航天器火工品點(diǎn)火電路誤觸發(fā)防護(hù)設(shè)計(jì)

劉 浩，楊薇秀，朱元元，楊志遠(yuǎn)，任 斌

航天器火工品點(diǎn)火電路誤觸發(fā)防護(hù)設(shè)計(jì)

劉 浩，楊薇秀，朱元元，楊志遠(yuǎn)，任 斌

（北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京，100076）

針對(duì)航天器火工品點(diǎn)火電路誤觸發(fā)防護(hù)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)增加電路的噪聲抑制、脈沖干擾抑制及上電配置保護(hù)功能。提高了電路的抗電磁干擾能力和上電配置過(guò)程保護(hù)能力。仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證表明該設(shè)計(jì)保證了航天器火工品點(diǎn)火的安全可靠。

火工品；航天器；點(diǎn)火電路；誤觸發(fā)；抗電磁干擾

可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性是航天產(chǎn)品重要“七性”設(shè)計(jì)要求?？煽亢桶踩脑O(shè)計(jì)是確保在勤務(wù)處理、測(cè)試、聯(lián)試、發(fā)射、飛行和長(zhǎng)期貯存過(guò)程中人員和產(chǎn)品安全、任務(wù)成功的基礎(chǔ)要素。航天火工品是航天器的重要組成部分, 是較敏感的爆炸元件或裝置的總稱。其特點(diǎn)決定了火工品產(chǎn)品是系統(tǒng)安全性的最大風(fēng)險(xiǎn)源之一，使用中出現(xiàn)任何故障，都可能會(huì)危及人員和產(chǎn)品安全，導(dǎo)致任務(wù)失敗，甚至帶來(lái)災(zāi)難性的后果?；鸸て伏c(diǎn)火電路是火工品激活的驅(qū)動(dòng)源，其作用是產(chǎn)生一個(gè)幾安培至幾十安培的電流，電能通過(guò)一定阻值的橋絲轉(zhuǎn)換為熱能，加熱橋絲周圍的點(diǎn)火藥并起爆主裝藥[1]。在實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，點(diǎn)火電路最重要的設(shè)計(jì)要求是在預(yù)定的點(diǎn)火時(shí)刻以外的任何情況下，不能因任何元器件和線路以及隨機(jī)因素等影響而誤觸發(fā)起爆火工品，導(dǎo)致危險(xiǎn)事故產(chǎn)生，危及操作人員及航天器產(chǎn)品的安全，既火工品點(diǎn)火電路不該起爆時(shí)決不允許火工品起爆[2]。

目前，航天器火工品點(diǎn)火電路設(shè)計(jì)中大部分采用處理器+固體繼電器+限流電阻的設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)方式較為簡(jiǎn)單，但存在兩個(gè)主要問(wèn)題：一是電子產(chǎn)品在工作過(guò)程中會(huì)受到環(huán)境電磁干擾信號(hào)影響，干擾信號(hào)主要源于雷電放電、靜電放電、浪涌干擾、潛在的來(lái)自敵方的射頻發(fā)射源發(fā)射的能量，特別是電子戰(zhàn)等引起的瞬態(tài)脈沖干擾，形式多為欠壓或過(guò)壓噪聲，電路易受到這些噪聲影響產(chǎn)生誤操作；二是在電路上電過(guò)程中及處理器配置過(guò)程中，由于處理器處于不定態(tài)，其輸出狀態(tài)不可控。而點(diǎn)火信號(hào)輸出使用高壓（如+28V）電源，屬于一次電源，往往先于控制電路使用的低壓（如+5V）電源達(dá)到有效狀態(tài)。因此會(huì)導(dǎo)致固體繼電器輸出端高壓供電先于低壓控制信號(hào)建壓有效，在低壓電源建壓過(guò)程中及處理器配置過(guò)程中，點(diǎn)火控制信號(hào)為不定態(tài)，極易開(kāi)啟固體繼電器，導(dǎo)致點(diǎn)火信號(hào)誤輸出。上述兩種工況會(huì)導(dǎo)致固體繼電器非正常導(dǎo)通，產(chǎn)生點(diǎn)火信號(hào)引爆火工品，極大影響系統(tǒng)及整個(gè)航天器飛行任務(wù)的成敗及參試人員的安全。本研究針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題開(kāi)展航天器火工品點(diǎn)火電路誤觸發(fā)防護(hù)設(shè)計(jì)。

