航天器火工品阻值測試覆蓋性探討

陳恒智，程天然，周 垚，儀德英

（中國空間技術(shù)研究院總體設(shè)計部,北京100094）

0 引言

航天器上的火工品通常是用來解鎖太陽翼帆板、推進電爆閥、機械臂等重要設(shè)備的,其工作原理是火工品中的火藥受外界刺激后引爆,驅(qū)動切割器等裝置解除設(shè)備上的保險,起到使壓緊的機構(gòu)展開、關(guān)閉的閥門打開的作用[1-2]?；鸸て肪哂幸淮纹鸨荒軓?fù)原的特點,因此在航天器的測試中,火工起爆屬于不可測試項。而涉及需要火工品解鎖的設(shè)備通常都是航天器上的重要設(shè)備,像太陽翼帆板,解鎖失敗意味著整個任務(wù)的失敗,所以必須用可靠有效的控制手段確?；鸸て返耐旰眯?。

國內(nèi)航天器上使用的火工品研制及質(zhì)量保證依據(jù) 《GJB 1307A-2004航天火工裝置通用規(guī)范》開展[3]。隨著航天器火工品種類不斷更新、專業(yè)技術(shù)水平不斷提高,2004版的規(guī)范已不能滿足實際研制情況的需求,遂對該標(biāo)準(zhǔn)進行了修訂[4]。修訂參考了 《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》[5]、 《ECSS-E-ST-33-11C航天工程:爆炸系統(tǒng)》[6]和 《裝置和ISO 26871航天系統(tǒng)-爆炸系統(tǒng)和裝置》[7],修改內(nèi)容涉及適用范圍調(diào)整、裕度及驗證、可靠性與安全性、頓感電起爆器的設(shè)計及檢驗方法、檢驗分類及檢驗項目。新版標(biāo)準(zhǔn)中的檢驗方法仍只針對單體火工品,未對安裝在航天器上的火工品的檢驗測試方法進行規(guī)定。

本文從系統(tǒng)級視角出發(fā),總結(jié)了目前常用的火工品起爆通路設(shè)計及阻值測試方法,分析了不同起爆路數(shù)下測試是否可以覆蓋全部起爆通路上的阻值,及在不同故障模式下現(xiàn)行的測試方法是否能準(zhǔn)確地將問題發(fā)現(xiàn)。

1 火工品起爆通路設(shè)計

1.1 火工起爆通路組成

火工起爆通路由電纜、火工控制裝置中的限流電阻及點火頭組成。電纜又分為多段,包括電池到火工控制裝置的電纜、火工控制裝置到航天器上設(shè)備的電纜及器上設(shè)備對外接口到內(nèi)部點火頭的電纜。火工起爆的具體通路如圖1所示。

圖1 火工起爆通路Fig.1 Diagram of pyrotechnical detonation circuit

圖1中的 “奇數(shù)B到火工控制裝置”為測量通路,部分負(fù)載設(shè)備到點火頭間存在內(nèi)部電纜?；鸸た刂蒲b置中存在限流電阻,每個限流電阻對應(yīng)一個奇數(shù)B測點和兩個引爆點。除限流電阻外,其余火工控制裝置內(nèi)部主通路上的電阻皆可忽略不計。

1.2 通路設(shè)計思路及步驟

火工起爆通路設(shè)計中,首先需要根據(jù)對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)選擇符合要求的點火頭,然后根據(jù)設(shè)備間的接口關(guān)系設(shè)計電纜,與通路阻值有關(guān)的是線徑設(shè)計及長度設(shè)計。當(dāng)電纜設(shè)計完成后,會根據(jù)電纜長度和線徑算出每段電纜的阻值,結(jié)合電池提供的電壓值范圍及點火頭阻值選取火工控制裝置中所有引爆通路限流電阻的阻值,使引爆電流在額定范圍內(nèi),保證火工品能正常起爆。火工通路的設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 火工通路設(shè)計流程圖Fig.2 Flowchart of pyrotechnical detonation circuit design

設(shè)計過程中,需考慮環(huán)境及限流電阻與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差等因素造成的阻值偏移問題[3,8-9]。

2 火工品阻值測試系統(tǒng)

2.1 測試設(shè)備原理

目前,在用的測試系統(tǒng)有很多種[10],多數(shù)系統(tǒng)的基本原理是通用的:通過給通路加微小電流的恒流源產(chǎn)生微弱的電壓,再使用放大電路將產(chǎn)生的電壓放大并采集該電壓,最后將電壓換算成電阻值。因為點火頭在額定的電流范圍內(nèi)會起爆,所以測試系統(tǒng)產(chǎn)生的電流必須足夠小,保證不會將點火頭誤起爆。圖3為測量設(shè)備的原理圖。

