國內(nèi)外標準中火工品設(shè)計與檢驗要求

張蕊 趙成森 林娜 張宸赫 李芳

（1中國兵器工業(yè)第二一三研究所，西安，710061；2中國兵器業(yè)標準化研究所，北京，100081）

火工品是武器系統(tǒng)的重要組成部分，承擔著武器系統(tǒng)起爆、點火、作功和特種效應(yīng)等功能，廣泛應(yīng)用于海、陸、空、天各類武器裝備?；鸸て肥俏淦餮b備的首發(fā)元件，其起爆/點火的功能可靠性直接影響武器裝備系統(tǒng)功能實現(xiàn)?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭對火工品也提出了更高效、更安全、更可靠等要求。 “更高效”使換能效率更高的新型火工品的應(yīng)用越來越廣泛； “更安全”推動了高安全火工品的發(fā)展； “更可靠”表現(xiàn)在對火工品的各種性能試驗驗證和環(huán)境適應(yīng)性考核更加嚴格。

火工品技術(shù)發(fā)展至今可以分為4代。第一代是以摩擦、撞擊等機械能引發(fā)的機械火工品（如槍彈底火等）；第二代是以電能轉(zhuǎn)化成熱能引發(fā)的電熱火工品（如電雷管、電起爆器）等；第三代是等離子體、窄脈沖沖擊和激光引發(fā)的新型火工品（如半導(dǎo)體橋火工品、爆炸箔火工品和激光火工品）等；第四代是指目前正處于研究階段的靈巧火工品，具有換能信息化、結(jié)構(gòu)微型化和序列集成化的特點，是火工品的發(fā)展方向之一。以爆炸箔火工品、激光火工品和半導(dǎo)體橋火工品為代表的第三代火工品因具有較高本質(zhì)安全性和良好的環(huán)境適應(yīng)性受到廣泛關(guān)注。

美國是航天大國，其航天火工品的設(shè)計、試驗和評估能力位于世界前列。同時，美國航天火工品的標準也是最全面、最具體的。通過標準約束火工品的設(shè)計、制造和使用，保證火工品的功能和可靠性，推動火工品新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。分析研究美國的航天標準中火工品技術(shù)及其測試試驗與評估方法的變化和進步，不僅可以了解國外火工品新技術(shù)的應(yīng)用情況，還可以掌握控制產(chǎn)品質(zhì)量的一些新方法。本文重點分析美國航天標準AIAA S-113A-2016《發(fā)射及空間飛行器用爆炸系統(tǒng)及裝置規(guī)范》中涉及火工品，特別是第三代火工品的設(shè)計要求和驗證方法，并將其與GJB 1307A—2004《航天火工裝置通用規(guī)范》等相關(guān)標準進行對比研究。

1 AIAA S-113與GJB 1307的發(fā)展和主要內(nèi)容

1.1 發(fā)展歷程

AIAA S-113A-2016《發(fā)射及空間飛行器用爆炸系統(tǒng)及裝置規(guī)范》由美國航空航天學(xué)會（AIAA）組織編制，是目前最全面和系統(tǒng)的火工品設(shè)計和試驗標準。該標準最早于2005年制定，編制目的是建立用于發(fā)射、宇宙空間站及空間飛行器系統(tǒng)的爆炸系統(tǒng)和爆炸裝置的設(shè)計、生產(chǎn)和性能合格驗證規(guī)范。該標準是針對爆炸系統(tǒng)供應(yīng)商和使用者的一個通用文件，適用于研發(fā)和驗收過程中的各個階段，目的是確保火工品的安全應(yīng)用和高可靠性。該標準全面地規(guī)定了爆炸箔火工品、激光火工品和半導(dǎo)體橋火工品等新型火工品及其組成爆炸系統(tǒng)與裝置的設(shè)計和試驗方法，對于火工品新技術(shù)的應(yīng)用起到了重要的指導(dǎo)作用，得到了行業(yè)的普遍認可。2016年，AIAA對該標準進行了修訂，新標準除規(guī)定了保證新型火工品安全性和可靠性的要求，還增加部分性能測試、驗證及評估方法。

