運(yùn)載火箭火工品引爆線路電流計(jì)算和試驗(yàn)研究

朱 源

（北京航天自動(dòng)控制研究所，北京，100854）

運(yùn)載火箭火工品引爆線路電流計(jì)算和試驗(yàn)研究

朱 源

（北京航天自動(dòng)控制研究所，北京，100854）

火工品引爆線路電流的計(jì)算和驗(yàn)證是運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。首先介紹火工品引爆線路組成，其次建立火工品引爆線路電流計(jì)算等效模型，給出3種不同類型引爆線路電流的理論計(jì)算方法，之后給出小電流測(cè)試、模擬發(fā)火試驗(yàn)和正式發(fā)火試驗(yàn)3種試驗(yàn)驗(yàn)證方法。試驗(yàn)結(jié)果表明理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值基本吻合。

運(yùn)載火箭；火工品；引爆線路；測(cè)試方法

0 引 言

運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)的任務(wù)，除了按要求將有效載荷送入預(yù)定軌道并保持飛行中姿態(tài)穩(wěn)定外，還有一項(xiàng)工作就是根據(jù)事先設(shè)計(jì)好的時(shí)序，分時(shí)分批引爆火工品，火工品的正常引爆與否，關(guān)系到運(yùn)載火箭的飛行成敗，因此火工品引爆電流的理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證方法也就成為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

1 火工品引爆線路組成

控制系統(tǒng)火工品引爆線路的功用是按要求時(shí)間發(fā)出時(shí)序控制指令，引爆各火工品，負(fù)載是火工品的發(fā)火管的橋帶，包括：發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火、發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)、助推器分離、級(jí)間分離、整流罩分離、有效載荷分離等[1]。

火工品引爆線路從功能上由火工品供電電池、指令生成及時(shí)間控制、指令譯碼及分配、功率放大及輸出、火工品負(fù)載5部分組成，如圖1所示。

火工品供電電池用于提供引爆火工品所需的能量，一般選用銀鋅電池組，電池容量和放電電流根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況來(lái)確定。運(yùn)載火箭一般采用鈍感火工品，單橋阻值為0.9～1.3 Ω，引爆電流為5～10 A，與引爆電流為1～3 A的敏感火工品相比，安全性大大提高，且具有防靜電、防射頻的能力，抗干擾能力強(qiáng)[2]。

火工品引爆線路中其余設(shè)備，不同的型號(hào)有不同的構(gòu)成，其中指令生成及時(shí)間控制功能一般由箭載計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于集中式控制的火箭，指令譯碼及分配功能由1臺(tái)時(shí)序控制裝置完成，而功率放大及輸出功能則設(shè)計(jì)成多臺(tái)單機(jī)，分別安裝在不同的艙段，稱做輸出配電裝置；而對(duì)于一些分布式控制的火箭，將各個(gè)艙段的指令譯碼及分配功能、功率放大及輸出功能集中在1臺(tái)單機(jī)中，形成了各級(jí)的綜合控制器。當(dāng)時(shí)序路數(shù)少，每一路輸出電流較大時(shí)，可采用前一種集中式時(shí)序控制方案；當(dāng)時(shí)序路數(shù)多，輸出電流相對(duì)較小時(shí)，可采用后一種分布式時(shí)序控制方案[3]。

2 火工品引爆線路電流計(jì)算模型

根據(jù)引爆線路的基本構(gòu)成，建立火工品引爆線路等效模型，如圖2所示。

3 火工品引爆線路電流計(jì)算方法

火工品引爆線路的電流計(jì)算公式如下：

式中 I為引爆線路的電流；U為電池電壓；R1，R2，R3，R4，R5為線路等效電阻。

線路電阻在設(shè)計(jì)完成后其阻值是固定的，火工品橋絲阻值和限流電阻的阻值偏差根據(jù)產(chǎn)品使用手冊(cè)取值。電池電壓U的取值應(yīng)根據(jù)引爆線路使用電源的類型和指標(biāo)確定，如采用箭上點(diǎn)火，則用電池任務(wù)書中的電壓范圍計(jì)算，如果采用地面點(diǎn)火，則用地面電源任務(wù)書中的電壓范圍計(jì)算。

火工品引爆線路的電流主要用限流電阻的阻值來(lái)調(diào)節(jié)。在確定每路火工品橋絲選用的限流電阻阻值時(shí)，應(yīng)保證在極端條件下火工品橋絲引爆電流在正常工作范圍內(nèi)。2個(gè)極端情況為：a）電池輸出電壓最大、各部分電阻最小，可計(jì)算得到最大電流maxI，maxI＜10 A；b）電池輸出電壓最小、各部分電阻最大，可計(jì)算得到最小電流minI，minI＞5 A。

