键设备但供电已切换至其余配电器。因此，要对最小工作模式下的关键负载设备进行冗余配电设计，在本实施方式中，由2台配电器进行主备份供电，且关键负载设备的供电均有开关控制。这样，当进行配电器的在轨维修时，可以首先将故障设备下的关键负载切至由另一台配电器供电，之后断开原供电通道，可以实现故障配电器的断电隔离。

因此，对于前文中的配电系统基本单元，要实现在轨维修，需要设置一台配电器负责最小工作模式关键设备的供电，单独设置的配电器可按最小工作模式的功率设计，且平时处于冷备份状态，以减少对整个航天器质量和功耗的影响。若该航天器有多台配电器，可通过相互备份供电实现。

根据本发明的一种实施方式，配电系统的维修类似于地面配电站的供电线路检修，对航天员来说具有一定的危险性，因此要进行安全性方面的设计。航天器的配电系统一般位置较为隐蔽，周围环境复杂，带电设备及电缆繁多，因此需要对带电尤其是高压设备和电缆进行明显标示，以警示航天员注意安全。

维修时的电缆带电插拔问题是配电系统维修性设计的重点，对于供电电缆，绝不可以进行带电操作，此类安全隐患可以通过在配电器的输入端及输出端设置开关避免，如图4所示。理论上分析，当2个开关断开后，供电通道上均不存在电流回路，且输入输出开关位于配电器的最前端与最末端，不会对配电器内部电路造成影响。在条件允许的情况下，应尽量在上游设备的输出端设置开关，下游关键负载设备的主备份供电隔离设计，且在维修前可通过遥测参数判断设备已断电，从而保证所操作电缆完全断电。

输出端设置开关的原因为防止由于负载设备，特别是关键负载设备，维修时仍然带电工作，其与故障配电器所连接插件仍然带电，可能在插拔过程中对故障配电器造成进一步损伤甚至打火等问题，通过设置开关，且关键负载设备主备份供电隔离设计的双重措施，切断了电流通路，避免了此类隐患。

设备电缆断开后，在维修完毕前，电缆悬空，应及时套上防静电护袋，避免因电连接器裸露进入多余物。在进行配电系统的在轨维修期间，整器禁止一切其它操作，防止对维修造成影响。

根据本发明的可在轨维修的航天器配电系统的设计方法，是以航天器配电系统的一个基本单元为例，从在轨维修的角度出发，对配电系统基本单元中的每个环节进行了优化设计，提出了实现在轨维修的改进拓扑，并对其工作模式进行了分析。提出的维修性设计方法能够从系统工程的角度对航天器系统设计进行优化，按设计要点提前规划平台资源使用情况，从而实现配电系统维修性与平台资源使用之间的平衡，对航天器配电系统可维修性设计具有一定借鉴意义。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。