運(yùn)載火箭火工品自動(dòng)保護(hù)與解保安全控制技術(shù)研究與應(yīng)用

汪 灝，周恒保，張青青，李 明，張粒子，徐 昕

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201100; 2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201100;3.南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，南京 210016)

0 引言

運(yùn)載火箭發(fā)射是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，推進(jìn)劑、高壓氣體、火工品等都是重大危險(xiǎn)源。高可靠性和高安全性是運(yùn)載火箭發(fā)展的基礎(chǔ)，也是提高行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和生存的根本[1]。

目前，我國(guó)運(yùn)載火箭在加注燃料及發(fā)射準(zhǔn)備過程中自動(dòng)化程度不高，尤其在火箭發(fā)射前的燃料加注、狀態(tài)準(zhǔn)備等諸多環(huán)節(jié)仍采用大量的人工操作，存在較大的系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)。美國(guó)、前蘇聯(lián)、巴西等國(guó)家都曾發(fā)生過火箭在塔架爆炸而導(dǎo)致大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的災(zāi)難性事故，教訓(xùn)慘痛。2016 年 9 月，獵鷹 9 火箭在加注燃料后的靜態(tài)測(cè)試中發(fā)生爆炸，由于其采用了自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射前端的無人值守，未造成人員傷亡。

因此運(yùn)載火箭各系統(tǒng)應(yīng)盡可能減少前端的人工操作，尤其是進(jìn)入發(fā)射流程后應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)前端無人值守，確保人員安全。

在運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、級(jí)間分離、整流罩分離、星箭分離等節(jié)點(diǎn)普遍使用火工品完成相應(yīng)功能?；鸸て芬资艿诫s散電流、射頻、靜電等因素影響，一旦產(chǎn)生誤爆炸將帶來巨大災(zāi)難性的后果[2-5]，所以在運(yùn)載火箭發(fā)射前對(duì)箭上火工品進(jìn)行短路保護(hù)十分必要；在運(yùn)載火箭發(fā)射后箭上火工品必須正常引爆，否則也將帶來災(zāi)難性的后果，因此在火箭臨射前必須將箭上火工品解保。

針對(duì)運(yùn)載火箭火工品保護(hù)與解保的問題，國(guó)內(nèi)外均有相關(guān)研究。

日本Epslion火箭箭上安裝了小型化火工品回路檢測(cè)設(shè)備(MOC)，主要完成火工品回路的檢查，并可模擬起飛、分離等信號(hào)。該設(shè)備在火箭發(fā)射前拆除，可以反復(fù)使用。

歐洲阿里安5運(yùn)載火箭在射前-7 min進(jìn)入同步程序，自動(dòng)完成補(bǔ)加液氧液氫、火工品解保、一子級(jí)增壓至飛行值、一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻、打開地面和箭上電源開關(guān)、對(duì)地面和箭上接口檢查等。阿里安5箭上火工品控制采用了繼電器，其火工品保護(hù)采用了繼電器觸點(diǎn)短接方式，在射前7 min內(nèi)自動(dòng)完成繼電器保護(hù)狀態(tài)至解保狀態(tài)的切換。

國(guó)內(nèi)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)，已基本實(shí)現(xiàn)箭上設(shè)備遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和發(fā)射流程自動(dòng)化運(yùn)行。但國(guó)內(nèi)運(yùn)載火箭火工品仍采用傳統(tǒng)火工品總短路保護(hù)插頭方式進(jìn)行保護(hù)，在臨射前人工手動(dòng)拆除。XX-2D、XX-3、XX-4B/C等現(xiàn)役運(yùn)載火箭一般在最后一次加電前拆除火工品總短路保護(hù)插頭；XX-6運(yùn)載火箭在推進(jìn)劑加注后人工拆除火工品總短路插頭，均未實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)箭上無人值守。這種通過人工斷開箭上火工品總短路插頭的方法，在火箭發(fā)射流程發(fā)生中斷或遇到緊急情況時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)火工品保護(hù)狀態(tài)的快速恢復(fù)。

