陳恒智，程天然，周 垚，儀德英

（中國(guó)空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部,北京100094）

0 引言

航天器上的火工品通常是用來解鎖太陽翼帆板、推進(jìn)電爆閥、機(jī)械臂等重要設(shè)備的,其工作原理是火工品中的火藥受外界刺激后引爆,驅(qū)動(dòng)切割器等裝置解除設(shè)備上的保險(xiǎn),起到使壓緊的機(jī)構(gòu)展開、關(guān)閉的閥門打開的作用[1-2]。火工品具有一次起爆不能復(fù)原的特點(diǎn),因此在航天器的測(cè)試中,火工起爆屬于不可測(cè)試項(xiàng)。而涉及需要火工品解鎖的設(shè)備通常都是航天器上的重要設(shè)備,像太陽翼帆板,解鎖失敗意味著整個(gè)任務(wù)的失敗,所以必須用可靠有效的控制手段確?；鸸て返耐旰眯浴?/p>

國(guó)內(nèi)航天器上使用的火工品研制及質(zhì)量保證依據(jù) 《GJB 1307A-2004航天火工裝置通用規(guī)范》開展[3]。隨著航天器火工品種類不斷更新、專業(yè)技術(shù)水平不斷提高,2004版的規(guī)范已不能滿足實(shí)際研制情況的需求,遂對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂[4]。修訂參考了 《NASA AIAA S-113-2005運(yùn)載與空間飛行器用爆炸系統(tǒng)和裝置規(guī)范》[5]、 《ECSS-E-ST-33-11C航天工程:爆炸系統(tǒng)》[6]和 《裝置和ISO 26871航天系統(tǒng)-爆炸系統(tǒng)和裝置》[7],修改內(nèi)容涉及適用范圍調(diào)整、裕度及驗(yàn)證、可靠性與安全性、頓感電起爆器的設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)方法、檢驗(yàn)分類及檢驗(yàn)項(xiàng)目。新版標(biāo)準(zhǔn)中的檢驗(yàn)方法仍只針對(duì)單體火工品,未對(duì)安裝在航天器上的火工品的檢驗(yàn)測(cè)試方法進(jìn)行規(guī)定。

本文從系統(tǒng)級(jí)視角出發(fā),總結(jié)了目前常用的火工品起爆通路設(shè)計(jì)及阻值測(cè)試方法,分析了不同起爆路數(shù)下測(cè)試是否可以覆蓋全部起爆通路上的阻值,及在不同故障模式下現(xiàn)行的測(cè)試方法是否能準(zhǔn)確地將問題發(fā)現(xiàn)。

1 火工品起爆通路設(shè)計(jì)

1.1 火工起爆通路組成

火工起爆通路由電纜、火工控制裝置中的限流電阻及點(diǎn)火頭組成。電纜又分為多段,包括電池到火工控制裝置的電纜、火工控制裝置到航天器上設(shè)備的電纜及器上設(shè)備對(duì)外接口到內(nèi)部點(diǎn)火頭的電纜?；鸸て鸨木唧w通路如圖1所示。

圖1 火工起爆通路Fig.1 Diagram of pyrotechnical detonation circuit

圖1中的 “奇數(shù)B到火工控制裝置”為測(cè)量通路,部分負(fù)載設(shè)備到點(diǎn)火頭間存在內(nèi)部電纜?；鸸た刂蒲b置中存在限流電阻,每個(gè)限流電阻對(duì)應(yīng)一個(gè)奇數(shù)B測(cè)點(diǎn)和兩個(gè)引爆點(diǎn)。除限流電阻外,其余火工控制裝置內(nèi)部主通路上的電阻皆可忽略不計(jì)。

1.2 通路設(shè)計(jì)思路及步驟

火工起爆通路設(shè)計(jì)中,首先需要根據(jù)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)選擇符合要求的點(diǎn)火頭,然后根據(jù)設(shè)備間的接口關(guān)系設(shè)計(jì)電纜,與通路阻值有關(guān)的是線徑設(shè)計(jì)及長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。當(dāng)電纜設(shè)計(jì)完成后,會(huì)根據(jù)電纜長(zhǎng)度和線徑算出每段電纜的阻值,結(jié)合電池提供的電壓值范圍及點(diǎn)火頭阻值選取火工控制裝置中所有引爆通路限流電阻的阻值,使引爆電流在額定范圍內(nèi),保證火工品能正常起爆?；鸸ね返脑O(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 火工通路設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Flowchart of pyrotechnical detonation circuit design