GJB 1307A—2004《航天火工裝置通用規(guī)范》是在GJB 1307—1991《衛(wèi)星火工裝置通用規(guī)范》的基礎(chǔ)上，合并了QJ 1075A—1996《航天火工裝置通用規(guī)范》和QJ 2471—1993《衛(wèi)星彈射筒通用規(guī)范》2個航天行業(yè)標準編制而成的。該標準規(guī)定了航天火工裝置的通用要求、質(zhì)量保證規(guī)定和交貨準備。相比舊標準，新標準在涵蓋范圍、可靠性指標以及輸入輸出能量等方面進行了修訂。

可以看出，國內(nèi)外的這兩個標準都是針對航天火工品提出的通用規(guī)范，使用的范圍也相似。不同的是，AIAA S-113的2005年版本中就已經(jīng)涵蓋了爆炸箔火工品、半導(dǎo)體橋火工品和激光等新型火工品，而GJB 1307僅限于電熱火工品?？梢娂夹g(shù)應(yīng)用上是有差距的。

1.2 標準的主要內(nèi)容

AIAA S-113A-2016標準包括：序言、標準目錄、引言、術(shù)語縮寫、1范圍、2剪裁、3適用文件、4術(shù)語、5設(shè)計要求、6鑒定要求、附錄A1～附錄A5等15部分。其中， “5設(shè)計要求”和“6鑒定要求”是該標準的重點內(nèi)容，也是指導(dǎo)航天火工品設(shè)計和鑒定的主要內(nèi)容。附錄包括A1到A5，分別給出了進行設(shè)計和鑒定過程中所涉及的重要試驗的試驗要求和試驗方法。

GJB 1307A—2004標準包括：目錄、前言、1范圍、2規(guī)范性引用文件、3要求、4質(zhì)量保證規(guī)定、5交貨準備、6說明事項、附錄A傳爆裕度設(shè)計驗證方法等7部分。其中，第3部分“要求”中規(guī)定了航天火工裝置設(shè)計相關(guān)要求，第4部分“質(zhì)量保證規(guī)定”中規(guī)定了鑒定檢驗的要求，是本標準的重點內(nèi)容。

2 AIAA S-113與GJB 1307中航天火工品的設(shè)計要求

2.1 AIAA S-113A-2016中的設(shè)計要求

該標準的“5設(shè)計要求”主要包括5個章節(jié)內(nèi)容：一般要求、裕度要求、火工系統(tǒng)設(shè)計要求、組件設(shè)計要求和操作與維護要求，每一章節(jié)都有5條～10條相關(guān)要求，詳細描述了航天火工品設(shè)計的通用要求。

a）一般要求包括16項要求：環(huán)境耐受性、性能要求、安全性要求、故障允許限要求、設(shè)計壽命要求、密封性要求、電/電磁要求、原材料要求、人因工程學(xué)、污染、機械組件、爆轟輸出、機械完整性、搭接電阻、制造和質(zhì)量要求、爆炸危害數(shù)據(jù)等。

b）裕度要求包括9項：一般要求以及起爆系統(tǒng)對首發(fā)元件、爆炸能量傳遞、藥筒驅(qū)動裝置（CAD）、火工作動閥、切割貫穿裝置、破裂裝置、切割器、線性推沖接頭等的裕度要求等。

c）火工系統(tǒng)設(shè)計要求包括9項：火工系統(tǒng)的一般要求、界面、冗余、可靠性、起爆系統(tǒng)、電爆系統(tǒng)的保護、傳爆系統(tǒng)、系統(tǒng)安裝設(shè)計、破裂和自毀等要求等。

d）組件設(shè)計要求包括6類組件的要求：一般要求、首發(fā)元件、電子式和機械式保險與解除保險裝置、線性爆炸傳播、延時、爆炸啟動裝置等。

e）操作與維護要求包括5項操作與維護要求：爆炸組件的壽命監(jiān)控、包裝、勤務(wù)處理、貯存和運輸、安裝和操作程序。

2.2 GJB 1307A—2004中的設(shè)計要求

該標準的 “3要求”，給出了航天火工裝置的總則、材料、穩(wěn)定性、設(shè)計與結(jié)構(gòu)、性能要求、制造、外觀質(zhì)量、尺寸、質(zhì)量、標志和代號、環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性、可靠性、安全性、壽命等15項要求，是指導(dǎo)航天火工裝置設(shè)計的主要內(nèi)容。