為實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭射前電氣系統(tǒng)箭上無人值守、射前故障狀態(tài)下火工品保護(hù)狀態(tài)快速恢復(fù)，提高運(yùn)載火箭射前操作安全性，本文開展了運(yùn)載火箭火工品自動(dòng)保護(hù)與解保安全控制技術(shù)研究[6-9]。

在運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)中配置火工品自動(dòng)保護(hù)與解保裝置，通過磁保持繼電器觸點(diǎn)開閉完成火工品線路短接實(shí)現(xiàn)火工品保護(hù)與解保，磁保持繼電器依靠自身磁路完成火工品保護(hù)回路“常開”、“常閉”兩種狀態(tài)的自保持，解決了單機(jī)未加電情況下火工品保護(hù)狀態(tài)的維持問題。由地面測(cè)試設(shè)備與箭上火工品自動(dòng)保護(hù)和解保裝置進(jìn)行通信，控制完成火工品自動(dòng)保護(hù)與解保工作。

目前該技術(shù)已在某型號(hào)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用。由此，運(yùn)載火箭射前火工品保護(hù)與解?？梢宰詣?dòng)切換實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭臨射前電氣系統(tǒng)箭上零人工操作，做到無人值守；并可實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭在射前故障狀態(tài)下火工品保護(hù)狀態(tài)快速恢復(fù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

常規(guī)運(yùn)載火箭火工品控制系統(tǒng)一般由綜合控制器和電阻盒組成，火工品控制指令由綜合控制器發(fā)出，通過電阻盒完成引爆電流轉(zhuǎn)換并傳送給火工品完成引爆。當(dāng)火工品控制線路引入干擾信號(hào)時(shí)，可能導(dǎo)致火工品誤爆炸帶來災(zāi)難性事故[10-14]。

運(yùn)載火箭火工品自動(dòng)保護(hù)與解保安全控制系統(tǒng)是在常規(guī)運(yùn)載火箭火工品控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加配置火工品保護(hù)控制器，將火工品通過電纜網(wǎng)引至控制器，由其完成保護(hù)與解保。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，火工品控制系統(tǒng)電阻盒內(nèi)部火工品指令輸入點(diǎn)與負(fù)母線引入火工品保護(hù)控制器，此時(shí)火工品和電阻盒中限流電阻與火工品保護(hù)控制器串聯(lián)，利用控制器內(nèi)部的繼電器觸點(diǎn)進(jìn)行短接，以實(shí)現(xiàn)火工品短路保護(hù)功能。當(dāng)控制器內(nèi)部繼電器觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)(即保護(hù)狀態(tài))時(shí)，若火工品控制線路中出現(xiàn)干擾，干擾信號(hào)會(huì)通過火工品保護(hù)線路釋放，避免火工品誤爆炸的可能。當(dāng)控制器內(nèi)部繼電器觸點(diǎn)處于打開狀態(tài)(即解保狀態(tài))時(shí)，火工品保護(hù)線路處于斷路狀態(tài)，此時(shí)火工品控制線路與原狀態(tài)相同。

火工品保護(hù)的特殊性要求是火工品保護(hù)控制器在斷電后仍能維持火工品保護(hù)狀態(tài)，即保護(hù)繼電器閉合狀態(tài)，因此火工品保護(hù)與解保繼電器需使用磁保持繼電器。磁保持繼電器的特性是：收到脈沖控制信號(hào)就會(huì)發(fā)生觸點(diǎn)狀態(tài)跳變，在脈沖控制信號(hào)消失后維持觸點(diǎn)狀態(tài)不變[15-16]。

考慮到磁保持繼電器收到脈沖信號(hào)跳變的特性，當(dāng)火工品保護(hù)控制器受到脈沖干擾也可能會(huì)導(dǎo)致火工品保護(hù)狀態(tài)改變，因此增加一個(gè)火工品解控繼電器作為火工品保護(hù)與解保繼電器的開關(guān)。火工品解控繼電器采用電磁繼電器，只有收到控制信號(hào)才會(huì)動(dòng)作。這就相當(dāng)于給火工品保護(hù)與解保新增了一層保護(hù)，只有解控繼電器觸點(diǎn)閉合時(shí)才能對(duì)火工品保護(hù)與解保繼電器進(jìn)行操作，增強(qiáng)了系統(tǒng)抵御外界干擾的能力。