圖3中,I1為設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的微小電流,R13、R16為設(shè)備內(nèi)部的導(dǎo)線阻值,R17、R18為開關(guān)J1、J2的接觸電阻；XE為設(shè)備與外部的接口,接測試電纜。一個火工阻值測試設(shè)備上有多個與J1、J2相同的開關(guān),接上測試電纜后通過開關(guān)控制測試多個點火頭阻值,設(shè)備初始狀態(tài)為所有正負(fù)線短接到一起并接地。

2.2 測試方法

測試開始前需要梳理清楚器上每一個點火頭在連接到測試設(shè)備上時對應(yīng)的測點,然后將測試電纜與器上電纜相連,依次接通每個測點的開關(guān)對阻值進行測量。下文就以其中一組點火頭的測量為例,對測試方法進行具體說明:

圖3 火工阻值測試設(shè)備原理圖Fig.3 Schematic diagram of initiating explosive device resistance test equipment

1）梳理測試點與點火頭的關(guān)系,形成表1；

表1 測點與點火頭的對應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relationship between test point and initiating explosive device

2）斷開圖1中標(biāo)注 “偶數(shù)B”的部分,此部分正常測試情況下就是斷開狀態(tài)；

3）接測試電纜,測試電纜的另一端與測試設(shè)備XE相連；

4）依次接通1～12點測量 “XX起爆1～12” 點火頭及所在通路的電阻。

3 火工品阻值測試覆蓋性

火工品阻值測試需要覆蓋整個起爆通路才能確認(rèn)引爆通路完好,但有一段通路比較特殊,可以不進行阻值測試,就是電池到火工控制裝置這段通路。因為火工控制裝置有輸入電壓的遙測,如果這段通路出現(xiàn)問題,電壓遙測會有異常,能被及時發(fā)現(xiàn)。其余的通路沒有任何遙測反映其狀態(tài),所以皆需要進行阻值測量,本節(jié)分析的即是這部分通路的測試覆蓋性。

目前,常用的測試方法分為單阻測試和綜阻測試,本文選取典型火工裝置對這兩種測試的覆蓋范圍進行分析,并給出綜合測試期間及發(fā)射場的實測數(shù)據(jù),對分析結(jié)果進行驗證。

3.1 單阻測試分析

單阻測試是指將火工控制裝置到設(shè)備接口這個通路的中間斷開,測量連接點火頭段的電纜及點火頭的阻值,測量覆蓋的通路即圖1中偶數(shù)B到點火頭的阻值,測量的原理圖如圖4所示。

圖4 單阻測試原理圖Fig.4 Principle diagram of single resistance test

圖4中,XE到 X12B為測試電纜的線阻,X12B到點火頭為單阻測試覆蓋的通路阻值。可以看出,單阻測試測的就是簡單的串聯(lián)電阻電路,當(dāng)通路中任意一段的阻值出現(xiàn)明顯變化或出現(xiàn)斷路時,測試就很容易發(fā)現(xiàn)問題。

綜上所述,單阻測試的優(yōu)點在于通路電路簡單、易于計算阻值,不足在于未能覆蓋火工引爆通路的所有阻值。

3.2 綜阻測試分析

綜阻測試是指對從火工控制裝置引出的奇數(shù)B測點進行測試,測試覆蓋的通路即圖1中除電池到火工控制裝置這段通路外的所有通路,選取典型火工裝置測量的原理圖如圖5所示。

圖5 綜阻測試原理圖Fig.5 Principle diagram of composite resistance test

圖5中,R1、R9、R10、R11、R15、R16為測試電纜與奇數(shù)B電纜的總阻值,R6、R7、R8、R17、R18、R19為限流電阻的阻值,R2、R5縱列為火工控制裝置到點火頭這段電纜的阻值,R3、R13縱列為點火頭阻值,R20為多根負(fù)線并聯(lián)后的阻值。從圖5可得出,綜阻測量的是一個復(fù)雜串并聯(lián)電路的阻值,可覆蓋所有通路電阻。

根據(jù)起爆路數(shù)的不同,可分為單組起爆1～6個點火頭這6種情況。其中有一類特殊情況,即一組引爆中只安裝了1個點火頭,這種情況下的限流電阻無法被測到,需要多設(shè)計一根奇數(shù)B測試線,如圖6所示。

圖6 一組引爆只安裝1個點火頭情況原理圖Fig.6 Principle diagram of one set of detonation with only one initiating explosive device

這種情況下,需添加圖6中圈出的這根奇數(shù)B測量線才能覆蓋該路的限流電阻R6。

其他5種情況皆能測到所有通路電阻,分析方法一致,后續(xù)分析只針對最復(fù)雜的單組起爆6個點火頭情況。

綜阻測試電路復(fù)雜,需分析是否可通過測量結(jié)果準(zhǔn)確判定故障已發(fā)生。以圖5所示的測量電路為例,搭建仿真模型對單重故障進行分析。仿真模型搭建時,在主回路中加1A的恒流源,測量恒流源輸入輸出口的電壓值,即為電路的總阻值。

