陈恒智，程天然，周 垚，仪德英

（中国空间技术研究院总体设计部,北京100094）

0 引言

航天器上的火工品通常是用来解锁太阳翼帆板、推进电爆阀、机械臂等重要设备的,其工作原理是火工品中的火药受外界刺激后引爆,驱动切割器等装置解除设备上的保险,起到使压紧的机构展开、关闭的阀门打开的作用[1-2]。火工品具有一次起爆不能复原的特点,因此在航天器的测试中,火工起爆属于不可测试项。而涉及需要火工品解锁的设备通常都是航天器上的重要设备,像太阳翼帆板,解锁失败意味着整个任务的失败,所以必须用可靠有效的控制手段确保火工品的完好性。

国内航天器上使用的火工品研制及质量保证依据 《GJB 1307A-2004航天火工装置通用规范》开展[3]。随着航天器火工品种类不断更新、专业技术水平不断提高,2004版的规范已不能满足实际研制情况的需求,遂对该标准进行了修订[4]。修订参考了 《NASA AIAA S-113-2005运载与空间飞行器用爆炸系统和装置规范》[5]、 《ECSS-E-ST-33-11C航天工程:爆炸系统》[6]和 《装置和ISO 26871航天系统-爆炸系统和装置》[7],修改内容涉及适用范围调整、裕度及验证、可靠性与安全性、顿感电起爆器的设计及检验方法、检验分类及检验项目。新版标准中的检验方法仍只针对单体火工品,未对安装在航天器上的火工品的检验测试方法进行规定。

本文从系统级视角出发,总结了目前常用的火工品起爆通路设计及阻值测试方法,分析了不同起爆路数下测试是否可以覆盖全部起爆通路上的阻值,及在不同故障模式下现行的测试方法是否能准确地将问题发现。

1 火工品起爆通路设计

1.1 火工起爆通路组成

火工起爆通路由电缆、火工控制装置中的限流电阻及点火头组成。电缆又分为多段,包括电池到火工控制装置的电缆、火工控制装置到航天器上设备的电缆及器上设备对外接口到内部点火头的电缆。火工起爆的具体通路如图1所示。

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

图1中的 “奇数B到火工控制装置”为测量通路,部分负载设备到点火头间存在内部电缆。火工控制装置中存在限流电阻,每个限流电阻对应一个奇数B测点和两个引爆点。除限流电阻外,其余火工控制装置内部主通路上的电阻皆可忽略不计。

1.2 通路设计思路及步骤

火工起爆通路设计中,首先需要根据对应标准选择符合要求的点火头,然后根据设备间的接口关系设计电缆,与通路阻值有关的是线径设计及长度设计。当电缆设计完成后,会根据电缆长度和线径算出每段电缆的阻值,结合电池提供的电压值范围及点火头阻值选取火工控制装置中所有引爆通路限流电阻的阻值,使引爆电流在额定范围内,保证火工品能正常起爆。火工通路的设计流程如图2所示。

图2 火工通路设计流程图Fig.2 Flowchart of pyrotechnical detonation circuit design

设计过程中,需考虑环境及限流电阻与标准值的偏差等因素造成的阻值偏移问题[3,8-9]。

2 火工品阻值测试系统

2.1 测试设备原理

目前,在用的测试系统有很多种[10],多数系统的基本原理是通用的:通过给通路加微小电流的恒流源产生微弱的电压,再使用放大电路将产生的电压放大并采集该电压,最后将电压换算成电阻值。因为点火头在额定的电流范围内会起爆,所以测试系统产生的电流必须足够小,保证不会将点火头误起爆。图3为测量设备的原理图。

图3中,I1为设备内部产生的微小电流,R13、R16为设备内部的导线阻值,R17、R18为开关J1、J2的接触电阻；XE为设备与外部的接口,接测试电缆。一个火工阻值测试设备上有多个与J1、J2相同的开关,接上测试电缆后通过开关控制测试多个点火头阻值,设备初始状态为所有正负线短接到一起并接地。