a）總則：本規(guī)范與詳細規(guī)范不一致時，以詳細規(guī)范為準。

b）材料包括4項要求：通則、火炸藥、結(jié)構(gòu)材料、潤滑劑。

c）穩(wěn)定性包括3項要求：選用材料的抗腐蝕、火工裝置貯存和使用環(huán)境的腐蝕及表面處理工藝。

d）設(shè)計與結(jié)構(gòu)包括13項要求：尺寸與質(zhì)量、連接與緊固、強度、密封、公差與配合、冗余、傳爆方式、碎片、污染、火工沖擊、互換性、匹配性、防錯設(shè)計。

e）性能要求包括6項要求：通則、起爆器、傳爆裝置、聚能切割裝置、火工作動裝置、保險裝置。

f）制造包括4項要求：過程控制、批次控制、一次使用、內(nèi)部質(zhì)量。

g）外觀質(zhì)量、尺寸、質(zhì)量和壽命：這4項要求均僅規(guī)定按詳細規(guī)范執(zhí)行。

h）標志和代號：包括2項標志代號的一般要求。

i）環(huán)境適應(yīng)性：包括8項通用環(huán)境適應(yīng)性的要求：通則、通用環(huán)境要求、2m跌落、加速度、濕熱、輻照、氣壓和其他等。

j）電磁兼容性：提出了在系統(tǒng)預(yù)計的靜電、射頻或電磁輻射等環(huán)境中，裝置應(yīng)不發(fā)火，性能不降低的要求。

k）可靠性：提出了可靠性不小于0.99，置信度為0.95的基本要求。

l）安全性包括4項要求：一般要求、靜電安全性、制造安全性、貯存運輸安全性。

2.3 對比分析

仔細分析標準中的指標可以看出，AIAA S-113A-2016提出的設(shè)計要求更加詳細，特別是在裕度設(shè)計方面，給出了各類火工品裕度設(shè)計的定量要求，例如普通電起爆器裕度要求為起爆系統(tǒng)每個裝置施加的最小刺激量，均大于等于工作電流的1.5倍或全發(fā)火電流的2倍，二者取其大；爆炸箔起爆系統(tǒng)起爆電壓應(yīng)比爆炸箔起爆器的全發(fā)火電壓高100伏；激光起爆系統(tǒng)中每個起爆器的輸入刺激量應(yīng)大于等于2倍的全發(fā)火光功率密度或能量密度等。表明發(fā)達國家航天火工品設(shè)計的基礎(chǔ)十分牢固。

相比較而言，GJB 1307A—2004中對于電起爆器設(shè)計裕度則要求是在工作輸出或最大輸入刺激量下應(yīng)保證發(fā)火，若不能確定工作輸入時，則用2倍最大刺激量來進行驗證。而且國內(nèi)標準的定性要求偏多，定量要求偏少。例如，電磁要求部分，AIAA S-113A-2016包含了靜電放電、電磁兼容、射頻和雷電等4項具體要求；而GJB 1307A—2004中僅給出了“火工裝置暴露在系統(tǒng)預(yù)計的靜電、射頻或電磁輻射等環(huán)境中，裝置應(yīng)不發(fā)火，且性能不降低”的描述。這表明：國內(nèi)標準的可操作性是不夠的，同時也跟國內(nèi)相關(guān)基礎(chǔ)研究比較薄弱、設(shè)計邊界閾值不明確有關(guān)。

3 AIAA S-113與GJB 1307中有關(guān)航天火工品的檢驗要求

3.1 AIAA S-113A-2016中的檢驗要求

該標準的 “6檢驗要求”包括：一般要求、裕度驗證要求、功能試驗要求。

a）一般驗證要求包括11項：鑒定程序、適用文件、設(shè)備精確度、設(shè)備采樣率、飛行試驗、試驗容許限、報廢率超出、試驗規(guī)程、試驗報告、試驗失效/重復(fù)試驗和失效分析等要求。

b）裕度驗證要求包括7項：統(tǒng)計全發(fā)火驗證、用于首發(fā)元件的火工系統(tǒng)的裕度驗證、傳爆裝藥裕度驗證、爆轟傳遞裕度驗證、藥筒啟動裝置（CAD）裕度驗證、爆炸切割裝置裕度驗證、膨脹管分離系統(tǒng)等要求。其中，對于單元火工品，如爆炸箔、半導(dǎo)體橋、激光等火工品只進行統(tǒng)計全發(fā)火的裕度驗證。并強調(diào)“對每一種首發(fā)元件都需要建立起爆閾值水平 （統(tǒng)計全發(fā)火），起爆閾值水平應(yīng)達到本標準規(guī)定義的起爆可靠性要求”。

c）功能試驗驗證要求包括12項：試驗溫度、發(fā)火后外觀檢查、冗余輸入裝置試驗、密閉爆發(fā)器試驗、能量傳感器、凹痕試驗、VISRA、光子多普勒測速系統(tǒng)（PDV）、閃光X射線、發(fā)火后電流泄漏、發(fā)火后端頭/隔板的完整性試驗、保險與解除保險發(fā)火試驗等裕度驗證試驗要求。