如圖1所示，火工品保護(hù)控制器由地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)通過RS422信號(hào)進(jìn)行控制。在火箭測(cè)試階段由地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)通過RS422信號(hào)發(fā)出“解控”、“保護(hù)”、“解控?cái)唷敝噶钪粱鸸て繁Ｗo(hù)控制器，設(shè)備將指令轉(zhuǎn)換為繼電器的28 V控制信號(hào)自動(dòng)完成火工品保護(hù)工作；在箭上加電過程中通過RS422實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火工品保護(hù)狀態(tài)(即繼電器觸點(diǎn)閉合狀態(tài))；在火箭臨射前，地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)通過RS422信號(hào)發(fā)出“解控”、“解?！薄ⅰ敖饪?cái)唷敝噶钪粱鸸て繁Ｗo(hù)控制器，設(shè)備將指令轉(zhuǎn)換為繼電器的28 V控制信號(hào)自動(dòng)完成火工品解保，在箭上加電過程中通過RS422實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火工品解保狀態(tài)(即繼電器觸點(diǎn)打開狀態(tài))。

火工品保護(hù)與解?？刂齐娐吩砣鐖D2所示。以火工品解保為例介紹整個(gè)控制過程，當(dāng)火工品保護(hù)與解?？刂圃O(shè)備受到地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)發(fā)出的解控指令后，J1-J4解控繼電器(電磁繼電器)得電動(dòng)作，保護(hù)及解保指令并聯(lián)回路中的J1-J4觸點(diǎn)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)，串聯(lián)回路中的J1-J4觸點(diǎn)變?yōu)殚]合狀態(tài)，此時(shí)火工品保護(hù)及解保指令具備控制條件；當(dāng)?shù)孛姘l(fā)出火工品解保指令時(shí)，K1-K20火工品保護(hù)與解保繼電器(磁保持繼電器)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)并磁保持，火工品解保；此時(shí)斷開解控指令，J1-J4解控繼電器(電磁繼電器)斷電恢復(fù)，保護(hù)及解保指令并聯(lián)回路中的J1-J4觸點(diǎn)變?yōu)殚]合狀態(tài)，串聯(lián)回路中的J1-J4觸點(diǎn)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)，此時(shí)地面火工品保護(hù)與解保指令不再作用，火工品被維持在解保狀態(tài)?；鸸て繁Ｗo(hù)原理同上。

火工品保護(hù)與解保繼電器、解控繼電器觸點(diǎn)在單機(jī)加電情況下處于實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)，可用于火工品保護(hù)與解?？刂撇僮鲿r(shí)的狀態(tài)確認(rèn)和火箭測(cè)試及飛行過程中的火工品狀態(tài)監(jiān)控。

在運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)使用時(shí)，在地面測(cè)試狀態(tài)下火工品置保護(hù)狀態(tài)；在火箭進(jìn)入發(fā)射流程射前10分鐘準(zhǔn)備時(shí)地面主控微機(jī)流程自動(dòng)將火工品置解保狀態(tài)；當(dāng)火箭出現(xiàn)發(fā)射流程中斷或緊急故障問題時(shí)，可通過主控微機(jī)將火工品置回保護(hù)狀態(tài)；當(dāng)火箭點(diǎn)火后出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障發(fā)生緊急關(guān)機(jī)時(shí)，主控微機(jī)可通過接收到的緊急關(guān)機(jī)指令自動(dòng)將火工品置回保護(hù)狀態(tài)。

2 火工品自動(dòng)保護(hù)與解?？刂脐P(guān)鍵技術(shù)

2.1 磁保持繼電器技術(shù)

運(yùn)載火箭火工品的特殊安全性要求在于其在火箭發(fā)射前必須處于短路保護(hù)狀態(tài)，確保無誤爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；在火箭發(fā)射時(shí)必須處于非短路保護(hù)狀態(tài)，確保其飛行過程中引爆正常。因此火工品自動(dòng)保護(hù)與解?？刂埔笤趩螜C(jī)未加電情況下維持火工品處于保護(hù)狀態(tài)。

