航天器發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置設(shè)計(jì)研究

潘江江 李 潔 李海偉 姜 爽 張 翔

1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京100076 2.航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司，北京101111

火工品是航天器中常用的分離起爆裝置。在航天器發(fā)射前，對(duì)火工品及器上發(fā)火線路的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，確保參數(shù)正常，是航天器可靠完成飛行任務(wù)的技術(shù)前提。傳統(tǒng)的火工品線路起爆測(cè)試用真實(shí)火工品起爆完成，測(cè)試過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)對(duì)起爆電路瞬時(shí)電壓、電流值的快速測(cè)試，對(duì)測(cè)試設(shè)備的采集速率有很高要求，技術(shù)難度大、測(cè)試成本較高。并且，測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)故障異常時(shí)，由于起爆瞬間為毫秒級(jí)，測(cè)試系統(tǒng)難以在線快速應(yīng)對(duì)，因此，可能對(duì)發(fā)火系統(tǒng)造成難以估量的損失。為了彌補(bǔ)真實(shí)火工品發(fā)火測(cè)試中的不足，設(shè)計(jì)航天器發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置勢(shì)在必行。

1 研究背景

在航天器發(fā)火測(cè)試中，一般應(yīng)用的是傳統(tǒng)火工品等效器。傳統(tǒng)火工品等效器內(nèi)部設(shè)有等效電阻，阻值約為千歐量級(jí)，接入到火工品起爆線路中，當(dāng)接收到發(fā)火起爆電壓后(可轉(zhuǎn)化為起爆電流)，檢測(cè)到線路中的火工品起爆電流后，通過(guò)等效器內(nèi)部電壓采集，進(jìn)行指示燈顯示。傳統(tǒng)火工品等效器只能檢測(cè)起爆電壓值與起爆線路的正確性，但起爆瞬間的電壓值、電流值對(duì)測(cè)試系統(tǒng)采集速度要求較高，難以觀測(cè)，對(duì)于火工品起爆測(cè)試的具體參數(shù)情況無(wú)法進(jìn)行詳細(xì)分析。

起爆線路方面，由于不同航天型號(hào)上電氣系統(tǒng)電纜網(wǎng)長(zhǎng)度和特性不同，造成電纜線路阻抗不一致，對(duì)起爆線路中電流值會(huì)造成影響。若起爆電流過(guò)小，可能造成線路無(wú)法正常起爆。使用傳統(tǒng)火工品等效器，可能起爆線路能夠正常連通，即火工品等效器上能夠正常接收到起爆電流，指示燈顯示正常，但實(shí)際起爆線路中由于電纜網(wǎng)阻值較高，線路中實(shí)際起爆電流較小，使得火工品起爆電流達(dá)不到起爆水平，火工品無(wú)法正常起爆。所以，傳統(tǒng)火工品等效器存在電流、電壓值測(cè)不到等缺陷，火工品起爆試驗(yàn)中測(cè)試覆蓋性差，發(fā)生故障后，無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，難以查找故障原因。

2 功能需求及系統(tǒng)組成

2.1 發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置功能需求

發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置主要功能包括：發(fā)火線路工作模式選擇(即故障在線注入內(nèi)容)、發(fā)火線路參數(shù)采集、測(cè)試數(shù)據(jù)顯示及報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信等。

1)發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置通過(guò)模式選擇按鈕，控制固態(tài)功率控制器(SSPC)進(jìn)行開(kāi)關(guān)通路切換，可以選擇正常發(fā)火、發(fā)火后短路及發(fā)火后搭殼(即存在不定電阻)等線路狀態(tài)，真實(shí)模擬發(fā)火試驗(yàn)中各種情況；

2)霍爾電流傳感器和電阻分壓電路分別采集固定狀態(tài)下起爆線路中電流值和電壓值；

3)采集后數(shù)據(jù)送往單片機(jī)處理分析，通過(guò)液晶顯示屏顯示這些參數(shù)，若參數(shù)值超出事先限定的正常范圍，將通過(guò)指示燈和蜂鳴器控制電路報(bào)警；

4)參數(shù)值將保存在存儲(chǔ)器中，可以通過(guò)USB接口外界U盤(pán)讀取，便于回看測(cè)試過(guò)程中的各類參數(shù)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)火工品起爆線路潛在問(wèn)題，進(jìn)行故障定位。