1 傳統(tǒng)點(diǎn)火電路分析

傳統(tǒng)點(diǎn)火電路如圖1所示，由處理器發(fā)送低壓點(diǎn)火控制信號(hào)，此信號(hào)多為3.3V或5V的低壓TTL信號(hào)，高有效（或低有效，由具體電路決定），脈沖寬度幾十毫秒至幾百毫秒。固體繼電器可靠性高，抗力學(xué)環(huán)境能力強(qiáng)[2]，廣泛應(yīng)用于點(diǎn)火信號(hào)驅(qū)動(dòng)。在無(wú)點(diǎn)火控制信號(hào)時(shí)，固體繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)，輸出端無(wú)“點(diǎn)火信號(hào)”輸出。

圖1中點(diǎn)火控制信號(hào)經(jīng)過(guò)1和1后控制固體繼電器輸入端1，控制固體繼電器在點(diǎn)火控制信號(hào)有效后處于閉合狀態(tài)。固體繼電器輸入端1經(jīng)過(guò)限流電阻3連通高壓+28V電源，電源電流經(jīng)過(guò)繼電器輸出端輸出“點(diǎn)火信號(hào)”。2為外部火工品裝置的橋絲內(nèi)阻，點(diǎn)火信號(hào)經(jīng)過(guò)火工品后回路至電源地，火工品通過(guò)大電流點(diǎn)火信號(hào)起爆。此電路對(duì)于噪聲干擾以及上電配置過(guò)程的不定態(tài)引起的誤觸發(fā)情況沒(méi)有保護(hù)措施，點(diǎn)火控制信號(hào)易誤產(chǎn)生并觸發(fā)固體繼電器閉合，從而誤產(chǎn)生點(diǎn)火信號(hào)。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

為保證航天器傳統(tǒng)火工品點(diǎn)火電路避免由于電磁干擾及上電配置過(guò)程導(dǎo)致誤觸發(fā)情況發(fā)生，對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)火電路進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。改進(jìn)的點(diǎn)火電路主要由比較器、延時(shí)器、穩(wěn)壓二極管、MOS管、固體繼電器、電阻、電容等構(gòu)成。通過(guò)增加電路的欠壓噪聲抑制、脈沖干擾抑制及上電配置保護(hù)功能，提高電路的抗電磁干擾能力和上電配置過(guò)程保護(hù)能力，保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。主要措施包括：（1）通過(guò)設(shè)定基準(zhǔn)電壓及比較器，保證電路中出現(xiàn)欠壓噪聲信號(hào)時(shí)，信號(hào)不會(huì)驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路。（2）通過(guò)濾波設(shè)計(jì)濾除脈沖干擾信號(hào)的影響，保證輸入給固體繼電器的控制信號(hào)是沒(méi)有毛刺的“干凈”信號(hào)，避免固體繼電器被誤導(dǎo)通。（3）通過(guò)延時(shí)器和MOS管設(shè)計(jì)保證在上電及處理器配置過(guò)程中點(diǎn)火信號(hào)輸出斷路，無(wú)輸出電流。

3 電路實(shí)現(xiàn)

針對(duì)導(dǎo)致航天器火工品點(diǎn)火電路的誤觸發(fā)影響較大的兩個(gè)因素，從3方面進(jìn)行電路優(yōu)化設(shè)計(jì)：（1）欠壓噪聲抑制：對(duì)于固體繼電器輸入控制端的欠壓干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。（2）脈沖干擾抑制：對(duì)于正常電平信號(hào)進(jìn)行脈沖干擾抑制，濾除脈沖毛刺干擾。（3）上電配置過(guò)程保護(hù)：在產(chǎn)品上電及控制器配置過(guò)程中，通過(guò)保護(hù)電路確保點(diǎn)火信號(hào)不輸出。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化的航天器火工品點(diǎn)火電路如圖2所示。

