劉 浩，楊薇秀，朱元元，楊志遠，任 斌

航天器火工品點火電路誤觸發(fā)防護設計

劉 浩，楊薇秀，朱元元，楊志遠，任 斌

（北京航天長征飛行器研究所，北京，100076）

針對航天器火工品點火電路誤觸發(fā)防護設計要求，通過增加電路的噪聲抑制、脈沖干擾抑制及上電配置保護功能。提高了電路的抗電磁干擾能力和上電配置過程保護能力。仿真及試驗驗證表明該設計保證了航天器火工品點火的安全可靠。

火工品；航天器；點火電路；誤觸發(fā)；抗電磁干擾

可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性、環(huán)境適應性、電磁兼容性是航天產(chǎn)品重要“七性”設計要求。可靠和安全的設計是確保在勤務處理、測試、聯(lián)試、發(fā)射、飛行和長期貯存過程中人員和產(chǎn)品安全、任務成功的基礎要素。航天火工品是航天器的重要組成部分, 是較敏感的爆炸元件或裝置的總稱。其特點決定了火工品產(chǎn)品是系統(tǒng)安全性的最大風險源之一，使用中出現(xiàn)任何故障，都可能會危及人員和產(chǎn)品安全，導致任務失敗，甚至帶來災難性的后果。火工品點火電路是火工品激活的驅(qū)動源，其作用是產(chǎn)生一個幾安培至幾十安培的電流，電能通過一定阻值的橋絲轉(zhuǎn)換為熱能，加熱橋絲周圍的點火藥并起爆主裝藥[1]。在實現(xiàn)基本功能的基礎上，點火電路最重要的設計要求是在預定的點火時刻以外的任何情況下，不能因任何元器件和線路以及隨機因素等影響而誤觸發(fā)起爆火工品，導致危險事故產(chǎn)生，危及操作人員及航天器產(chǎn)品的安全，既火工品點火電路不該起爆時決不允許火工品起爆[2]。

目前，航天器火工品點火電路設計中大部分采用處理器+固體繼電器+限流電阻的設計方式，設計方式較為簡單，但存在兩個主要問題：一是電子產(chǎn)品在工作過程中會受到環(huán)境電磁干擾信號影響，干擾信號主要源于雷電放電、靜電放電、浪涌干擾、潛在的來自敵方的射頻發(fā)射源發(fā)射的能量，特別是電子戰(zhàn)等引起的瞬態(tài)脈沖干擾，形式多為欠壓或過壓噪聲，電路易受到這些噪聲影響產(chǎn)生誤操作；二是在電路上電過程中及處理器配置過程中，由于處理器處于不定態(tài)，其輸出狀態(tài)不可控。而點火信號輸出使用高壓（如+28V）電源，屬于一次電源，往往先于控制電路使用的低壓（如+5V）電源達到有效狀態(tài)。因此會導致固體繼電器輸出端高壓供電先于低壓控制信號建壓有效，在低壓電源建壓過程中及處理器配置過程中，點火控制信號為不定態(tài)，極易開啟固體繼電器，導致點火信號誤輸出。上述兩種工況會導致固體繼電器非正常導通，產(chǎn)生點火信號引爆火工品，極大影響系統(tǒng)及整個航天器飛行任務的成敗及參試人員的安全。本研究針對這兩個問題開展航天器火工品點火電路誤觸發(fā)防護設計。

1 傳統(tǒng)點火電路分析

傳統(tǒng)點火電路如圖1所示，由處理器發(fā)送低壓點火控制信號，此信號多為3.3V或5V的低壓TTL信號，高有效（或低有效，由具體電路決定），脈沖寬度幾十毫秒至幾百毫秒。固體繼電器可靠性高，抗力學環(huán)境能力強[2]，廣泛應用于點火信號驅(qū)動。在無點火控制信號時，固體繼電器處于斷開狀態(tài)，輸出端無“點火信號”輸出。

圖1中點火控制信號經(jīng)過1和1后控制固體繼電器輸入端1，控制固體繼電器在點火控制信號有效后處于閉合狀態(tài)。固體繼電器輸入端1經(jīng)過限流電阻3連通高壓+28V電源，電源電流經(jīng)過繼電器輸出端輸出“點火信號”。2為外部火工品裝置的橋絲內(nèi)阻，點火信號經(jīng)過火工品后回路至電源地，火工品通過大電流點火信號起爆。此電路對于噪聲干擾以及上電配置過程的不定態(tài)引起的誤觸發(fā)情況沒有保護措施，點火控制信號易誤產(chǎn)生并觸發(fā)固體繼電器閉合，從而誤產(chǎn)生點火信號。