在運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中多采用電磁繼電器或固態(tài)繼電器，均需在繼電器加電情況下才能維持觸點(diǎn)的打開或閉合狀態(tài)，無法滿足火工品自動(dòng)保護(hù)與解?？刂频氖褂靡?。且在飛行高頻振動(dòng)、沖擊、高低溫等惡劣環(huán)境條件下，火工品解保狀態(tài)觸點(diǎn)需維持其狀態(tài)不變，這對(duì)火工品自動(dòng)保護(hù)與解保控制繼電器的選取也提出了更高的要求[17-18]。

磁保持繼電器就解決了以上難題，其工作原理為：磁保持繼電器觸點(diǎn)開、合狀態(tài)由永久磁鐵所產(chǎn)生的磁力所保持。當(dāng)繼電器的觸點(diǎn)需要開或合狀態(tài)時(shí)，只需要用正(反)直流脈沖電壓激勵(lì)線圈，繼電器在瞬間就完成了開與合的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)觸點(diǎn)處于保持狀態(tài)時(shí)，線圈不需要繼續(xù)通電，僅靠永久磁鐵的磁力就能維持繼電器的狀態(tài)不變。其工作原理見圖3。

圖3 磁保持繼電器工作原理

圖3演示了狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。當(dāng)繼電器的觸點(diǎn)需要從初始變?yōu)橹梦粻顟B(tài)時(shí)，用正直流脈沖電壓激勵(lì)線圈 J2，線圈 J2 勵(lì)磁后產(chǎn)生的磁極與永磁鐵的磁極相互作用，同極性相互吸引，異極性相互排斥，使得繼電器在瞬間就完成了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，反之同理。

磁保持繼電器只需一次性脈沖觸發(fā)就能長(zhǎng)久保持一種狀態(tài)，無需長(zhǎng)時(shí)間供電維持狀態(tài)。火工品保護(hù)與解保繼電器選用磁保持繼電器，繼電器依靠自身磁路完成“常開”、“常閉”兩種狀態(tài)的自保持，無需額外加電維持。磁保持繼電器這種特點(diǎn)使得在全箭斷電情況的火工品保護(hù)變得十分簡(jiǎn)單，適用于單機(jī)未加電情況下的火工品保護(hù)需求。另外磁保持繼電器還具有體積小、負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此該技術(shù)非常適用于火工品自動(dòng)保護(hù)與解?？刂?。

航天科技集團(tuán)九院165廠生產(chǎn)的4JB2-2超小型磁保持繼電器，有4副觸點(diǎn)，額定電壓28 V，額定電流2 A，體積21 mm×11 mm×11.5 mm。其具有體積小、功耗低、重量輕、集成方便等特點(diǎn)。經(jīng)飛行環(huán)境試驗(yàn)考核，該繼電器可以滿足在飛行高頻振動(dòng)、沖擊、高低溫等惡劣工況下工作。因此選用該產(chǎn)品作為火工品保護(hù)控制器的磁保持繼電器。

2.2 高可靠電路設(shè)計(jì)技術(shù)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)火工品自動(dòng)保護(hù)與解保安全控制技術(shù)的核心為火工品保護(hù)控制器，該設(shè)備由電源模塊、通信控制模塊、火工品保護(hù)控制模塊、繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)采集模塊組成，其原理如圖4所示，通過接受地面指令完成箭上火工品的保護(hù)和解保。

圖4 火工品保護(hù)控制設(shè)備原理框圖

電源模塊用于將外部的28 V一次電源轉(zhuǎn)化成為單機(jī)需要的5 V、3.3 V和1.8 V二次電源；通信控制模塊主要完成與地面RS422信號(hào)的通信控制；火工品保護(hù)控制模塊接收地面控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器組合完成火工品保護(hù)與解保控制；繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)采集模塊用于實(shí)現(xiàn)火工品保護(hù)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)功能。

