GJB 1307A航天火工裝置通用規(guī)范修訂情況介紹

劉世毅，郝 芳，陳 勁

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GJB 1307A航天火工裝置通用規(guī)范修訂情況介紹

劉世毅，郝 芳，陳 勁

（北京空間機電研究所，北京，100094）

GJB 1307A-2004 航天火工裝置通用規(guī)范的執(zhí)行對航天火工裝置的研制和質量保證起到了重要的推動作用。但在執(zhí)行過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題：一方面是航天火工裝置的種類不斷更新，規(guī)范內容已不能完全滿足實際研制情況的需要；另一方面，一些規(guī)定與實際研制情況不一致，造成使用部門在理解和執(zhí)行上的困難。因此，航天科技集團五院508所在廣泛征集行業(yè)內意見后完成了標準的修訂。本文詳細介紹了標準的修訂情況，并對修訂原因、修訂依據及修訂情況進行了介紹和說明，為研制和使用航天火工裝置的技術人員深入理解、準確把握和實施新標準提供參考。

火工裝置；航天；標準；修訂

火工裝置是指利用火炸藥、推進劑的燃燒或爆炸反應產生能量，通過結構或機構完成預期功能的裝置的總稱?；鸸ぱb置通常作為航天飛行器的關鍵部件，用于執(zhí)行太陽帆板展開、天線展開、級間分離、載荷釋放等關鍵動作。區(qū)別于常規(guī)武器使用的雷管、火帽、發(fā)煙彈、曳光彈等火工品，火工裝置通過預定刺激量激發(fā)、利用爆炸或燃燒效應給出較大、集中的功率產生機械功，最終目標為產生機構一次性動作，具有能量質量比高、動作迅速、可靠性高的突出優(yōu)勢。

GJB 1307A-2004航天火工裝置通用規(guī)范是航天火工裝置的頂層標準和產品性能考核及驗證的重要依據，規(guī)定了火工裝置的產品性能、質量保證措施、檢驗方法等。隨著火工技術的發(fā)展，通用規(guī)范在執(zhí)行過程中積累了不少經驗，但也發(fā)現(xiàn)一些問題：一方面是航天火工裝置的種類不斷更新，規(guī)范內容已不能完全滿足實際研制情況的需要；另一方面，一些規(guī)定與實際研制情況不一致，造成使用部門在理解和執(zhí)行上的困難。因此根據總裝備部武器裝備技術基礎科研計劃的要求，對GJB 1307A提出了修訂計劃。修訂工作由中國航天科技集團五院508所負責，一院一部、七院692廠等火工裝置研制單位參與，在廣泛征求科技集團、科工集團、兵器工業(yè)等多家研制和使用單位的意見后，完成了修訂標準的報批稿，進入待發(fā)布階段。

1 標準發(fā)展過程

航天火工裝置通用規(guī)范相繼制訂的標準有：（1）QJ 1075-1986:航天火工裝置通用技術要求（廢止，由QJ 1075A替代）；（2）GJB 1307-1991衛(wèi)星火工裝置通用規(guī)范（廢止，與GJB 1307合并由GJB 1307A替代）；（3）QJ 1075A-1996航天火工裝置通用規(guī)范（廢止，與GJB 1307合并由GJB 1307A替代）；（4）GJB 1307A-2004航天火工裝置通用規(guī)范（現(xiàn)行，進行修訂）。

通用規(guī)范的執(zhí)行和使用對航天火工裝置的研制和質量保證起到了重要的推動作用，得到火工裝置研制生產部門的廣泛認可。隨著火工專業(yè)技術水平的提高，標準內容也一直在更新。GJB 1307A-2004編寫時參考了美軍標MIL-HDBK-83578-1999航天飛行器爆炸系統(tǒng)和裝置[1-2]，在技術水平上與國際同類標準基本保持一致。本次修訂更多參考了NASA AIAA S-113-2005運載與空間飛行器用爆炸系統(tǒng)和裝置規(guī)范[3]，以及ECSS-E-ST-33-11C航天工程：爆炸系統(tǒng)和裝置[4]和ISO 26871航天系統(tǒng)-爆炸系統(tǒng)和裝置[5]。NASA AIAA S-113涵蓋了MIL-HDBK- 83578的設計思想，并對一些內容進行了補充和修訂，使得內容更加全面，要求更加具體。ECSS-E-ST-33-11C和ISO 26871總結了歐空局爆炸系統(tǒng)的研制生產經驗，對本標準的修訂也具有一定的參考意義。標準的修訂過程認真研究并吸取了國外火工裝置的研制經驗和理論研究進展，特別是火工裝置裕度驗證與檢驗要求，使得標準的修訂既能夠結合我國國情，又盡可能與國際先進水平接軌。