設(shè)計(jì)過程中,需考慮環(huán)境及限流電阻與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差等因素造成的阻值偏移問題[3,8-9]。

2 火工品阻值測(cè)試系統(tǒng)

2.1 測(cè)試設(shè)備原理

目前,在用的測(cè)試系統(tǒng)有很多種[10],多數(shù)系統(tǒng)的基本原理是通用的:通過給通路加微小電流的恒流源產(chǎn)生微弱的電壓,再使用放大電路將產(chǎn)生的電壓放大并采集該電壓,最后將電壓換算成電阻值。因?yàn)辄c(diǎn)火頭在額定的電流范圍內(nèi)會(huì)起爆,所以測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生的電流必須足夠小,保證不會(huì)將點(diǎn)火頭誤起爆。圖3為測(cè)量設(shè)備的原理圖。

圖3中,I1為設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的微小電流,R13、R16為設(shè)備內(nèi)部的導(dǎo)線阻值,R17、R18為開關(guān)J1、J2的接觸電阻；XE為設(shè)備與外部的接口,接測(cè)試電纜。一個(gè)火工阻值測(cè)試設(shè)備上有多個(gè)與J1、J2相同的開關(guān),接上測(cè)試電纜后通過開關(guān)控制測(cè)試多個(gè)點(diǎn)火頭阻值,設(shè)備初始狀態(tài)為所有正負(fù)線短接到一起并接地。

2.2 測(cè)試方法

測(cè)試開始前需要梳理清楚器上每一個(gè)點(diǎn)火頭在連接到測(cè)試設(shè)備上時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn),然后將測(cè)試電纜與器上電纜相連,依次接通每個(gè)測(cè)點(diǎn)的開關(guān)對(duì)阻值進(jìn)行測(cè)量。下文就以其中一組點(diǎn)火頭的測(cè)量為例,對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行具體說明:

圖3 火工阻值測(cè)試設(shè)備原理圖Fig.3 Schematic diagram of initiating explosive device resistance test equipment

1）梳理測(cè)試點(diǎn)與點(diǎn)火頭的關(guān)系,形成表1；

表1 測(cè)點(diǎn)與點(diǎn)火頭的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relationship between test point and initiating explosive device

2）斷開圖1中標(biāo)注 “偶數(shù)B”的部分,此部分正常測(cè)試情況下就是斷開狀態(tài)；

3）接測(cè)試電纜,測(cè)試電纜的另一端與測(cè)試設(shè)備XE相連；

4）依次接通1～12點(diǎn)測(cè)量 “XX起爆1～12” 點(diǎn)火頭及所在通路的電阻。

3 火工品阻值測(cè)試覆蓋性

火工品阻值測(cè)試需要覆蓋整個(gè)起爆通路才能確認(rèn)引爆通路完好,但有一段通路比較特殊,可以不進(jìn)行阻值測(cè)試,就是電池到火工控制裝置這段通路。因?yàn)榛鸸た刂蒲b置有輸入電壓的遙測(cè),如果這段通路出現(xiàn)問題,電壓遙測(cè)會(huì)有異常,能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。其余的通路沒有任何遙測(cè)反映其狀態(tài),所以皆需要進(jìn)行阻值測(cè)量,本節(jié)分析的即是這部分通路的測(cè)試覆蓋性。

目前,常用的測(cè)試方法分為單阻測(cè)試和綜阻測(cè)試,本文選取典型火工裝置對(duì)這兩種測(cè)試的覆蓋范圍進(jìn)行分析,并給出綜合測(cè)試期間及發(fā)射場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 單阻測(cè)試分析

單阻測(cè)試是指將火工控制裝置到設(shè)備接口這個(gè)通路的中間斷開,測(cè)量連接點(diǎn)火頭段的電纜及點(diǎn)火頭的阻值,測(cè)量覆蓋的通路即圖1中偶數(shù)B到點(diǎn)火頭的阻值,測(cè)量的原理圖如圖4所示。