TI公司的DSP芯片SMJ320F2812具有速度高、性能強(qiáng)、軟件資源豐富等特點(diǎn)，目前在運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)單機(jī)中均有應(yīng)用。該處理器工作溫度-55～125 ℃，已經(jīng)過飛行驗(yàn)證。

火工品保護(hù)控制模塊在接收DSP發(fā)出的解控、保護(hù)或解保指令后，通過驅(qū)動(dòng)電路控制相應(yīng)繼電器的線包實(shí)現(xiàn)控制?；鸸て方饪夭捎?JT5-1電磁繼電器，火工品保護(hù)與解保采用4JB2-2磁保持繼電器，均為航天成熟應(yīng)用產(chǎn)品。兩種繼電器驅(qū)動(dòng)均采用晶體開關(guān)管，控制線包正端的方法實(shí)現(xiàn)。采用了4D5713 硅NPN 高頻小功率三極管陣列，最大電流0.5 A，每路400 mW。為了增加可靠性，采用雙三極管開關(guān)的方式，見圖5所示。當(dāng)其中一個(gè)三極管失效(開路或性能衰減)時(shí)，電路仍能正常工作。DSP根據(jù)接收的指令，輸出相應(yīng)的IO信號(hào)，IO信號(hào)經(jīng)光耦隔離、三極管放大后，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)功能。

圖5 雙三極管控制驅(qū)動(dòng)電路圖

繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)采集模塊由通路切換電路、信號(hào)調(diào)理電路、采樣電路組成，如圖6所示。該模塊主要用于對(duì)火工品保護(hù)解保繼電器、解控繼電器觸點(diǎn)的閉合和打開狀態(tài)進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)，使用不大于10 mA的恒流源作為信號(hào)源，狀態(tài)采集模塊狀態(tài)采集完成后，斷開恒流源輸出，確?；鸸て钒踩?。

圖6 繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)采集電路示意圖

火工品狀態(tài)經(jīng)采集后，通過RS422通路傳給地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)。火工品保護(hù)與解?？刂蒲b置配置3路422接口，分別與測(cè)量系統(tǒng)(1路)及地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)(1主1備)通信，傳輸控制指令及監(jiān)視參數(shù)。DSP F2812內(nèi)置2路SCI接口協(xié)議，配置外部接口電路即可實(shí)現(xiàn)RS422功能。RS422輸入器件采用DS26C32、輸出器件采用DS26C31，都為TI公司產(chǎn)品，采用標(biāo)準(zhǔn)的422串行、異步、全雙工電路。工作溫度范圍為-55～+125 ℃的軍級(jí)芯片。串口通信的工作方式為全雙工，采用RS-422A通信標(biāo)準(zhǔn)，通信速率選擇在9 600 bps、19 200 bps、38 400 bps及115 200 bps四個(gè)常用波特率之中，誤碼率小于1×10-6；數(shù)據(jù)按字節(jié)發(fā)送，每幀含1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位偶校驗(yàn)位、1位停止位。所選的DSP有片上SCI串行通信接口模塊，與外部RS422物理層驅(qū)動(dòng)接口芯片連接，符合標(biāo)準(zhǔn)RS422電氣接口規(guī)范(見圖7)。

2.3 系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)技術(shù)

為提高火工品自動(dòng)保護(hù)與解?？刂频目煽啃裕瑢?duì)系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)[19-21]，具體如下：

1)控制指令冗余設(shè)計(jì)。地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)和火工品保護(hù)控制器采用1主1備的雙路RS422通信模式。RS422通信不僅傳輸?shù)孛姘l(fā)出的火工品狀態(tài)控制指令，還接收箭上下發(fā)的火工品狀態(tài)監(jiān)視參數(shù)。配置雙冗余RS422通信接口，實(shí)現(xiàn)了指令傳輸線路的冗余。

2)火工品狀態(tài)觸點(diǎn)冗余設(shè)計(jì)?；鸸て繁Ｗo(hù)與解保觸點(diǎn)采用2個(gè)磁保持繼電器觸點(diǎn)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，在火箭飛行過程中當(dāng)其中一個(gè)繼電器出現(xiàn)問題后，仍然能夠保證火工品保護(hù)線路斷開，不會(huì)影響飛行任務(wù)。