3.2 GJB 1307A—2004中的檢驗要求

主要涉及該標準“4質(zhì)量保證”規(guī)定中的4個部分：4.4設(shè)計驗證檢驗、4.5鑒定檢驗、4.6質(zhì)量一致性檢驗和4.7使用壽命檢驗。

a）設(shè)計驗證檢驗：給出了設(shè)計驗證檢驗表，表內(nèi)包含了起爆器、隔板起爆器、傳爆裝置、聚能切割裝置和火工作動裝置的性能裕度驗證項目和選用方法。如起爆器的裕度驗證試驗包括：全發(fā)火能量，不發(fā)火能量和輸出能量等。

b）鑒定檢驗：起爆器、傳爆和聚能切割裝置、火工作動裝置的鑒定檢驗檢驗項目、數(shù)量和方法，并規(guī)定火工裝置的質(zhì)量一致性檢驗允許與鑒定檢驗合并進行。

c）質(zhì)量一致性檢驗：起爆器、傳爆和聚能切割裝置、火工作動裝置的質(zhì)量一致性檢驗項目、數(shù)量和方法。

d）使用壽命檢驗：實時老化監(jiān)視、加速老化試驗、大藥量火工裝置的老化監(jiān)視，給出了相應(yīng)的檢驗項目表。

3.3 對比分析

在檢驗對象上，AIAA S-113A-2016包括了首發(fā)元件、用作首發(fā)元件的起爆系統(tǒng)、傳爆裝置（含隔板起爆器）、藥筒啟動裝置、爆炸切斷裝置和膨脹分離系統(tǒng)等7類。其中，首發(fā)元件包括電起爆器、爆炸橋絲起爆器、爆炸箔起爆器、半導(dǎo)體橋起爆器、高壓電雷管、激光起爆器和機械起爆器等8種。GJB 1307A—2004包括起爆器（電起爆器和機械起爆器）、隔板起爆器、傳爆裝置、聚能切割裝置、火工作動裝置等。

在檢驗程序上，AIAA S-113A-2016包括6部分：零件/材料/工藝控制、裕度、質(zhì)量合格鑒定、驗收（無損檢驗和破壞性試驗）和延壽等。GJB 1307A—2004包括4部分：設(shè)計驗證（性能裕度）、鑒定檢驗、質(zhì)量一致性檢驗和使用壽命檢驗。

在試驗項目上，AIAA S-113A-2016和GJB 1307A—2004都包括了破壞性試驗和非破壞性試驗。以電起爆器為例，主要項目見表1。從表1中可以看出，國內(nèi)外重點試驗項目基本一致，但國內(nèi)項目較美國的少，這還是源于國內(nèi)外火工品的結(jié)構(gòu)和品種存在差異。例如，在非破壞性試驗方面，AIAA S-113A-2016中，對有靜電泄放通道的火工品，要做諧振頻率檢測和火花隙擊穿無損檢測試驗。

在破壞性試驗上，AIAA S-113A-2016規(guī)定1A/1W不發(fā)火試驗、射頻阻抗和射頻感度試驗等是必測項目，可見，國外火工品在安全性的控制上比國內(nèi)要嚴格一些。

在試驗數(shù)量上，國內(nèi)外的標準鑒定數(shù)據(jù)均為100發(fā)以上。以電起爆器為例，AIAA S-113A-2016為100發(fā)，GJB 1307A—2004為126發(fā)?？梢?，火工品特別是首發(fā)元件，必須通過足夠數(shù)量的發(fā)火試驗驗證，才能保證其可靠性，這一點國內(nèi)外的認識是一致的。