圖4 單阻測(cè)試原理圖Fig.4 Principle diagram of single resistance test

圖4中,XE到 X12B為測(cè)試電纜的線阻,X12B到點(diǎn)火頭為單阻測(cè)試覆蓋的通路阻值?？梢钥闯?單阻測(cè)試測(cè)的就是簡(jiǎn)單的串聯(lián)電阻電路,當(dāng)通路中任意一段的阻值出現(xiàn)明顯變化或出現(xiàn)斷路時(shí),測(cè)試就很容易發(fā)現(xiàn)問題。

綜上所述,單阻測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)在于通路電路簡(jiǎn)單、易于計(jì)算阻值,不足在于未能覆蓋火工引爆通路的所有阻值。

3.2 綜阻測(cè)試分析

綜阻測(cè)試是指對(duì)從火工控制裝置引出的奇數(shù)B測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試覆蓋的通路即圖1中除電池到火工控制裝置這段通路外的所有通路,選取典型火工裝置測(cè)量的原理圖如圖5所示。

圖5 綜阻測(cè)試原理圖Fig.5 Principle diagram of composite resistance test

圖5中,R1、R9、R10、R11、R15、R16為測(cè)試電纜與奇數(shù)B電纜的總阻值,R6、R7、R8、R17、R18、R19為限流電阻的阻值,R2、R5縱列為火工控制裝置到點(diǎn)火頭這段電纜的阻值,R3、R13縱列為點(diǎn)火頭阻值,R20為多根負(fù)線并聯(lián)后的阻值。從圖5可得出,綜阻測(cè)量的是一個(gè)復(fù)雜串并聯(lián)電路的阻值,可覆蓋所有通路電阻。

根據(jù)起爆路數(shù)的不同,可分為單組起爆1～6個(gè)點(diǎn)火頭這6種情況。其中有一類特殊情況,即一組引爆中只安裝了1個(gè)點(diǎn)火頭,這種情況下的限流電阻無法被測(cè)到,需要多設(shè)計(jì)一根奇數(shù)B測(cè)試線,如圖6所示。

圖6 一組引爆只安裝1個(gè)點(diǎn)火頭情況原理圖Fig.6 Principle diagram of one set of detonation with only one initiating explosive device

這種情況下,需添加圖6中圈出的這根奇數(shù)B測(cè)量線才能覆蓋該路的限流電阻R6。

其他5種情況皆能測(cè)到所有通路電阻,分析方法一致,后續(xù)分析只針對(duì)最復(fù)雜的單組起爆6個(gè)點(diǎn)火頭情況。

綜阻測(cè)試電路復(fù)雜,需分析是否可通過測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確判定故障已發(fā)生。以圖5所示的測(cè)量電路為例,搭建仿真模型對(duì)單重故障進(jìn)行分析。仿真模型搭建時(shí),在主回路中加1A的恒流源,測(cè)量恒流源輸入輸出口的電壓值,即為電路的總阻值。

當(dāng)圖5中的J1接通時(shí), 分析R1、R2、R3、R5、R6這幾處故障對(duì)測(cè)量值的影響。因?yàn)镽3為點(diǎn)火頭電阻,此處故障在單阻測(cè)試時(shí)就能發(fā)現(xiàn),不在綜阻測(cè)試中進(jìn)行討論。R2、R5故障所帶來的影響相同,這里只分析R2。導(dǎo)線的失效模式只有斷路,限流電阻的失效模式考慮斷路和短路,即有4種故障的影響需要分析,分別為為R1處斷路、R2處斷路、R6處斷路、R6處短路。正常情況下的仿真結(jié)果電路圖如圖7所示。

圖7 正常狀態(tài)下的綜阻測(cè)量仿真電路圖Fig.7 Simulation circuit diagram of composite resistance measurement under normal condition

1）R1處斷路故障會(huì)造成測(cè)量阻值無窮大,很容易定位故障。

2）R2處斷路故障的仿真結(jié)果電路圖如圖8所示。

圖8 火工控制裝置到火工品間電纜（R2）斷路狀態(tài)下的綜阻測(cè)量仿真電路圖Fig.8 Simulation circuit diagram of composite resistance measurement under the condition of open circuit between pyrotechnic control device and pyrotechnic cables