3)火工品解控線路冗余設(shè)計(jì)?；鸸て方饪赜|點(diǎn)電路采用4個(gè)電磁繼電器2并2串的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可適應(yīng)單個(gè)繼電器觸點(diǎn)異常的一度故障。同時(shí)在火工品保護(hù)與解保觸點(diǎn)線路上串聯(lián)一個(gè)常開的火工品解控觸點(diǎn)線路，并聯(lián)一個(gè)常閉的火工品解控觸點(diǎn)線路，與火工品保護(hù)與解保線路形成互鎖結(jié)構(gòu)，提高指令控制安全性。

4)繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)冗余?；鸸て繁Ｗo(hù)與解保、解控繼電器采用雙三極管開關(guān)的方式驅(qū)動(dòng)。當(dāng)其中一個(gè)三極管失效(開路或性能衰減)時(shí)，電路仍能正常工作，確保繼電器驅(qū)動(dòng)正常。

2.4 層疊式結(jié)構(gòu)綜合電子技術(shù)

火工品保護(hù)控制器包含電源模塊、通信控制模塊、火工品保護(hù)控制模塊、繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)采集模塊等多個(gè)模塊，但火工品保護(hù)與解保技術(shù)對(duì)可靠性要求極高，任何一點(diǎn)閃失都會(huì)導(dǎo)致箭毀人亡，任務(wù)失敗的損失。這就需要在單機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選擇既保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又滿足電磁兼容性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。同時(shí)因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路電流較大，所以需考慮散熱及大電流要求。因而火工品保護(hù)控制器整體結(jié)構(gòu)采用層疊式結(jié)構(gòu)形式，如圖8所示。

圖8 層疊式結(jié)構(gòu)示意圖

火工品保護(hù)控制器印制板按功能相關(guān)的模塊分類設(shè)計(jì)，采用層疊式結(jié)構(gòu)組合，印制板設(shè)計(jì)中增加隔離層，防止層與層相互之間的影響，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)有利于調(diào)試和維護(hù)[22]。

棧接接插件上通過的信號(hào)有電源、驅(qū)動(dòng)信號(hào)、反饋采樣信號(hào)、數(shù)據(jù)總線等。棧接接插件選用J80/J80C型直插轉(zhuǎn)接插座96/48芯，接點(diǎn)間距 2.0 × 2.0，具有直插轉(zhuǎn)接以及防錯(cuò)插功能。工作電流大3 A, 接觸電阻≤10 mΩ，絕緣電阻≥5 000 MΩ，介質(zhì)耐壓1 000 V。

殼體結(jié)構(gòu)為一體化鋁材料框架，表面為天藍(lán)色絕緣鍍層。側(cè)面及兩印制板安裝位置之間均有加強(qiáng)徑。整體剛性較好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、重量較輕。

考慮功率模塊通過殼體散熱，因此把電源功率模塊的散熱面直接安裝于殼體結(jié)構(gòu)上，散熱面積盡可能大。

2.5 智能BIT檢測(cè)技術(shù)

對(duì)于火工品自動(dòng)保護(hù)與解保安全控制系統(tǒng)而言，有效的故障診斷能夠及早發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)處理[23]，對(duì)保障火工品安全保護(hù)及飛行正常工作有重要意義。

火工品自動(dòng)保護(hù)與解保安全控制系統(tǒng)采用了狀態(tài)檢測(cè)、監(jiān)控和故障隔離綜合技術(shù)(built-in-test，BIT)能夠檢測(cè)到故障，確定故障模式，界定故障范圍，并執(zhí)行故障預(yù)測(cè)和隔離等相關(guān)措施，具有一定的報(bào)警能力。

火工品自動(dòng)保護(hù)與解保安全控制系統(tǒng)具備以下BIT功能：

1)火工品保護(hù)與解保設(shè)備在上電時(shí)或接收到上位機(jī)自檢指令時(shí)，完成自身初始狀態(tài)自檢，自檢內(nèi)容包括接口芯片、處理器芯片、內(nèi)存、供電電源、寄存器狀態(tài)等。