4 火工品引爆線路電流計(jì)算模型轉(zhuǎn)換規(guī)則

火工品引爆線路根據(jù)控制方法的不同，分為3類：非奇偶型、奇偶型和混合型引爆線路。非奇偶型引爆線路指需同時(shí)引爆的火工品所有橋路（包括單橋和雙橋）均由1個(gè)指令引爆，適用于引爆火工品數(shù)量較少的情況。奇偶型引爆線路指需同時(shí)引爆的火工品左、右橋路分別由2個(gè)指令同時(shí)引爆，適用于同時(shí)引爆火工品數(shù)量較多的情況?；旌闲鸵€路指同時(shí)有非奇偶型引爆線路和奇偶型引爆線路的引爆線路。為保證火工品的可靠引爆，一般不采用混合型引爆線路設(shè)計(jì)。

4.1 非奇偶型引爆線路轉(zhuǎn)換規(guī)則

非奇偶型引爆線路電流計(jì)算模型轉(zhuǎn)換規(guī)則如圖3所示，先計(jì)算出線路圖中的電纜阻值，畫出阻值計(jì)算圖，再用串并聯(lián)關(guān)系轉(zhuǎn)換為電流計(jì)算模型。圖3中計(jì)算火工品1左橋線路電流時(shí)，轉(zhuǎn)換規(guī)則如下：

式中 RL1～RL11為線路等效電阻；RQ1～RQ3為火工品橋絲阻值；RX1～RX3為限流電阻的阻值。

4.2 奇偶型引爆線路轉(zhuǎn)換規(guī)則

奇偶型引爆線路電流計(jì)算模型轉(zhuǎn)換規(guī)則如圖4所示。圖4中計(jì)算火工品1左橋線路電流時(shí)，轉(zhuǎn)換規(guī)則如下：

式中RL1'～RL12'為線路等效電阻；RQ1～RQ4為火工品橋絲阻值；RX1'～RX4'為限流電阻的阻值。

4.3 混合型引爆線路轉(zhuǎn)換規(guī)則

混合型引爆線路中，非奇偶型引爆線路電流計(jì)算按第4.1節(jié)的規(guī)則進(jìn)行，奇偶型引爆線路電流計(jì)算按第4.2節(jié)的規(guī)則進(jìn)行。

5 火工品引爆線路電流的理論計(jì)算

以某運(yùn)載火箭為參考模型，給出火工品引爆線路電流的額定值、最大值和最小值理論計(jì)算結(jié)果，分別如表1、表2和表3所示?？紤]到火工品阻值的離散性，火工品引爆不同步導(dǎo)致的開(kāi)路或短路故障，以及各批次箭上電纜網(wǎng)在電纜分支長(zhǎng)度、設(shè)備接插阻抗等方面的差異，火工品引爆線路電流在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有足夠的余量，額定值一般設(shè)計(jì)在7～9 A之間，兩種極端條件下的火工品引爆線路電流也應(yīng)都滿足5～10 A的要求。

表1 火工品引爆線路電流額定值Ie理論計(jì)算結(jié)果

表2 火工品引爆線路電流最大值Imax理論計(jì)算結(jié)果

表3 火工品引爆線路電流最小值Imin理論計(jì)算結(jié)果

6 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

6.1 小電流試驗(yàn)與分析

火工品的引爆時(shí)間短、風(fēng)險(xiǎn)高、費(fèi)用大，在測(cè)試中不宜使用真實(shí)火工品，同時(shí)受到電池壽命的限制，也不宜用火工品供電電池進(jìn)行測(cè)試?；谏鲜隹紤]，采用小電流測(cè)試方法，相當(dāng)于一次低電壓的“發(fā)火試驗(yàn)”，短期內(nèi)可多次進(jìn)行，用于驗(yàn)證火工品引爆線路設(shè)計(jì)正確性[4]。若經(jīng)過(guò)小電流測(cè)試，火工品引爆線路電流不在要求范圍內(nèi)，則須調(diào)整限流電阻，將火工品線路引爆電流控制在要求值范圍內(nèi)，確?；鸸て房煽恳?。

小電流測(cè)試方案如圖5所示，用20 A直流穩(wěn)壓電源代替火工品供電電池，用1 Ω等效電阻代替火工品，用5 A直流穩(wěn)壓電源輸出28 V電壓控制信號(hào)，接通火工品供電母線和相應(yīng)的時(shí)序指令控制信號(hào)，將3 V左右的低電壓施加到火工品控制回路，控制流經(jīng)限流電阻的電流在50 mA左右，防止大電流將限流電阻燒毀?；鸸て芬娏鞯臏y(cè)量點(diǎn)選擇在1 Ω等效電阻兩端，測(cè)量其工作電壓，計(jì)算出工作電流，從而折算出電池供電情況下火工品線路引爆電流。小電流測(cè)試采用自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備，不僅能測(cè)量工作電路，也能監(jiān)測(cè)其他通路是否存在潛電流，對(duì)于沒(méi)有接通的火工品通路，如果測(cè)量出等效電阻兩端有電壓，則說(shuō)明系統(tǒng)中存在潛通路，需對(duì)系統(tǒng)的線路設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核。