2.2 测试方法

测试开始前需要梳理清楚器上每一个点火头在连接到测试设备上时对应的测点,然后将测试电缆与器上电缆相连,依次接通每个测点的开关对阻值进行测量。下文就以其中一组点火头的测量为例,对测试方法进行具体说明:

图3 火工阻值测试设备原理图Fig.3 Schematic diagram of initiating explosive device resistance test equipment

1）梳理测试点与点火头的关系,形成表1；

表1 测点与点火头的对应关系Table 1 Corresponding relationship between test point and initiating explosive device

2）断开图1中标注 “偶数B”的部分,此部分正常测试情况下就是断开状态；

3）接测试电缆,测试电缆的另一端与测试设备XE相连；

4）依次接通1～12点测量 “XX起爆1～12” 点火头及所在通路的电阻。

3 火工品阻值测试覆盖性

火工品阻值测试需要覆盖整个起爆通路才能确认引爆通路完好,但有一段通路比较特殊,可以不进行阻值测试,就是电池到火工控制装置这段通路。因为火工控制装置有输入电压的遥测,如果这段通路出现问题,电压遥测会有异常,能被及时发现。其余的通路没有任何遥测反映其状态,所以皆需要进行阻值测量,本节分析的即是这部分通路的测试覆盖性。

目前,常用的测试方法分为单阻测试和综阻测试,本文选取典型火工装置对这两种测试的覆盖范围进行分析,并给出综合测试期间及发射场的实测数据,对分析结果进行验证。

3.1 单阻测试分析

单阻测试是指将火工控制装置到设备接口这个通路的中间断开,测量连接点火头段的电缆及点火头的阻值,测量覆盖的通路即图1中偶数B到点火头的阻值,测量的原理图如图4所示。

图4 单阻测试原理图Fig.4 Principle diagram of single resistance test

图4中,XE到 X12B为测试电缆的线阻,X12B到点火头为单阻测试覆盖的通路阻值。可以看出,单阻测试测的就是简单的串联电阻电路,当通路中任意一段的阻值出现明显变化或出现断路时,测试就很容易发现问题。

综上所述,单阻测试的优点在于通路电路简单、易于计算阻值,不足在于未能覆盖火工引爆通路的所有阻值。

3.2 综阻测试分析

综阻测试是指对从火工控制装置引出的奇数B测点进行测试,测试覆盖的通路即图1中除电池到火工控制装置这段通路外的所有通路,选取典型火工装置测量的原理图如图5所示。

图5 综阻测试原理图Fig.5 Principle diagram of composite resistance test

图5中,R1、R9、R10、R11、R15、R16为测试电缆与奇数B电缆的总阻值,R6、R7、R8、R17、R18、R19为限流电阻的阻值,R2、R5纵列为火工控制装置到点火头这段电缆的阻值,R3、R13纵列为点火头阻值,R20为多根负线并联后的阻值。从图5可得出,综阻测量的是一个复杂串并联电路的阻值,可覆盖所有通路电阻。

根据起爆路数的不同,可分为单组起爆1～6个点火头这6种情况。其中有一类特殊情况,即一组引爆中只安装了1个点火头,这种情况下的限流电阻无法被测到,需要多设计一根奇数B测试线,如图6所示。

图6 一组引爆只安装1个点火头情况原理图Fig.6 Principle diagram of one set of detonation with only one initiating explosive device

这种情况下,需添加图6中圈出的这根奇数B测量线才能覆盖该路的限流电阻R6。

其他5种情况皆能测到所有通路电阻,分析方法一致,后续分析只针对最复杂的单组起爆6个点火头情况。

综阻测试电路复杂,需分析是否可通过测量结果准确判定故障已发生。以图5所示的测量电路为例,搭建仿真模型对单重故障进行分析。仿真模型搭建时,在主回路中加1A的恒流源,测量恒流源输入输出口的电压值,即为电路的总阻值。