當(dāng)圖5中的J1接通時, 分析R1、R2、R3、R5、R6這幾處故障對測量值的影響。因為R3為點火頭電阻,此處故障在單阻測試時就能發(fā)現(xiàn),不在綜阻測試中進行討論。R2、R5故障所帶來的影響相同,這里只分析R2。導(dǎo)線的失效模式只有斷路,限流電阻的失效模式考慮斷路和短路,即有4種故障的影響需要分析,分別為為R1處斷路、R2處斷路、R6處斷路、R6處短路。正常情況下的仿真結(jié)果電路圖如圖7所示。

圖7 正常狀態(tài)下的綜阻測量仿真電路圖Fig.7 Simulation circuit diagram of composite resistance measurement under normal condition

1）R1處斷路故障會造成測量阻值無窮大,很容易定位故障。

2）R2處斷路故障的仿真結(jié)果電路圖如圖8所示。

圖8 火工控制裝置到火工品間電纜（R2）斷路狀態(tài)下的綜阻測量仿真電路圖Fig.8 Simulation circuit diagram of composite resistance measurement under the condition of open circuit between pyrotechnic control device and pyrotechnic cables

由圖8可知,在R2、R3、R5的電阻之和不是遠(yuǎn)大于R6的情況下,從測量結(jié)果很容易判斷出電路故障。通常狀況下,火工引爆導(dǎo)線不會選擇過細(xì)的線,導(dǎo)線也不會設(shè)計的過長,以保證其可靠性,所以R2、R3、R5的電阻之和不會遠(yuǎn)大于R6。

3）R6處斷路故障的仿真結(jié)果電路圖如圖9所示。

圖9 限流電阻（R6）斷路失效狀態(tài)下的綜阻測量仿真電路圖Fig.9 Simulation circuit diagram of composite resistance measurement under the condition of current-limiting resistance open circuit failure

當(dāng)R6斷路時,此電路簡化成一個R1、R2、R3、R5、R20、R4串聯(lián)的電路。因此,從測量結(jié)果也可準(zhǔn)確判斷出引爆通路發(fā)生了故障。

4）R6處短路故障的仿真結(jié)果電路圖如圖10所示。

圖10 限流電阻（R6）短路失效狀態(tài)下的綜阻測量仿真電路圖Fig.10 Simulation circuit diagram of composite resistance measurement under the condition of current-limiting resistance short circuit failure

當(dāng)限流電阻R6設(shè)置為0.001Ω時,綜阻測量值由1.896Ω下降到1.366Ω,故障可被測出。

綜上所述,綜阻測試的優(yōu)點在于引爆通路測試覆蓋全面、在單重故障模式下能有效判斷出通路存在的問題,不足在于測試通路復(fù)雜、不易計算阻值。

3.3 實測結(jié)果

3.2節(jié)分析的綜阻測量是基于典型火工裝置的其中一個點火頭展開的。在型號研制過程中,對該點火頭共進行了8次阻值測量（綜合測試期間4次,發(fā)射場4次）,具體測試時機為該航天器總裝完成后（第1次）、整器力學(xué)試驗前（第2次）、整器力學(xué)試驗后（第3次）、整器熱學(xué)試驗后（第4次）、發(fā)射場總裝完成后（第5次）、發(fā)射場整器轉(zhuǎn)垂直狀態(tài)后（第6次）、運抵發(fā)射塔架前（第7次）、發(fā)射塔架上（第8次）。測試選用的儀器及測試方法見本文第2章,測試結(jié)果如表2所示。

表2 實測結(jié)果Table 2 Results of test

從測試結(jié)果可知,8次測量雖然時機及外部環(huán)境有變化,但對阻值測量結(jié)果影響較小。同時,對航天器上其他點火頭的綜阻測量結(jié)果也進行了對比,同一點火頭8次測量結(jié)果的最大偏差皆不超過0.1Ω。因此,可以證明故障帶來的阻值變化遠(yuǎn)大于環(huán)境對阻值的影響,當(dāng)出現(xiàn)故障時,通過阻值測量可以定位故障。

4 結(jié)論

本文對現(xiàn)行的火工品測試覆蓋性進行了詳細(xì)分析,發(fā)現(xiàn)在一組引爆中只安裝1個點火頭情況下綜阻測試無法覆蓋到通路上的限流電阻,但可以通過添加奇數(shù)B測量線的方法解決該問題。其他情況下,現(xiàn)行的阻值測試方法皆可滿足覆蓋性要求。且在單重故障下,現(xiàn)行的測試方法可有效診斷出故障是否發(fā)生。后續(xù),可在本文研究的基礎(chǔ)上提出能診斷多重故障的測試方法,并利用本文的分析方法分析新方法的覆蓋性是否滿足要求。