2.2 發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置組成

根據(jù)發(fā)火線路等效測(cè)試裝置的功能需求，發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置由火工品發(fā)火測(cè)試通路、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示及報(bào)警模塊和通信模塊幾部分組成，具體電路組成見(jiàn)圖1。其中起爆測(cè)試通路由保險(xiǎn)絲和固態(tài)功率控制器(SSPC)組成，數(shù)據(jù)處理模塊為單片機(jī)C8051F020，數(shù)據(jù)采集模塊為霍爾電流傳感器AS712和電阻分壓電路，顯示及報(bào)警模塊由市面上通用的液晶顯示屏、蜂鳴器和指示燈組成，通信模塊由采用USB2.0的USB接口電路組成。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊為整個(gè)發(fā)火線路電子提供設(shè)備所需要的相關(guān)直流電壓，主要有+5V，3.3V和±15V。出于測(cè)試設(shè)備通用性、成熟性考慮，選用市面上常見(jiàn)的三星I9100鋰電池作為供電輸入，工作電壓范圍為3～4.2V。通過(guò)DC/DC升壓模塊將輸入電壓調(diào)整為2.5～5.5V，保證5V電源的正常工作。而3.3V和±15V分別是在5V的基礎(chǔ)之上通過(guò)相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換而來(lái)。3.3V電壓通過(guò)NCS的低壓差穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要為單片機(jī)IO電源、開(kāi)關(guān)、USB接口及顯示屏等供電；±15V的電壓主要為霍爾器件及運(yùn)放供電。整個(gè)電路最大消耗電流約為302mA，鋰電池容量約為1650mAh，理論上能持續(xù)工作5h以上。

圖1 發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置設(shè)計(jì)方案示意圖

表1 主要元器件消耗電流情況

器件消耗電流(mA)器件消耗電流(mA)單片機(jī)69顯示屏25文件管理控制芯片15霍爾器件30電壓轉(zhuǎn)換芯片(3．3V)10運(yùn)算放大器2DC/DC升壓模塊82蜂鳴器25電壓轉(zhuǎn)換芯片(±15V)44總消耗電流302mA

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊的主要作用是采集火工品起爆線路中的起爆電流值，這里采用霍爾電流傳感器串接于火工品測(cè)試通路中，實(shí)現(xiàn)對(duì)通路中電流值的采集。霍爾器件采集到的信號(hào)通過(guò)電壓跟隨電路后，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行后續(xù)相關(guān)處理。此外，起爆電壓值通過(guò)電阻分壓電路進(jìn)行采集。

3.3 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊接收來(lái)自數(shù)據(jù)采集模塊的信息，進(jìn)行后續(xù)處理，并將發(fā)火試驗(yàn)所關(guān)心的電流值、電壓值在液晶顯示屏顯示，若存在數(shù)據(jù)值異常，控制蜂鳴器和指示燈報(bào)警。設(shè)備殼體表面的模式選擇按鈕，可以選擇測(cè)試過(guò)程中各種故障在線注入方式，具體內(nèi)容見(jiàn)表2。

表2 后續(xù)工作狀態(tài)選取

故障在線注入模式選擇后，根據(jù)實(shí)際發(fā)火試驗(yàn)流程，通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊中事先設(shè)定好的工作時(shí)序進(jìn)行動(dòng)作，分別為發(fā)火起爆、發(fā)火后故障注入和測(cè)試結(jié)束后觀測(cè)3個(gè)階段，具體內(nèi)容見(jiàn)表3。

表3 工作時(shí)序確定

3.4 發(fā)火測(cè)試通路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊選定故障在線注入模式后，嚴(yán)格按照事先選定的動(dòng)作時(shí)序，控制固態(tài)功率控制器(SSPC)陣列的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，切換發(fā)火測(cè)試通路狀態(tài)，完成對(duì)應(yīng)的發(fā)火測(cè)試內(nèi)容。以發(fā)火后短路模式為例，0～6ms內(nèi)接收發(fā)火起爆信號(hào)；7ms開(kāi)始對(duì)發(fā)火線路進(jìn)行短路故障模式注入，單片機(jī)控制固態(tài)功率控制器(SSPC)相關(guān)觸點(diǎn)動(dòng)作，對(duì)發(fā)火線路進(jìn)行短接；201ms時(shí)刻火工品控制器切斷起爆信號(hào)，進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)時(shí)段，對(duì)發(fā)火線路是否受到故障影響，特征參數(shù)值是否發(fā)生明顯變化做出觀測(cè)，直至20s全部測(cè)試周期結(jié)束。具體電路實(shí)現(xiàn)形式見(jiàn)圖2。

圖2 工作模式選擇電路原理圖

3.5 通用模塊設(shè)計(jì)

顯示及報(bào)警模塊由市面上通用的液晶顯示屏、指示燈和蜂鳴器構(gòu)成，通信模塊由采用USB2.0協(xié)議的USB成熟接口電路組成。

3.6 其他設(shè)計(jì)