2)對(duì)于火工品保護(hù)與解保設(shè)備內(nèi)部控制芯片、采樣電路等突然發(fā)生損壞或停止工作的 故障問題，火工品保護(hù)與解保設(shè)備根據(jù)采集的狀態(tài)信息，對(duì)照內(nèi)嵌的狀態(tài)分析表進(jìn)行故障模式判斷和定位，并將故障信息上傳上位機(jī)。

3)對(duì)于火工品保護(hù)與解保、解控等觸點(diǎn)狀態(tài)，火工品保護(hù)與解保設(shè)備通過RS422通信接口將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳給地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)或上位機(jī)，由地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)或上位機(jī)通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比判斷，得出相關(guān)繼電器及其觸點(diǎn)是否發(fā)生故障的結(jié)論。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

運(yùn)載火箭火工品自動(dòng)保護(hù)與解保技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)組成如圖9所示。地面測(cè)試設(shè)備可向火工品保護(hù)與解保設(shè)備發(fā)出設(shè)備供電、自檢、火工品解控、火工品解保、火工品保護(hù)、火工品解控?cái)嗟戎噶?，并接收火工品保護(hù)控制器回傳的自檢消息、火工品解控觸點(diǎn)狀態(tài)、火工品解控保護(hù)與解保觸點(diǎn)狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

圖9 火工品自動(dòng)保護(hù)與解保技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)

3.1 初始狀態(tài)確認(rèn)

將地面測(cè)試設(shè)備、火工品保護(hù)控制器、電阻盒和等效火工品負(fù)載按圖9進(jìn)行連接，使用地面測(cè)試設(shè)備給火工品保護(hù)控制器上電，確認(rèn)初始狀態(tài)如圖10所示。

圖10 火工品保護(hù)控制器初始狀態(tài)確認(rèn)

按照表1進(jìn)行狀態(tài)檢查，結(jié)果確認(rèn)合格。

表1 初始狀態(tài)檢查確認(rèn)表

3.2 解控接通測(cè)試

地面測(cè)試設(shè)備軟件發(fā)出“解控”命令，對(duì)火工品解控控制功能進(jìn)行測(cè)試，如圖11所示。

圖11 火工品解控測(cè)試

按照表2進(jìn)行檢查，檢查確認(rèn)此時(shí)控制器解控狀態(tài)，結(jié)果合格。

表2 火工品解控測(cè)試檢查表

3.3 解保指令測(cè)試

如圖12所示，地面測(cè)試設(shè)備軟件發(fā)出“解?！泵睿瑢?duì)火工品解?？刂乒δ苓M(jìn)行測(cè)試。

圖12 火工品解保測(cè)試

按照表3進(jìn)行測(cè)試檢查，顯示此時(shí)1～30路火工品為非保護(hù)狀態(tài)，結(jié)果合格。

表3 火工品解保測(cè)試檢查表

3.4 恢復(fù)非解控并重新上電

如圖13所示，地面測(cè)試設(shè)備發(fā)出“恢復(fù)鎖定”命令，然后控制火工品保護(hù)控制器下電后重新上電，對(duì)火工品解保狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。

圖13 恢復(fù)鎖定并重新上電

按照表4進(jìn)行測(cè)試檢查，顯示此時(shí)1～30路火工品為解保狀態(tài)，結(jié)果合格。

表4 重新上電狀態(tài)檢查表

3.5 保護(hù)指令測(cè)試

地面測(cè)試設(shè)備發(fā)出“解控”、“恢復(fù)保護(hù)”命令，進(jìn)行火工品保護(hù)控制功能測(cè)試，如圖14所示。

圖14 火工品保護(hù)測(cè)試

按照表5進(jìn)行測(cè)試檢查，軟件顯示此時(shí)1～30路火工品為保護(hù)狀態(tài)，結(jié)果合格。

表5 火工品保護(hù)控制測(cè)試檢查表

3.6 重新上電確認(rèn)

