運載火箭火工品點火電路瞬態(tài)干擾測量及研究

任牧原，徐洪平，陶 勇，姜鐵華

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076）

運載火箭火工品點火電路瞬態(tài)干擾測量及研究

任牧原，徐洪平，陶 勇，姜鐵華

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076）

運載火箭在飛行過程中會用到幾十乃至數(shù)百火工品，火工品點火時的瞬態(tài)電流會對臨近設(shè)備／線纜造成影響。結(jié)合運載火箭地面點火試驗流程，提出了點火電路上瞬態(tài)電流的測量方法。通過對兩類火工品點火電路及鄰近電纜上電流的多次測量，得到火工品點火時刻的瞬態(tài)干擾波形，將實測瞬態(tài)干擾波形注入仿真軟件作為激勵，發(fā)現(xiàn)兩類火工品的瞬態(tài)干擾均在低頻時產(chǎn)生輻射，在一定頻率范圍內(nèi)輻射場強隨著頻率增大而減小，導(dǎo)爆索的最大輻射場強大于爆炸螺栓；分析了瞬態(tài)干擾在鄰近線纜的串?dāng)_響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著負載電阻的增大串?dāng)_電流越來越小。

瞬態(tài)電流；仿真；輻射特性；串?dāng)_

1 引言

運載火箭通常由箭體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、外安系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)、分離系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成，在火箭工作的全壽命周期中，動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、外安系統(tǒng)、分離系統(tǒng)等均會使用火工品［1］。

火工品在工作導(dǎo)通的瞬間，在引爆線的回路上會產(chǎn)生瞬態(tài)電流，該電流是一種潛在瞬態(tài)干擾源，會對鄰近的設(shè)備或線纜造成干擾。為了解運載火箭火工品點火電路上產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾的時域、頻域信息，需要對瞬態(tài)干擾的傳導(dǎo)特性以及輻射特性進行測量。國外對火工品產(chǎn)生的電磁干擾測量研究多以標(biāo)準(zhǔn)電磁脈沖波形注入，以研究其敏感度或者射頻響應(yīng)為主［2?4］，并形成了火工品的直流感度、靜電感度、射頻感度等標(biāo)準(zhǔn)測量方法，以確保火工品能夠在一定電磁環(huán)境中安全可靠地工作。但對于火工品輻射性能的研究報道相對較少，對于火工品性能的軍標(biāo)測量有方法401、402，分別針對不點火試驗、點火試驗的電流值進行驗證測量［5］。針對火工品點火時的爆發(fā)電流，有學(xué)者針對爆炸箔的初始電壓／電阻對爆炸電流進行研究，使用示波器和羅科夫斯基線圈結(jié)合的方式對爆發(fā)電流進行了測量［6?8］。對于運載火箭火工品工作過程產(chǎn)生的瞬態(tài)電流測量，由于是結(jié)合運載火箭的總裝測試流程開展，考慮到測試狀態(tài)、測試流程的效率、安全性、重復(fù)性等綜合因素，直接套用上述方法顯然不適用。因此，本文提出運載火箭總裝狀態(tài)下火工品工作產(chǎn)生的瞬態(tài)電流測量方法，獲取并分析實測波形的時頻域特性，并將火工品點火電路上產(chǎn)生的瞬態(tài)電流作為激勵源，仿真分析對鄰近線纜線束的耦合響應(yīng)以及對周圍設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射效應(yīng)。

2 火工品點火通路原理

運載火箭上使用了幾十甚至數(shù)百枚電爆裝置，為了保證運載任務(wù)的成功，對火工品的可靠性要求極高［9］。圖1是火工品的典型點火電路，由點火電源電路、點火輸出電路、點火控制電路和監(jiān)視電路組成［5］。點火輸出電路是電爆裝置和使其點火的開關(guān)裝置間的電路，監(jiān)視電路是指示點火電路狀態(tài)的電路，點火控制電路則是解除保險和點火的電路。對于電爆系統(tǒng)來說，火工品的點火源是獨立的。火工品在工作時，由點火控制電路依次發(fā)出三個指令：預(yù)解除保險、解除保險以及點火，通過發(fā)送前兩個指令將保險解除，最后通過點火指令將電爆裝置引爆，一般這三個指令發(fā)生間隔較短暫。在本文的測量中，測試的電流探頭主要在點火輸出電路進行監(jiān)測。