2 火工裝置功能與分類

火工裝置的分類既是系統(tǒng)應用的前提，也是開展設計和驗證檢驗的基礎，清晰的分類便于對不同裝置的要求和考核項目集中表述，準確地反映不同產品的特點，并保證驗證充分。由于火工裝置的種類多、應用范圍廣，新技術、新產品也不斷出現(xiàn)，國內外相關規(guī)范對火工裝置的類別劃分都不盡相同，每一次通用規(guī)范的修訂也對類別劃分不斷更新。本次修訂參考MIL-HDBK-83578和NASA AIAA S-113對爆炸系統(tǒng)的定義，根據爆炸序列與終端機構相應功能對火工裝置進行分類，如圖1所示。

圖1 航天火工裝置功能示意圖

火工裝置根據功能可以分為點火起爆、傳火傳爆、能量輸出、機構動作4個功能模塊，按照火藥能量的傳輸方向，火工裝置從左向右依次完成各種功能，實現(xiàn)機構的最終動作。每一類火工裝置可實現(xiàn)其中一種或多種功能。

點火起爆功能是指由機械、電或光等刺激始發(fā)裝藥產生爆轟或燃燒，并作為能量源激發(fā)后續(xù)裝藥的過程。其輸出可以是熱、氣體、光或燃燒粒子等?；鸸ぱb置利用點火起爆功能實現(xiàn)能量的轉化與放大，通常這種功能不是獨立存在的，但作為爆炸序列中的初始能量源又必不可少。根據不同的能量轉化形式，可以分為機械起爆、電起爆和光起爆等。

傳火傳爆功能是通過點火起爆，將爆轟或燃燒產生的能量傳遞到下一級的過程，也是爆炸序列的重要組成部分。傳火傳爆功能可用于實現(xiàn)同步傳爆、延時傳火、密封傳爆等。在國外標準中[1,3-4]，隔板點火器明確列為傳爆部件，用于密封條件下的能量傳遞。

能量輸出功能是通過點火起爆、傳火傳爆，利用火炸藥的爆轟或燃燒實現(xiàn)能量做功、聚能切割等功能。輸出的能量用于實現(xiàn)下一級機構的預定動作，但不包括機構本身。

機構動作功能是航天火工裝置的主要實現(xiàn)形式，通過點火起爆、傳火傳爆，利用火炸藥的爆轟或燃燒輸出能量，完成終端機構預定動作。航天器使用多種機構動作類火工裝置，用于完成解鎖、切割、彈射、作動和閥門開閉等各類規(guī)定動作。依據功能分類原則，列出航天火工裝置詳細類別，如圖2所示，該類別涵蓋目前運載與航天器用全部火工裝置。

圖2　航天火工裝置分類

但在本次修訂中，不再將安全執(zhí)行機構列入火工裝置分類。一方面是由于直列式點火系統(tǒng)和鈍感電點火器的全面推廣和應用，能夠保證點火安全性，使得意外點火故障模式得到有效控制；另一方面是安全執(zhí)行機構的驗證檢驗方法在引信的試驗驗證方法[6-7]中有詳細要求，因此本規(guī)范不再重復規(guī)定。

從功能角度出發(fā)，本次標準修訂強調了火工裝置實現(xiàn)各類功能的裕度要求，并提供了較為詳盡的技術要求和試驗方法，這對保證火工裝置完成規(guī)定功能和可靠性具有重要的指導意義。根據分類的變化，本標準在修訂內容上盡可能體現(xiàn)了功能裕度的設計思路和要求。