某運(yùn)載火箭小電流測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表4可以看出小電流測(cè)試折算電流與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，存在偏差主要原因?yàn)椋盒‰娏鳒y(cè)試時(shí)的電流小，導(dǎo)致信噪比小，而VVs值的約為20，因而測(cè)試誤差被放大，其次和測(cè)試電纜引起的壓降、火工品等效電阻的精度以及低電壓的人為讀數(shù)都有關(guān)。

表4 小電流測(cè)試數(shù)據(jù)

6.2 模擬發(fā)火試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

在進(jìn)行正式發(fā)火試驗(yàn)前，為更逼近真實(shí)的飛行情況，使用火工品供電電池、1 Ω50 W電阻和1 A保險(xiǎn)絲串聯(lián)作為等效火工品進(jìn)行模擬發(fā)火試驗(yàn)。模擬發(fā)火試驗(yàn)中，由地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)電指令，接通火工品供電母線，由時(shí)序控制裝置發(fā)出時(shí)序指令，接通相應(yīng)的時(shí)序指令控制線包?；鸸て芬娏鞯臏y(cè)量點(diǎn)選擇在限流電阻兩端，測(cè)量其工作電壓，折算成工作電流。模擬發(fā)火試驗(yàn)方案如圖6所示。

某運(yùn)載火箭模擬發(fā)火試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示，火工品電流理論計(jì)算值和模擬發(fā)火電流基本一致，存在偏差主要原因?yàn)槟M發(fā)火試驗(yàn)中限流電阻兩端電壓為人為讀數(shù)。模擬發(fā)火試驗(yàn)比小電流測(cè)試更接近真實(shí)飛行狀態(tài)，因此模擬發(fā)火電流比小電流測(cè)試值更接近理論計(jì)算值。

表5 模擬發(fā)火試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

6.3 正式發(fā)火試驗(yàn)與分析

在前期模擬試驗(yàn)全部通過(guò)，且確認(rèn)測(cè)試數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)方可進(jìn)行正式發(fā)火試驗(yàn)。正式發(fā)火試驗(yàn)采用裝填半量起爆藥的真實(shí)火工品，采用火工品電池供電，進(jìn)行脫插脫落狀態(tài)下的模擬飛行試驗(yàn)，并保留地面斷電控制功能。正式發(fā)火試驗(yàn)中，控制系統(tǒng)地面設(shè)備加電后，應(yīng)首先檢查時(shí)序電路的初態(tài)，以確保所有的指令電路、輸出電路均處在斷開(kāi)狀態(tài)，避免轉(zhuǎn)電后火工品誤爆。火工品引爆電流的測(cè)量點(diǎn)選擇在限流電阻兩端，測(cè)量其工作電壓，折算成工作電流。發(fā)火試驗(yàn)中還應(yīng)監(jiān)測(cè)火工品電池的工作電壓。正式發(fā)火試驗(yàn)方案如圖7所示。

某運(yùn)載火箭發(fā)火試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表6所示，理論計(jì)算電流、模擬發(fā)火電流和實(shí)際發(fā)火電流基本一致。

表6 發(fā)火試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

7 結(jié) 論

火工品引爆線路是影響運(yùn)載火箭可靠性和安全性的重要線路。本文以某運(yùn)載火箭為研究對(duì)象，介紹火工品引爆線路的組成，建立火工品引爆線路電流計(jì)算等效模型，給出3種不同類型火工品引爆線路電流的理論計(jì)算方法。

鑒于火工品引爆時(shí)間短、危險(xiǎn)大、費(fèi)用高，在測(cè)試中不宜用真實(shí)火工品，文中給出了小電流測(cè)試和模擬發(fā)火試驗(yàn)2種模擬驗(yàn)證方法和正式發(fā)火試驗(yàn)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，火工品電流理論計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。火工品引爆線路電流的理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證方法能夠滿足工程設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分析的需要。

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Research on Calculation and Test of Initiating Explosive Circuit Operating Current for Launch Vehicle

Zhu Yuan
(Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing, 100854)

The calculation and verification of the initiating explosive circuit operating current is an important constituent part of launch vehicle control system. Firstly, the paper puts forward the composition of the initiating explosive circuit. Then, three different calculation methods for the initiating explosive circuit operating current based on the equivalent model are provided. Finally, three different test methods are provided, such as little current test, the simulated explosive initiator test, the explosive initiator test. The results calculated with the equivalent model agree with those from test. The above methods can serve as a reference for engineering applications.

Launch vehicle; Explosive initiator; Explosive circuit; Measuring method

V41

A

1004-7182(2017)03-0069-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170315

2016-08-04；

2016-10-09

朱 源（1982-），女，工程師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)