3 試驗方法

運載火箭的火工品工作時產(chǎn)生的瞬態(tài)電流是潛在干擾源，具有脈沖前沿時間短、能量高、持續(xù)時間短、偶然性等特點。運載火箭在進行火工品點火或者拋罩分離試驗時，往往結(jié)合測試流程，重復(fù)性較差?？紤]試驗流程的可靠性，兼顧解保指令、點火指令和瞬態(tài)電流三者相繼產(chǎn)生的時間較短，必須要能夠?qū)y量的數(shù)據(jù)進行連續(xù)采集。火工品如果按照輸出能量特性分類，可以分為輸出能量的引燃火工品、輸出爆炸能量的引爆類火工品、輸出動力類火工品［1］，本文的測量分別以第二類中的導(dǎo)爆索和第三類的用于分離的爆炸螺栓為對象，監(jiān)測點火時的瞬態(tài)波形。

3.1 測量儀器

瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾的測量常采用示波器和電壓／電流探頭相結(jié)合的方式，鑒于瞬態(tài)干擾的特點，要求電壓／電流探頭要響應(yīng)時間快、靈敏度高。

1）試驗中采用的示波器是泰克公司的TDS3054B，該設(shè)備采樣率為5 GB／s，帶寬為500 MHz，能夠敏感地捕獲50 MHz及以下的波形；

2）采用的電流探頭為皮爾遜公司的電流傳感器4688，可測量300 Hz～30 MHz的信號，探頭的轉(zhuǎn)移系數(shù)（V／A）為0.96，試驗時可以將回路中的電流值轉(zhuǎn)化為電壓值并且顯示在示波器上；

3）采用程控計算機進行控制的方法，通過該計算機將示波器上監(jiān)測的波形數(shù)據(jù)，通過GPIB數(shù)據(jù)線傳輸至本機，實現(xiàn)連續(xù)采集和存儲。

3.2 測量方法

第一類測量是結(jié)合測試流程展開，電流探頭置于圖1中點火輸出電路電纜線上（正負母線均包含在一根線纜中），火工品類型為導(dǎo)爆索。試驗過程中，艙段空間較為狹窄，內(nèi)部的火工品點火輸出電路電纜、控制電纜等線，緊貼艙壁布線，點火輸出電路電纜與控制電纜距離最近的位置約為50～100 mm，具體見圖2。點火輸出電路電纜包有屏蔽層，考慮到火工品爆炸時產(chǎn)生的沖擊、振動對探頭的影響，試驗時將電流探頭通過捆扎固定在點火輸出電路電纜以及控制電纜上，在兩線纜周圍放置兩個場強探頭測量電磁環(huán)境。

瞬態(tài)電流測量配置圖見圖3，點火輸出電路是連接火工品的電纜，為火工品的引爆提供足夠的能量，控制電纜為運載火箭提供控制信號，測量時以這兩根電纜上的瞬態(tài)傳導(dǎo)測量為主。具體步驟如下：

1）將兩臺示波器分別通過GBIP控制線與程控計算機連接，示波器內(nèi)阻設(shè)置為高阻；

2）兩個電流探頭分別卡在點火通路以及鄰近的控制電纜上，并通過高壓衰減器分別與兩臺示波器連接；

3）調(diào)試程控軟件，等待點火指令，準(zhǔn)備記錄數(shù)據(jù)。

試驗時，為了評估瞬態(tài)電流產(chǎn)生的電磁環(huán)境，如圖2所示，在艙段內(nèi)部放置了兩個場強探頭，探頭與場強監(jiān)視器通過光纖連接，通過場強監(jiān)視儀獲取電場信息。拋罩分離試驗伴隨著沖擊、振動，為此兩個探頭采取了減振和加固措施。

第二類測量是以運載火箭分離使用的爆炸螺栓為測量對象，試驗采用相同的測量配置對瞬態(tài)電流測量。試驗時，試驗件放置在較為空曠的場地，以減少來自外界環(huán)境的電磁干擾。

4 測量結(jié)果

4.1 拋罩試驗點火電路傳導(dǎo)干擾測量

在拋罩試驗中，利用上文的測量手段對試驗全流程進行監(jiān)控，捕獲到試驗期間火工品點火指令給出時產(chǎn)生的尖峰信號以及瞬態(tài)電流波形，見圖4、圖5。

圖4 可知，點火指令發(fā)出時，由繼電器切換產(chǎn)生的尖峰信號，最大尖峰上升沿約為30μs，持續(xù)時間約100μs，峰值為0.32 V，帶入電流探頭的轉(zhuǎn)移系數(shù)，算得對應(yīng)的瞬態(tài)電流值為0.33 A。對該信號進行傅立葉變換，該信號的頻率分量主要集中在1～10 kHz。

由圖5可知，瞬態(tài)電流的波形持續(xù)時間約為5 ms，最大脈沖的上升沿約為400μs，最大脈沖幅值約為0.18 V，帶入轉(zhuǎn)換系數(shù)得到對應(yīng)的瞬態(tài)電流值為0.19 A，頻率分量集中在500～800 Hz。兩種信號發(fā)生的時間間隔約為22 ms?；鸸て吩诠ぷ鲿r，按照設(shè)計指標(biāo)點火指令發(fā)出到點火瞬態(tài)電流的產(chǎn)生時間間隔不超過50 ms［5］，本次試驗中點火瞬態(tài)電流產(chǎn)生時間是符合正常點火試驗標(biāo)準(zhǔn)。