3 主要修訂內容

3.1 適用范圍調整

十幾年來，我國航天技術的發(fā)展日新月異，航天器的研制不再局限于運載火箭、衛(wèi)星和導彈武器等常規(guī)飛行器，載人飛船、目標飛行器、探測器等新型航天器上都使用了大量火工裝置。因此在修訂標準時將適用范圍擴展為：衛(wèi)星、飛船、深空探測器等航天器、運載器及導彈武器等，全面覆蓋目前航天火工裝置的適用范圍。

借鑒美軍標改革的成功經驗和有益做法[8]，我國軍用標準的改革也旨在規(guī)范軍品采購環(huán)節(jié)，降低采購成本。修訂標準為通用產品規(guī)范，用于支持軍用裝備訂購，主要規(guī)定訂購對象應符合的交付要求，不再對設計方法及設計準則進行規(guī)定，但包含設計驗證的檢驗要求。因此標準名稱更改為《航天火工裝置規(guī)范》，主要規(guī)定航天火工裝置的要求、質量保證規(guī)定和交貨準備，適用于航天火工裝置的設計、制造和驗收。

3.2　裕度及驗證

裕度是火工裝置設計的核心內容，是保證火工裝置可靠性的前提和基礎[9-10]。在設計驗證階段，應對火工裝置的功能實現(xiàn)情況進行全面的驗證。GJB 1307A-2004按起爆器、傳爆裝置、聚能切割裝置、火工作動裝置等類別規(guī)定各類裝置的性能要求及驗證方法。本次修訂強調火工裝置是由傳爆序列與終端多種功能共同組成的整體，其可靠性是多個功能環(huán)節(jié)組成的串聯(lián)系統(tǒng)，任一環(huán)節(jié)的可靠性降低都會影響整個裝置的功能實現(xiàn)，應開展系統(tǒng)級的可靠性評價。本次修訂以功能裕度為劃分準則，基于航天火工裝置的功能分類，規(guī)定了不同功能的裕度驗證方法。

針對點火起爆功能，需要考核其全發(fā)火能量和不發(fā)火能量。在0.95的置信度下，其全發(fā)火能量和不發(fā)火能量的可靠度都應大于0.999。

傳火傳爆功能需要考慮爆炸序列所有傳火與傳爆環(huán)節(jié)出現(xiàn)的不連續(xù)或間隙。GJB 1307A-2004給出了4倍最大規(guī)定間隙和最大間隙加3倍偏差兩種傳爆裕度的考核方法，這兩種方法沒有規(guī)定使用條件，也無法評估哪種方法更惡劣，在執(zhí)行過程經常引起爭議。本次修訂確定使用最大間隙加3倍偏差的傳爆裕度驗證方法，與MIL-HDBK-83578和NASA AIAA S-113所述方法一致。

實現(xiàn)能量輸出功能的火工裝置種類較多，實現(xiàn)功能各異，因此針對不同類型規(guī)定了裕度驗證方法，并且要考慮不同目標的適用性。對于線性分離裝置的切割裕度，單質材料的切割能力應達到1.5倍最大設計厚度，復合材料應達到2倍最大設計厚度。對于氣體發(fā)生器、小型固體火箭發(fā)動機等燃燒室結構，金屬殼體結構強度裕度應達到1.5倍，非金屬殼體應達到2倍。

機構動作功能裕度以裝藥量或輸出能量的80％和120％作為考核指標。采用大小裝藥量的裕度考核方法，包絡了火藥能量的散布與偏差，便于實際操作和使用。但在火藥能量散布過大的情況下會影響裝置的可靠性，因此以輸出能量作為考核指標更為準確。以輸出能量作為裕度考核指標首先需要測定輸出能量的均值和散布[11]，依據最小輸出能量的80％和最大輸出能量的120％作為考核指標，按照較惡劣的條件進行試驗驗證。另外，在裝藥量和裝藥容腔不變的情況下，性能裕度考核可以使用增加1.2倍外載荷的方法進行。