3.6.1 人機(jī)交互接口設(shè)計(jì)

人機(jī)交互接口主要包括2部分設(shè)計(jì)：1)顯示屏的顯示與信息的讀??；2)鍵盤(pán)輸入信息的處理。顯示屏主要用來(lái)顯示設(shè)備的相關(guān)信息(如電池剩余電量)、被測(cè)產(chǎn)品的相關(guān)信息(如工作模式、相應(yīng)的參數(shù)測(cè)試結(jié)果)。用戶由鍵盤(pán)輸入的信息通過(guò)顯示屏的信息讀取來(lái)進(jìn)行確認(rèn)，該裝置中顯示屏的顯示采取分類分頁(yè)設(shè)計(jì)，不同的功能選擇與設(shè)置對(duì)應(yīng)不同的顯示屏顯示界面。按鍵的選通信號(hào)送到單片機(jī)的一個(gè)I/O口作為中斷信號(hào)，從而引起單片機(jī)一個(gè)中斷產(chǎn)生，單片機(jī)依據(jù)此中斷進(jìn)入相應(yīng)的中斷程序，控制選擇不同的顯示界面及工作模式，具體顯示內(nèi)容見(jiàn)圖3所示。

圖3 顯示屏人機(jī)交互界面示意圖(按時(shí)序分3階段顯示)

3.6.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于航天器火工品發(fā)火試驗(yàn)中輕質(zhì)化、小型化的設(shè)計(jì)思想，優(yōu)化發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置的重量體積，選用長(zhǎng)方形殼體設(shè)計(jì)。殼體表面放置顯示屏，下端為電池盒，電池采用手機(jī)上通用的小型鋰電池，電池尺寸為59mm×46.2mm×5.2mm，電源開(kāi)關(guān)、報(bào)警指示燈及USB接口置于前表面，按鍵開(kāi)關(guān)置于右表面，連接測(cè)試信號(hào)輸入輸出端的連接器置于左表面，殼體內(nèi)部剩余空間可放置電路板，結(jié)構(gòu)外觀如圖4所示。

圖4 發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 功能驗(yàn)證

在航天器火工品發(fā)火試驗(yàn)中，將發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置接入電纜網(wǎng)，選定工作模式后，利用航天器上火工品控制器發(fā)送起爆信號(hào)，待一個(gè)完整的測(cè)試周期結(jié)束后，發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置上采集結(jié)果如圖5所示。測(cè)試結(jié)束后，測(cè)試結(jié)果自動(dòng)保存于設(shè)備內(nèi)部，利用USB接口外接U盤(pán)，將測(cè)試數(shù)據(jù)拷貝到上位機(jī)上，讀取測(cè)試結(jié)果如圖6所示。后期可以利用matlab和Labview等通用上位機(jī)軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)波形進(jìn)行直觀顯示。

圖5 發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置發(fā)火試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果(按時(shí)序分3階段顯示)

圖6 發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置USB接口讀取測(cè)試數(shù)據(jù)內(nèi)容

由圖5～6可以看出，發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置在發(fā)火試驗(yàn)中可以代替真實(shí)火工品完成各項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容，并對(duì)發(fā)火線路中難以測(cè)到的特征參數(shù)進(jìn)行全面測(cè)試。同時(shí)，該設(shè)備還具備發(fā)火后故障狀態(tài)的模擬測(cè)試功能，可以較好的掌握各種情況下發(fā)火系統(tǒng)的工作狀態(tài)，便于進(jìn)行故障定位。總之，發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置可以模擬最為真實(shí)的工作狀態(tài)，安全可靠地實(shí)現(xiàn)發(fā)火試驗(yàn)全面測(cè)試的設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié)論

航天器發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置解決了發(fā)火測(cè)試中真實(shí)火工品不可重復(fù)使用、安全可靠性低、發(fā)火線路部分參數(shù)測(cè)試不到等技術(shù)難題。采用電子集成電路的設(shè)計(jì)方式，不僅有測(cè)試數(shù)據(jù)的高精度采集和直觀顯示的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，還便于測(cè)試結(jié)果的保存和傳輸處理。此外，使用發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置還具有降低測(cè)試成本、便于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布局、減少測(cè)試人員數(shù)量、簡(jiǎn)化操作步驟、提高測(cè)試系統(tǒng)的工作可靠性和工作效率等優(yōu)點(diǎn)?？傊?，采用發(fā)火線路電子等效測(cè)試裝置完成航天器發(fā)火試驗(yàn)，對(duì)發(fā)火系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性的全面技術(shù)驗(yàn)證、對(duì)確保航天器能夠順利完成飛行任務(wù)具有重要意義。

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