由圖8可知,在R2、R3、R5的電阻之和不是遠(yuǎn)大于R6的情況下,從測(cè)量結(jié)果很容易判斷出電路故障。通常狀況下,火工引爆導(dǎo)線不會(huì)選擇過細(xì)的線,導(dǎo)線也不會(huì)設(shè)計(jì)的過長(zhǎng),以保證其可靠性,所以R2、R3、R5的電阻之和不會(huì)遠(yuǎn)大于R6。

3）R6處斷路故障的仿真結(jié)果電路圖如圖9所示。

圖9 限流電阻（R6）斷路失效狀態(tài)下的綜阻測(cè)量仿真電路圖Fig.9 Simulation circuit diagram of composite resistance measurement under the condition of current-limiting resistance open circuit failure

當(dāng)R6斷路時(shí),此電路簡(jiǎn)化成一個(gè)R1、R2、R3、R5、R20、R4串聯(lián)的電路。因此,從測(cè)量結(jié)果也可準(zhǔn)確判斷出引爆通路發(fā)生了故障。

4）R6處短路故障的仿真結(jié)果電路圖如圖10所示。

圖10 限流電阻（R6）短路失效狀態(tài)下的綜阻測(cè)量仿真電路圖Fig.10 Simulation circuit diagram of composite resistance measurement under the condition of current-limiting resistance short circuit failure

當(dāng)限流電阻R6設(shè)置為0.001Ω時(shí),綜阻測(cè)量值由1.896Ω下降到1.366Ω,故障可被測(cè)出。

綜上所述,綜阻測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)在于引爆通路測(cè)試覆蓋全面、在單重故障模式下能有效判斷出通路存在的問題,不足在于測(cè)試通路復(fù)雜、不易計(jì)算阻值。

3.3 實(shí)測(cè)結(jié)果

3.2節(jié)分析的綜阻測(cè)量是基于典型火工裝置的其中一個(gè)點(diǎn)火頭展開的。在型號(hào)研制過程中,對(duì)該點(diǎn)火頭共進(jìn)行了8次阻值測(cè)量（綜合測(cè)試期間4次,發(fā)射場(chǎng)4次）,具體測(cè)試時(shí)機(jī)為該航天器總裝完成后（第1次）、整器力學(xué)試驗(yàn)前（第2次）、整器力學(xué)試驗(yàn)后（第3次）、整器熱學(xué)試驗(yàn)后（第4次）、發(fā)射場(chǎng)總裝完成后（第5次）、發(fā)射場(chǎng)整器轉(zhuǎn)垂直狀態(tài)后（第6次）、運(yùn)抵發(fā)射塔架前（第7次）、發(fā)射塔架上（第8次）。測(cè)試選用的儀器及測(cè)試方法見本文第2章,測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)測(cè)結(jié)果Table 2 Results of test

從測(cè)試結(jié)果可知,8次測(cè)量雖然時(shí)機(jī)及外部環(huán)境有變化,但對(duì)阻值測(cè)量結(jié)果影響較小。同時(shí),對(duì)航天器上其他點(diǎn)火頭的綜阻測(cè)量結(jié)果也進(jìn)行了對(duì)比,同一點(diǎn)火頭8次測(cè)量結(jié)果的最大偏差皆不超過0.1Ω。因此,可以證明故障帶來的阻值變化遠(yuǎn)大于環(huán)境對(duì)阻值的影響,當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),通過阻值測(cè)量可以定位故障。

4 結(jié)論

本文對(duì)現(xiàn)行的火工品測(cè)試覆蓋性進(jìn)行了詳細(xì)分析,發(fā)現(xiàn)在一組引爆中只安裝1個(gè)點(diǎn)火頭情況下綜阻測(cè)試無法覆蓋到通路上的限流電阻,但可以通過添加奇數(shù)B測(cè)量線的方法解決該問題。其他情況下,現(xiàn)行的阻值測(cè)試方法皆可滿足覆蓋性要求。且在單重故障下,現(xiàn)行的測(cè)試方法可有效診斷出故障是否發(fā)生。后續(xù),可在本文研究的基礎(chǔ)上提出能診斷多重故障的測(cè)試方法,并利用本文的分析方法分析新方法的覆蓋性是否滿足要求。