通過本文中提供的測量方法可以區(qū)分兩種連續(xù)發(fā)生的瞬態(tài)信號。點火指令產(chǎn)生的尖峰信號雖然幅值略大，但是持續(xù)時間非常短，所產(chǎn)生的能量很??；瞬態(tài)電流的持續(xù)時間為5 ms左右，能量要比前者大得多。

4.2 分離試驗點火電路傳導(dǎo)干擾測量

在分離火箭的點火試驗中，電流探頭先卡在點火輸出電纜上，但未捕捉到電流。后將點火輸出電路的正負母線剝離，將電流探頭卡在正母線上，測得瞬態(tài)電流波形，見圖6。該瞬態(tài)電流持續(xù)時間約為8 ms，最大脈沖的持續(xù)時間約為2 ms，對應(yīng)的上升沿為40μs，最大脈沖測量的幅值約12.2 V，帶入轉(zhuǎn)換系數(shù)得到對應(yīng)的瞬態(tài)電流值為12.7 A，進行傅立葉變換得到其頻率分量集中在1～10 kHz。

5 傳導(dǎo)干擾的串?dāng)_／輻射分析

5.1 瞬態(tài)干擾的輻射影響

在仿真軟件中進行建模，點火輸出電纜和控制電纜的距離d＝50 mm，兩線纜緊貼艙壁安裝，與艙壁的距離h＝10 mm，艙壁上下表面上有孔以安裝穿艙電纜，建立模型如圖7。

將文中測量的點火瞬態(tài)電流，即圖5的波形，作為激勵源，分析線纜鄰近位置處的電場分布。在距離該線束50 mm處，設(shè)置一個垂直觀察面，如圖8所示。在頻點分別為1 kHz、10 kHz、100 kHz時研究該線束對周圍空間產(chǎn)生的場強值。得到結(jié)果如圖9～11。

從圖9、10、11可以得到，在頻點為1 kHz時，干擾的場強最大為44.5 dBμV／m，同時隨著頻率升高而下降，從圖中的場強分布也可看出能量在靠近線纜處最高，隨著距離的變大而急劇減小。

將圖6中的瞬態(tài)電流作為激勵源，將線纜線型設(shè)置為雙絞線，設(shè)置垂直觀察面觀察點火電路產(chǎn)生的場強，結(jié)果見圖12。

從圖12可以看出，第二類火工品點火輸出電路上的瞬態(tài)電流作為激勵時，在頻點為10 kHz時場強為22 dBμV／m。仿真的規(guī)律與圖5的波形作為激勵時相同，在頻率能量集中點10 kHz時最大，而在遠離該頻點時，能量逐漸變小。

隨著海島旅游產(chǎn)業(yè)的悄然興起，為了擴展業(yè)務(wù)與提升用戶體驗，電子商務(wù)等相關(guān)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品越來越多逐漸融入到朱家尖的各個景點，景區(qū)對于高新技術(shù)驅(qū)動下的旅游產(chǎn)業(yè)非常向往，朱家尖東沙社區(qū)東荷嘉園專門成立了電子商務(wù)產(chǎn)業(yè)園來發(fā)展旅游產(chǎn)業(yè)，并取得了較好的成果[3]。

5.2 瞬態(tài)干擾的串?dāng)_影響

火工品點火指令發(fā)出后，將點火的瞬態(tài)電流作為干擾線的激勵源添加至模型，運載火箭上點火電路常用的線纜形式為屏蔽雙絞線，控制電路常用的線纜形式為非屏蔽的單線，故將激勵線的線型設(shè)置為屏蔽雙絞，受擾線線型為沒有屏蔽的單線?？紤]到運載火箭上不同設(shè)備的端接負載值不同，選取幾種典型阻值的設(shè)備作為受擾線的端接負載，研究其可能受到的串?dāng)_響應(yīng)，仿真結(jié)果見圖13。

圖13 中可以看出，隨著阻值從1Ω到2000Ω變化，串?dāng)_電流幅值越來越小，在負載為1Ω時串?dāng)_電流幅值為16 mA，在2000Ω負載時僅為1 mA。對比輸入電流可以看到，輸入電流的最大脈沖上升沿約為40μs，持續(xù)時間為2 ms，但是僅僅只有幾百納秒的干擾可以耦合到鄰近線纜，可以看出僅高頻的分量會帶來干擾。