圖2 優(yōu)化的火工品點(diǎn)火電路

圖2中TTL點(diǎn)火控制信號(hào)為處理器輸出（如DSP、FPGA或單片機(jī)等），其輸出電壓多為+3.3VTTL電平，可兼容+5VTTL電平。高脈沖有效，脈沖寬度一般為100ms量級(jí)。信號(hào)輸出時(shí)刻及脈沖寬度由軟件決定。

1為穩(wěn)壓二級(jí)管，經(jīng)過(guò)3及4電阻分壓后產(chǎn)生比較器1的基準(zhǔn)輸入電壓，基準(zhǔn)電壓值可通過(guò)3及4調(diào)整。1為點(diǎn)火控制信號(hào)的濾波電容。點(diǎn)火控制信號(hào)端如產(chǎn)生欠壓干擾噪聲，只要其不高于1的基準(zhǔn)輸入電壓，則比較器1不會(huì)產(chǎn)生輸出電平，直到點(diǎn)火控制信號(hào)端產(chǎn)生有效的高脈沖TTL信號(hào)。欠壓噪聲抑制功能得以實(shí)現(xiàn)。

2為555延時(shí)器，在單穩(wěn)態(tài)工作模式下，555延時(shí)器作為單次觸發(fā)脈沖發(fā)生器工作。當(dāng)觸發(fā)輸入電壓降至VCC的1/3時(shí)開(kāi)始輸出脈沖。輸出的脈寬取決于由定時(shí)電阻與電容組成的RC網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)[4]。當(dāng)電容電壓升至VCC的2/3時(shí)輸出脈沖停止。根據(jù)實(shí)際需要可通過(guò)改變RC網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)脈寬。輸出脈寬，即電容電壓充至VCC的2/3所需要的時(shí)間為=1.1×2×6，此后2輸出變?yōu)楦唠娖讲⒈３帧Ｔ?輸出低電平的過(guò)程中N型MOS管1保持截止?fàn)顟B(tài)，阻斷+28V電源到點(diǎn)火信號(hào)輸出的通路?？赏ㄟ^(guò)2和6的選擇保證為秒級(jí)，保證在上電及處理器配置過(guò)程中點(diǎn)火信號(hào)輸出端沒(méi)有電流輸出，實(shí)現(xiàn)上電配置過(guò)程保護(hù)功能。

為簡(jiǎn)化電路的同時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波功能，可通過(guò)1和1實(shí)現(xiàn)一階低通濾波，將正常電平范圍內(nèi)的脈沖干擾進(jìn)行濾除。8為限流電阻，9為火工品裝置的橋絲電阻。

4 仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

使用電路仿真驗(yàn)證工具對(duì)圖2所示電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證電路的3方面優(yōu)化設(shè)計(jì)是否滿足需求。

4.1 欠壓噪聲抑制仿真

1選擇了3.3V的穩(wěn)壓二級(jí)管IN4728A，3及4分別選擇1kΩ及2kΩ的電路進(jìn)行分壓。1選擇了電壓比較器LM119，5選擇2kΩ作為1的輸出上拉電阻。理論上，當(dāng)TTL點(diǎn)火控制信號(hào)大于2.2V時(shí)，1才能輸出+5V的高電平信號(hào)。建立上述電路仿真模型，進(jìn)行仿真測(cè)試，欠壓噪聲抑制仿真結(jié)果見(jiàn)圖3，由圖3測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)當(dāng)TTL點(diǎn)火控制信號(hào)低于2.5V時(shí)，1輸出為低電平，實(shí)現(xiàn)了欠壓噪聲信號(hào)的抑制。實(shí)際使用中可以根據(jù)點(diǎn)火控制信號(hào)電平要求調(diào)整3及4阻值。