当图5中的J1接通时, 分析R1、R2、R3、R5、R6这几处故障对测量值的影响。因为R3为点火头电阻,此处故障在单阻测试时就能发现,不在综阻测试中进行讨论。R2、R5故障所带来的影响相同,这里只分析R2。导线的失效模式只有断路,限流电阻的失效模式考虑断路和短路,即有4种故障的影响需要分析,分别为为R1处断路、R2处断路、R6处断路、R6处短路。正常情况下的仿真结果电路图如图7所示。

图7 正常状态下的综阻测量仿真电路图Fig.7 Simulation circuit diagram of composite resistance measurement under normal condition

1）R1处断路故障会造成测量阻值无穷大,很容易定位故障。

2）R2处断路故障的仿真结果电路图如图8所示。

图8 火工控制装置到火工品间电缆（R2）断路状态下的综阻测量仿真电路图Fig.8 Simulation circuit diagram of composite resistance measurement under the condition of open circuit between pyrotechnic control device and pyrotechnic cables

由图8可知,在R2、R3、R5的电阻之和不是远大于R6的情况下,从测量结果很容易判断出电路故障。通常状况下,火工引爆导线不会选择过细的线,导线也不会设计的过长,以保证其可靠性,所以R2、R3、R5的电阻之和不会远大于R6。

3）R6处断路故障的仿真结果电路图如图9所示。

图9 限流电阻（R6）断路失效状态下的综阻测量仿真电路图Fig.9 Simulation circuit diagram of composite resistance measurement under the condition of current-limiting resistance open circuit failure

当R6断路时,此电路简化成一个R1、R2、R3、R5、R20、R4串联的电路。因此,从测量结果也可准确判断出引爆通路发生了故障。

4）R6处短路故障的仿真结果电路图如图10所示。

图10 限流电阻（R6）短路失效状态下的综阻测量仿真电路图Fig.10 Simulation circuit diagram of composite resistance measurement under the condition of current-limiting resistance short circuit failure

当限流电阻R6设置为0.001Ω时,综阻测量值由1.896Ω下降到1.366Ω,故障可被测出。

综上所述,综阻测试的优点在于引爆通路测试覆盖全面、在单重故障模式下能有效判断出通路存在的问题,不足在于测试通路复杂、不易计算阻值。

3.3 实测结果

3.2节分析的综阻测量是基于典型火工装置的其中一个点火头展开的。在型号研制过程中,对该点火头共进行了8次阻值测量（综合测试期间4次,发射场4次）,具体测试时机为该航天器总装完成后（第1次）、整器力学试验前（第2次）、整器力学试验后（第3次）、整器热学试验后（第4次）、发射场总装完成后（第5次）、发射场整器转垂直状态后（第6次）、运抵发射塔架前（第7次）、发射塔架上（第8次）。测试选用的仪器及测试方法见本文第2章,测试结果如表2所示。

表2 实测结果Table 2 Results of test

从测试结果可知,8次测量虽然时机及外部环境有变化,但对阻值测量结果影响较小。同时,对航天器上其他点火头的综阻测量结果也进行了对比,同一点火头8次测量结果的最大偏差皆不超过0.1Ω。因此,可以证明故障带来的阻值变化远大于环境对阻值的影响,当出现故障时,通过阻值测量可以定位故障。

4 结论

本文对现行的火工品测试覆盖性进行了详细分析,发现在一组引爆中只安装1个点火头情况下综阻测试无法覆盖到通路上的限流电阻,但可以通过添加奇数B测量线的方法解决该问题。其他情况下,现行的阻值测试方法皆可满足覆盖性要求。且在单重故障下,现行的测试方法可有效诊断出故障是否发生。后续,可在本文研究的基础上提出能诊断多重故障的测试方法,并利用本文的分析方法分析新方法的覆盖性是否满足要求。