2 改進設計

為保證航天器傳統(tǒng)火工品點火電路避免由于電磁干擾及上電配置過程導致誤觸發(fā)情況發(fā)生，對傳統(tǒng)點火電路進行設計改進。改進的點火電路主要由比較器、延時器、穩(wěn)壓二極管、MOS管、固體繼電器、電阻、電容等構(gòu)成。通過增加電路的欠壓噪聲抑制、脈沖干擾抑制及上電配置保護功能，提高電路的抗電磁干擾能力和上電配置過程保護能力，保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。主要措施包括：（1）通過設定基準電壓及比較器，保證電路中出現(xiàn)欠壓噪聲信號時，信號不會驅(qū)動后續(xù)電路。（2）通過濾波設計濾除脈沖干擾信號的影響，保證輸入給固體繼電器的控制信號是沒有毛刺的“干凈”信號，避免固體繼電器被誤導通。（3）通過延時器和MOS管設計保證在上電及處理器配置過程中點火信號輸出斷路，無輸出電流。

3 電路實現(xiàn)

針對導致航天器火工品點火電路的誤觸發(fā)影響較大的兩個因素，從3方面進行電路優(yōu)化設計：（1）欠壓噪聲抑制：對于固體繼電器輸入控制端的欠壓干擾信號進行抑制。（2）脈沖干擾抑制：對于正常電平信號進行脈沖干擾抑制，濾除脈沖毛刺干擾。（3）上電配置過程保護：在產(chǎn)品上電及控制器配置過程中，通過保護電路確保點火信號不輸出。

經(jīng)過優(yōu)化的航天器火工品點火電路如圖2所示。

圖2 優(yōu)化的火工品點火電路

圖2中TTL點火控制信號為處理器輸出（如DSP、FPGA或單片機等），其輸出電壓多為+3.3VTTL電平，可兼容+5VTTL電平。高脈沖有效，脈沖寬度一般為100ms量級。信號輸出時刻及脈沖寬度由軟件決定。

1為穩(wěn)壓二級管，經(jīng)過3及4電阻分壓后產(chǎn)生比較器1的基準輸入電壓，基準電壓值可通過3及4調(diào)整。1為點火控制信號的濾波電容。點火控制信號端如產(chǎn)生欠壓干擾噪聲，只要其不高于1的基準輸入電壓，則比較器1不會產(chǎn)生輸出電平，直到點火控制信號端產(chǎn)生有效的高脈沖TTL信號。欠壓噪聲抑制功能得以實現(xiàn)。

2為555延時器，在單穩(wěn)態(tài)工作模式下，555延時器作為單次觸發(fā)脈沖發(fā)生器工作。當觸發(fā)輸入電壓降至VCC的1/3時開始輸出脈沖。輸出的脈寬取決于由定時電阻與電容組成的RC網(wǎng)絡的時間常數(shù)[4]。當電容電壓升至VCC的2/3時輸出脈沖停止。根據(jù)實際需要可通過改變RC網(wǎng)絡的時間常數(shù)來調(diào)節(jié)脈寬。輸出脈寬，即電容電壓充至VCC的2/3所需要的時間為=1.1×2×6，此后2輸出變?yōu)楦唠娖讲⒈３帧Ｔ?輸出低電平的過程中N型MOS管1保持截止狀態(tài)，阻斷+28V電源到點火信號輸出的通路?？赏ㄟ^2和6的選擇保證為秒級，保證在上電及處理器配置過程中點火信號輸出端沒有電流輸出，實現(xiàn)上電配置過程保護功能。

為簡化電路的同時實現(xiàn)濾波功能，可通過1和1實現(xiàn)一階低通濾波，將正常電平范圍內(nèi)的脈沖干擾進行濾除。8為限流電阻，9為火工品裝置的橋絲電阻。

4 仿真及試驗驗證

使用電路仿真驗證工具對圖2所示電路進行仿真，驗證電路的3方面優(yōu)化設計是否滿足需求。

4.1 欠壓噪聲抑制仿真

1選擇了3.3V的穩(wěn)壓二級管IN4728A，3及4分別選擇1kΩ及2kΩ的電路進行分壓。1選擇了電壓比較器LM119，5選擇2kΩ作為1的輸出上拉電阻。理論上，當TTL點火控制信號大于2.2V時，1才能輸出+5V的高電平信號。建立上述電路仿真模型，進行仿真測試，欠壓噪聲抑制仿真結(jié)果見圖3，由圖3測試結(jié)果可見當TTL點火控制信號低于2.5V時，1輸出為低電平，實現(xiàn)了欠壓噪聲信號的抑制。實際使用中可以根據(jù)點火控制信號電平要求調(diào)整3及4阻值。