3.3 可靠性與安全性

航天火工裝置用于執(zhí)行航天器的關鍵動作，其可靠性直接影響飛行任務的成敗，因此飛行器對火工裝置的可靠性要求非常高。GJB 1307A-2004規(guī)定火工裝置的設計目標為置信度0.95，可靠度大于等于0.99。實際使用中所有飛行任務都對火工裝置可靠性提出了更高的要求。本次修訂提高了火工裝置可靠性設計指標，要求置信度0.95，可靠度不小于0.995，與AIAA- S-113中的可靠性要求一致。根據功能示意圖，火工裝置完成一種或多種功能，因此每個功能環(huán)節(jié)都應分配更高的可靠性指標。

火工裝置的安全性首先要防止意外點火，應采取屏蔽、短路等安全保險措施，保證電起爆器的操作、使用安全，消除靜電、電磁等環(huán)境的影響，避免造成災難性危害；其次是在消除和防止危險發(fā)生的同時，應將對人員、設備和設施的危險減至最小，本次修訂增加了6m跌落試驗不爆炸的要求，跌落試驗后應保證后續(xù)勤務安全。

3.4 鈍感電起爆器

鈍感電起爆器在航天火工裝置中使用廣泛，是實現(xiàn)點火起爆功能的主要部件。GJB 1307A-2004中對起爆器的檢驗方法進行了詳細規(guī)定，但同時行業(yè)內也執(zhí)行GJB 344A-2005 鈍感電起爆器通用規(guī)范[12]的要求。由于兩份標準在設計要求、檢驗項目、檢驗數量等方面都存在不一致，因此在研制和使用過程中經常出現(xiàn)爭議。GJB 1307A-2004借鑒了美軍標的設計思路，強調全發(fā)火能量裕度的考核，但缺少12m跌落、烤爆等安全性考核要求；起爆器的鑒定檢驗數量僅126發(fā)，遠小于GJB 344A規(guī)定的420發(fā)數量，因為航天火工裝置強調冗余點火設計，從而減少了起爆器的可靠性驗證數量。隨著航天技術的產業(yè)化發(fā)展，電起爆器作為獨立部件逐步形成標準化系列產品為火工裝置配套，其成熟度和可靠度是產品化發(fā)展的先決條件，應該開展充分的試驗驗證。比較而言，GJB 344A的規(guī)范要求更為嚴格。本次修訂不再詳細規(guī)定起爆器的檢驗方法，明確鈍感電起爆器滿足GJB 344A的規(guī)定，其他起爆器應滿足GJB 3653的規(guī)定。

3.5 檢驗分類及檢驗項目

GJB 1307A-2004中將檢驗項目分為設計驗證檢驗、鑒定檢驗、質量一致性檢驗和使用壽命檢驗。由于使用壽命是火工裝置的一般要求，可以通過分析或驗證來評估該項指標，因此本次修訂將貯存壽命驗證作為鑒定檢驗或質量一致性檢驗的一個檢驗項目，通過規(guī)定方法進行考核。

修訂的火工裝置規(guī)范主要適用于軍方訂貨，檢驗項目是軍方訂貨關注的主要內容。設計驗證檢驗貫穿火工裝置研制的全部過程，針對火工裝置性能設計特點開展驗證，檢驗項目如表1所列。

表1 火工裝置設計驗證檢驗項目

Tab.1 Inspection items of pyrotechnic devices for design verification

雖然設計驗證檢驗與產品交付沒有直接關系，但卻是鑒定檢驗與質量一致性檢驗的前提和保障，是研制過程不可缺少的檢驗環(huán)節(jié)。鑒定檢驗用于固化火工裝置產品狀態(tài)，適用于定型前對產品技術狀態(tài)的全面驗證。質量一致性檢驗用于批次交付產品的性能檢驗，適用于各階段產品的交付。常規(guī)檢驗項目如表2所列，因此修訂后的檢驗方法能夠覆蓋火工裝置全部研制過程。