圖3 欠壓噪聲抑制仿真結(jié)果圖

4.2 脈沖干擾抑制仿真

由于本文中TTL點(diǎn)火控制信號(hào)特定為100ms左右的脈沖信號(hào)，因此1和1本別選擇了20Ω和750 nF。建立電路仿真模型，進(jìn)行仿真測(cè)試，脈沖干擾抑制仿真結(jié)果見(jiàn)圖4，由圖4測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)當(dāng)TTL點(diǎn)火控制信號(hào)為30kHz以上的高頻脈沖信號(hào)時(shí)，1的輸入端已被濾波電路抑制至1.952V以下，無(wú)法驅(qū)動(dòng)比較器1輸出高電平，實(shí)現(xiàn)了脈沖干擾信號(hào)的抑制。實(shí)際使用中可以根據(jù)點(diǎn)火控制信號(hào)脈寬要求調(diào)整1及1值。

圖4 脈沖干擾抑制仿真結(jié)果圖

4.3 上電配置過(guò)程保護(hù)仿真

2和6分別選擇1uF及10kΩ，2選擇555延時(shí)器，1選擇一款20A以上的N溝道增強(qiáng)型MOS管。建立電路仿真模型，進(jìn)行仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)當(dāng)上電后約11ms延時(shí)器輸出高電平，導(dǎo)通MOS管，即上電后11ms內(nèi)MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)，圖2所示的9端不會(huì)有點(diǎn)火電流流過(guò)，在上電11ms內(nèi)處理器配置過(guò)程中TTL點(diǎn)火控制信號(hào)不穩(wěn)定也不會(huì)輸出點(diǎn)火信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了上電配置過(guò)程保護(hù)。實(shí)際使用中可以根據(jù)處理器上電配置所需時(shí)間要求調(diào)整2和6值。

圖5 上電配置過(guò)程保護(hù)仿真結(jié)果圖

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)GJB 151B-2013[5]及GJB 3590-1999[6]要求對(duì)實(shí)物電路產(chǎn)品開(kāi)展了電磁兼容性試驗(yàn)，分別進(jìn)行了CS101、CS106、CS114、CS115、CS116、RS103及ESD試驗(yàn)，考核優(yōu)化后的點(diǎn)火電路在各種傳導(dǎo)、輻射及靜電放電電磁環(huán)境下，上電及工作過(guò)程中是否能有效避免點(diǎn)火電路誤觸發(fā)。通過(guò)監(jiān)測(cè)圖2中“點(diǎn)火信號(hào)輸出”波形，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有異常信號(hào)輸出，說(shuō)明電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火信號(hào)誤觸發(fā)防護(hù)功能。

5 結(jié)論

對(duì)傳統(tǒng)航天器火工品點(diǎn)火電路進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過(guò)增加電路的欠壓噪聲抑制、脈沖干擾抑制及上電配置保護(hù)功能，提高了電路的抗電磁干擾能力和上電配置過(guò)程誤觸發(fā)防護(hù)能力，經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證及試驗(yàn)測(cè)試，表明優(yōu)化后的點(diǎn)火電路滿足設(shè)計(jì)要求。

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[3] 杜光遠(yuǎn).固體繼電器在武器系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2015, 33(5) :28-31.

[4] 楊頌華,馮毛官,等.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2009.

[5] GJB 151B-2013軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量[S].國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),2013.

[6] GJB 3590-1999 航天系統(tǒng)電磁兼容性要求[S].國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1999.

Error Trigger Protection Design of Spacecraft Initiator Ignition Circuit

LIU Hao, YANG Wei-xiu, ZHU Yuan-yuan, YANG Zhi-yuan, REN Bin

(Beijing Institute of Space Long March Vehicle，Beijing，100076)

According to the error trigger protection design requirements of spacecraft initiator ignition circuit, noise suppression, pulse interference suppression and power-on configuration protection functions of the circuit were designed, to improve the anti-electromagnetic and configuration protection ability. The simulation and test results indicated the designs guarantees the safety and reliability of spacecraft.

Initiator；Spacecraft；Ignition circuit；Error trigger；Anti-electromagnetic interference

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.04.005

1003-1480（2019）04-0019-04

2019-06-12

劉浩（1982 -），男，高級(jí)工程師，主要從事飛行器電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。