6 火工品瞬態(tài)電流干擾的傳導(dǎo)、輻射特點

文中第3節(jié)介紹火工品點火時的瞬態(tài)電流的時域、頻域信息，并比較了在火工品類型為導(dǎo)爆索和爆炸螺栓兩類不同藥劑時，瞬態(tài)電流的特性，得到結(jié)論如下：

1）在火工品類型為導(dǎo)爆索時，測得點火指令給出22ms后，產(chǎn)生的瞬態(tài)電流幅值約為190 mA，持續(xù)時間約為5 ms，瞬態(tài)電流頻率分量集中在1 kHz以下；

2）火工品類型為爆炸螺栓時，將供電線的正負母線剝離，在正母線上測得瞬態(tài)電流約為12.7 A，持續(xù)時間約為8 ms，瞬態(tài)電流的頻率分量集中在1～10 kHz，在未剝離正負母線時，將電流探頭卡在點火輸出電纜上并未測量到瞬態(tài)電流。

文中第4節(jié)將測量得到的兩類瞬態(tài)電流作為激勵，在此基礎(chǔ)上分析瞬態(tài)干擾的輻射特性及串?dāng)_響應(yīng)。得到結(jié)論如下：

1）兩類瞬態(tài)電流的輻射場均是在頻率分量集中點場強為最高值。以本文中實測的兩類火工品瞬態(tài)電流波形為基礎(chǔ)，火工品類型為導(dǎo)爆索，輻射在1 kHz輻射場強最大，類型為爆炸螺栓時，輻射能量在10 kHz輻射場強最大。

2）火工品類型為導(dǎo)爆索時，在1 kHz頻點上輻射能量為44.5 dBμV／m，而火工品類型為爆炸螺栓頻點為10 kHz時，輻射的場強為22 dBμV／m。后者的輻射能量要弱于前者，這可能是第二次試驗沒有測量到整個導(dǎo)線上傳導(dǎo)干擾的原因。

3）從火工品的串?dāng)_響應(yīng)可以看出，隨著鄰近受擾線的端接負載的阻值變小，耦合的瞬時電流變大。這說明如果干擾線附近有并排的火工品引爆線，則該火工品引爆線上可能會耦合約15 mA的瞬時電流，而對總線類或其他傳感器類的導(dǎo)線上耦合的電流要小，僅為幾毫安。

7 結(jié)論

1）瞬態(tài)電流持續(xù)時間為毫秒量級，幅值約為幾百毫伏，頻率的分量集中在約1～10 kHz；利用本文的測量方法對拋罩試驗和分離試驗時，發(fā)現(xiàn)火工品類型為導(dǎo)爆索比爆炸螺栓的頻率分量要低。

2）從電磁場仿真結(jié)果來看，基于本文的測量結(jié)果，火工品類型為導(dǎo)爆索時，其輻射能量在1 kHz時能量最高，為45 dBμV／m；而火工品類型為爆炸螺栓時，其輻射能量在10 kHz時能量最高，為22 dBμV／m。

3）從爆炸螺栓產(chǎn)生的瞬態(tài)電流為激勵進行仿真的串?dāng)_響應(yīng)結(jié)果來看，鄰近受擾線在不同端接設(shè)備時，串?dāng)_電流不同，阻值越低，串?dāng)_的瞬態(tài)電流越大。對點火試驗來說，由于火工品在藥劑含量、以及藥劑類型等因素不同時，產(chǎn)生的瞬態(tài)電流會不同。

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M easurement and Study of Transient Interference Caused by Ignition Channel of Launch Vehicle Explosives

REN Muyuan，XU Hongping，TAO Yong，JIANG Tiehua
（Beijing Institute of Aerospace System Engineering，Beijing 100076，China）

Launch Vehicle uses dozens of even hundreds of explosives during itswork cycle，and the transient current caused by the ignition will have an impact on the adjacent cables／devices.Accord?ing to the fire test flow of the launch vehicle，ameasurementmethod for the transient current of the ignition channelwas proposed.Throughmultiplemeasurements of two types of explosive ignite chan?nels and the adjacent cables，the transient interference current waveform was obtained.Then the measured transient inference currentwaveform was used as the driving source in the simulation soft?ware.Radiation in low frequency was found in two types of EED through simulation.The radiation field strength decreased with the increase of the frequency within a certain frequency range and the maximum radiation field of the detonating cord was larger than that of the explosive bolt.Then the crosstalk of two kinds of explosiveswas analyzed and itwas found that the crosstalk current became smaller with the increase of the load resistor.

transient current；simulation；radiation characteristic；crosstalk

V556

A

1674?5825（2017）01?0070?06

2016?01?04；

2016?12?30

任牧原，男，碩士研究生，研究方向為電磁兼容。E?mail：renmuy＠163.com