4 AIAA S-113與GJB 1307中有關(guān)航天火工品的檢驗方法

4.1 AIAA S-113A-2016中的檢驗方法

該標準利用5個附錄規(guī)定了航天火工品的檢驗試驗方法和評估方法。其中，附錄A.1為非破壞性試驗，包括方法101～120等20項試驗方法的試驗?zāi)康?、試驗步驟和相關(guān)判據(jù)等，具體見表2。其中，方法116～120為2016年版新增的試驗項目。

附錄A.2為破壞性和環(huán)境試驗，包括方法201～224等24項試驗，具體見表3。其中方法223“熱真空試驗”和方法224“EMI/EM C電磁兼容性試驗”為2016年版新增的試驗項目。

表3 AIAA S-113A附錄A.1中的破壞性和環(huán)境試驗方法

附錄A.3為全發(fā)火/不發(fā)火試驗和分析方法，包括升降法、蘭利法、Neyer-D優(yōu)化法、ASENT法，似然比法等感度試驗方法的特點、實施比較，以及基于這些感度試驗方法的火工品可靠性分析方法。附錄A.4為密封有效性分析，這部分強調(diào)了對火工裝置密封有效性分析的重要性，并給出了一些常用分析試驗方法。附錄A.5為空間泄漏試驗要求，對目前MILSTD-1576、MIL-STD-331和MIL-STD-883等標準中使用的不同泄漏試驗進行了對比分析，通過分析強調(diào)了太空環(huán)境下進行火工裝置泄漏試驗的特殊要求。

4.2 GJB 1307A—2004中的檢驗方法

該標準的4.8條給出了航天火工品的檢驗試驗方法和評估方法，主要包括：外觀、橋路電阻、絕緣電阻、密封性、X射線、靜電感度、裕度試驗、系統(tǒng)試驗、高溫、溫度循環(huán)、沖擊、隨機振動、2m跌落，不發(fā)火能量、高溫貯存和發(fā)火試驗。

4.3 對比分析

對比兩項標準在檢驗試驗方法方面的區(qū)別：①AIAA S-113A-2016中的方法更加全面，特別是針對新型火工品規(guī)定了若干新的試驗方法和試驗要求，如光時域試驗方法、熱時常數(shù)試驗方法和光子多普勒測速系統(tǒng)（PDV）試驗方法等，而這些方法國內(nèi)目前尚未普遍使用；②AIAA S-113A-2016將試驗方法的目的、操作步驟和判據(jù)列出，操作性更強；③AIAA S-113A-2016論述了火工品發(fā)火可靠性評估方法、密封有效性試驗方法及太空環(huán)境對泄漏率試驗的特殊要求，方便產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計重點技術(shù)點的控制，較好地解決了標準強制執(zhí)行和方法選擇應(yīng)用的問題。GJB 1307A—2004中這些細節(jié)比較欠缺。

5 結(jié)論

通過對比分析AIAA S-113A-2016和GJB 1307A—2004中設(shè)計要求、檢驗要求、檢驗方法等內(nèi)容，可以得到以下幾點結(jié)論。

a）兩項標準涵蓋的火工品范圍有所不同，AIAA S-113從2005版已涵蓋了爆炸箔、激光和半導(dǎo)體橋等新型火工品，說明國外火工品新技術(shù)應(yīng)用更快。同時，AIAA S-113A-2016將首發(fā)元件、裝置和系統(tǒng)的界線劃分更加清晰，方便了對種類繁多的航天火工品的界定。

b）兩項標準的主要內(nèi)容均包含了航天火工品的設(shè)計要求、質(zhì)量控制要求和檢驗驗證方法。AIAA S-113A-2016在設(shè)計和鑒定中的定量要求更多，具有較強的可操作性。GJB 1307A—2004中的定性要求較多，強調(diào)依據(jù)詳細設(shè)計規(guī)范確定，靈活性更好，但標準的可操作性相對較弱。

c）兩項標準的均對檢驗試驗方法進行規(guī)定，AIAA S-113A-2016中涉及試驗方法更豐富，包括了光時域分析、PDV等新方法。對需要關(guān)注的問題和方法多種選擇問題，如太空環(huán)境特殊性所導(dǎo)致的試驗方法差異問題、密封有效性問題、可靠性評估問題等，則采用附錄的形式給出方法的選擇建議，為標準的使用者提供了更科學(xué)的選擇依據(jù)。這是國內(nèi)標準制修訂時可以借鑒的。