對(duì)火工品保護(hù)控制器執(zhí)行恢復(fù)“恢復(fù)鎖定”并重新上電后，確認(rèn)火工品保護(hù)狀態(tài)，如圖15所示。

圖15 恢復(fù)鎖定并重新上電

按表6進(jìn)行確認(rèn)，火工品保持保護(hù)狀態(tài)。

表6 解控接通測(cè)試檢查表

3.7 火工品控制器下電

在測(cè)試結(jié)束后，地面測(cè)試設(shè)備發(fā)出“火工品保護(hù)控制器下電”命令，火工品保護(hù)控制器下電。

上述試驗(yàn)表明火工品保護(hù)控制器，控制火工品解控、解保、保護(hù)功能正常。在單機(jī)下電后依然可維持火工品保護(hù)觸點(diǎn)狀態(tài)不變。

4 系統(tǒng)可靠性安全性分析

運(yùn)載火箭火工品自動(dòng)保護(hù)與解保安全控制技術(shù)主要在箭上配置火工品保護(hù)控制器。通過地面測(cè)試設(shè)備控制箭上設(shè)備的火工品解控、火工品保護(hù)與解保繼電器實(shí)現(xiàn)箭上火工品自主保護(hù)與解保控制[24-25]。

為保證火箭測(cè)試和飛行過程中的可靠性安全性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性安全性分析：

1)為避免火工品保護(hù)與解保磁保持繼電器受異常指令或干擾驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致狀態(tài)異常翻轉(zhuǎn)，采用電磁繼電器J1～J4的“常閉”觸點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行短接鎖定，若需要對(duì)磁保持繼電器進(jìn)行控制，則需要先進(jìn)行J1～J4繼電器線圈加電，解除磁保持繼電器的鎖定；

2)采用第3.3章介紹的系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，進(jìn)行了控制指令、火工品解控觸點(diǎn)、火工品保護(hù)與解保觸點(diǎn)、繼電器驅(qū)動(dòng)電路等冗余設(shè)計(jì)措施；

3)為保護(hù)或解保指令控制安全性，設(shè)置一副J1～J4的常開觸點(diǎn)串入指令回路，設(shè)置一副J1～J4的常閉觸點(diǎn)并入指令回路，保護(hù)/解保指令與指令解控形成互鎖電路，提高指令控制安全性；

4)在射前完成火工品解保后，繼電器處于斷開，設(shè)備內(nèi)部電路與電阻盒線路完全物理隔離，最大程度保證設(shè)備內(nèi)部線路不對(duì)電阻盒產(chǎn)生影響；

5)火工品保護(hù)及解保指令均由地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)發(fā)出，確保起飛后火工品保護(hù)指令不會(huì)發(fā)出，進(jìn)一步提高火工品解保線路的安全性；

6)采用火工品自動(dòng)保護(hù)與解保安全控制技術(shù)后，在射前故障狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)火工品保護(hù)狀態(tài)快速恢復(fù)，可減少風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前中國(guó)新一代運(yùn)載火箭，火箭推進(jìn)劑采用液氧煤油，因此在測(cè)發(fā)流程中液氧煤油加注往往和箭上操作并行，存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。電氣系統(tǒng)采用無人值守運(yùn)載火箭火工品自動(dòng)保護(hù)與解保安全控制技術(shù)，可在射前箭上自主實(shí)現(xiàn)火工品保護(hù)與解保，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)臨射前箭上零人工操作，電氣系統(tǒng)箭上射前無人值守，在射前故障狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)火工品保護(hù)狀態(tài)快速恢復(fù)，可減少風(fēng)險(xiǎn)，降低經(jīng)濟(jì)損失。

運(yùn)載火箭火工品自動(dòng)保護(hù)與解保安全控制技術(shù)可以有效提升便捷性和效率，降低人員現(xiàn)場(chǎng)值守風(fēng)險(xiǎn)；為后續(xù)多個(gè)在研運(yùn)載火箭型號(hào)電氣系統(tǒng)提供無人值守解決途徑，可以有效地實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭加注后發(fā)射區(qū)無人值守要求，顯著提升了運(yùn)載火箭可靠性安全性。