圖3 欠壓噪聲抑制仿真結(jié)果圖

4.2 脈沖干擾抑制仿真

由于本文中TTL點火控制信號特定為100ms左右的脈沖信號，因此1和1本別選擇了20Ω和750 nF。建立電路仿真模型，進行仿真測試，脈沖干擾抑制仿真結(jié)果見圖4，由圖4測試結(jié)果可見當TTL點火控制信號為30kHz以上的高頻脈沖信號時，1的輸入端已被濾波電路抑制至1.952V以下，無法驅(qū)動比較器1輸出高電平，實現(xiàn)了脈沖干擾信號的抑制。實際使用中可以根據(jù)點火控制信號脈寬要求調(diào)整1及1值。

圖4 脈沖干擾抑制仿真結(jié)果圖

4.3 上電配置過程保護仿真

2和6分別選擇1uF及10kΩ，2選擇555延時器，1選擇一款20A以上的N溝道增強型MOS管。建立電路仿真模型，進行仿真測試，測試結(jié)果見圖5。由圖5測試結(jié)果可見當上電后約11ms延時器輸出高電平，導通MOS管，即上電后11ms內(nèi)MOS管處于截止狀態(tài)，圖2所示的9端不會有點火電流流過，在上電11ms內(nèi)處理器配置過程中TTL點火控制信號不穩(wěn)定也不會輸出點火信號，實現(xiàn)了上電配置過程保護。實際使用中可以根據(jù)處理器上電配置所需時間要求調(diào)整2和6值。

圖5 上電配置過程保護仿真結(jié)果圖

4.4 試驗驗證

依據(jù)GJB 151B-2013[5]及GJB 3590-1999[6]要求對實物電路產(chǎn)品開展了電磁兼容性試驗，分別進行了CS101、CS106、CS114、CS115、CS116、RS103及ESD試驗，考核優(yōu)化后的點火電路在各種傳導、輻射及靜電放電電磁環(huán)境下，上電及工作過程中是否能有效避免點火電路誤觸發(fā)。通過監(jiān)測圖2中“點火信號輸出”波形，發(fā)現(xiàn)沒有異常信號輸出，說明電路設計實現(xiàn)了點火信號誤觸發(fā)防護功能。

5 結(jié)論

對傳統(tǒng)航天器火工品點火電路進行了改進設計，通過增加電路的欠壓噪聲抑制、脈沖干擾抑制及上電配置保護功能，提高了電路的抗電磁干擾能力和上電配置過程誤觸發(fā)防護能力，經(jīng)過仿真驗證及試驗測試，表明優(yōu)化后的點火電路滿足設計要求。

[1] 沈超,等.電容放電式火工品點火電路參數(shù)設計與仿真[J].航天返回與遙感,2011,32(1):67-73.

[2] 李靜海.艦載導彈火工品點火電路安全技術研究[J].國防技術基礎,2008(2):44-47.

[3] 杜光遠.固體繼電器在武器系統(tǒng)中的應用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,2015, 33(5) :28-31.

[4] 楊頌華,馮毛官,等.數(shù)字電子技術基礎[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[5] GJB 151B-2013軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量[S].國防科學技術工業(yè)委員會,2013.

[6] GJB 3590-1999 航天系統(tǒng)電磁兼容性要求[S].國防科學技術工業(yè)委員會,1999.

Error Trigger Protection Design of Spacecraft Initiator Ignition Circuit

LIU Hao, YANG Wei-xiu, ZHU Yuan-yuan, YANG Zhi-yuan, REN Bin

(Beijing Institute of Space Long March Vehicle，Beijing，100076)

According to the error trigger protection design requirements of spacecraft initiator ignition circuit, noise suppression, pulse interference suppression and power-on configuration protection functions of the circuit were designed, to improve the anti-electromagnetic and configuration protection ability. The simulation and test results indicated the designs guarantees the safety and reliability of spacecraft.

Initiator；Spacecraft；Ignition circuit；Error trigger；Anti-electromagnetic interference

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.04.005

1003-1480（2019）04-0019-04

2019-06-12

劉浩（1982 -），男，高級工程師，主要從事飛行器電氣系統(tǒng)設計研究。