表2 火工裝置檢驗項目

Tab.2 Inspection items of pyrotechnic devices

4 結論

本次修訂以航天裝備國家軍用標準改革為背景，逐步將軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略融入標準化改革的進程當中。標準的修訂目標是指導航天火工裝置研制、質量控制管理行為更加科學化、系統(tǒng)化和規(guī)范化，從而提升航天火工技術的競爭能力和經濟效益。

本次修訂過程中，受到內容編制要求的限制，對航天火工裝置的性能試驗方法未能全面深入研究。MIL-HDBK-83578與NASA AIAA-S-113中詳細地描述了各類火工裝置的試驗方法，ECSS-E-ST-33 -11C和ISO 26871詳細規(guī)定火工裝置的質量控制要求，這些對保證產品性能、提升產品質量都有積極地作用。希望火工裝置技術人員在設計、研制、生產過程中能夠深入研究、參考并應用這些成熟經驗，進一步提高產品質量和技術水平。

后續(xù)在標準實施過程中，也需要充分理解標準的精神，準確把握各項要求，認真分析產品的技術要求和特點，避免錯誤套用條款。標準中涉及的火工裝置基本涵蓋了航天型號上使用的產品類型，火工裝置應針對不同功能開展設計驗證與可靠性評估。另外要注意，標準中規(guī)定的條款和檢驗項目是通用或最低要求，當專用技術文件高于本規(guī)范要求時，應依據專用技術文件的規(guī)定執(zhí)行。

[1] MIL-HDBK-83578-1999 Criteria for explosive systems and devices used on space vehicles [S]. United States Air Force,1999.

[2] 高濱.談談國家軍用標準《航天火工裝置通用規(guī)范》的修訂[J].航天標準化,2004(2):16-19.

[3] NASA AIAA S-113-2005 Criteria for explosive systems and devices used on launch and space vehicles [S]. American Institute of Aeronautics and Astronautics,2005.

[4] ECSS-E-ST-33-11C Space engineering：explosive systems and devices[S].European Cooperation for Space Standardization, 2008.

[5] ISO 26871. Space systems - explosive systems and devices [S]. International Standardization Organization, 2012.

[6] GJB 373A-97 引信安全性設計準則[S].國防科學技術工業(yè)委員會, 1997.

[7] GJB 573A-98 引信環(huán)境與性能試驗方法[S].國防科學技術工業(yè)委員會, 1998.

[8] 王宇飛.美軍標改革與軍民融合發(fā)展的啟示[J].船舶,2016 (2): 93-96.

[9] Bement, Laurence J. and Schimmel, Morry L. Determination of pyrotechnic functional margin[R].NASA Report, N93-20134.

[10] 劉志全.航天器機械可靠性特征量裕度的概率設計方法[J]. 中國空間科學技術, 2007,27(4):34-43.

[11] Laurence J. Bement, Herbert A. Multhaup, Determining functional reliability of pyrotechnic mechnical devices[J]. AIAA. Journal,1999,37(3):357-363.

[12] GJB 344A-2005 鈍感電起爆器通用規(guī)范[S]. 國防科學技術工業(yè)委員會, 2005.

The Revision of GJB 1307A

LIU Shi-yi，HAO Fang，CHEN Jin

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity，Beijing，100094）

The implementation of GJB 1307A-2004 “Specification for Pyrotechnic Devices of Aerospace” is to promote an important force in development and quality assurance of pyrotechnic devices. However, problems are also discovered during the implementation. On the one hand, the content of the specification has not met the actual requirements completely with the updating of the device types. On the other hand, because of the actual development effort disaccording with the regulation, it will cause understanding divarication and executing difficulty for use department. Therefore, the revision of this standard has been completed after collected all the feedback in this field by China Academy of Space Technology. The change and development of the specification is introduced in this paper, with the emphasis on the reason analysis, guiding principles, and main contents during the process. All of these are proposed to provide reference for pyrotechnic engineer to understand, grasp and implement the new standard.

Pyrotechnic devices；Aerospace；Standard；Revision

1003-1480（2018）05-0051-05

TJ45+6

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.05.014

2018-06-30

劉世毅（1975-），女，研究員，主要從事航天火工技術的研究與應用。