陳乘新 王志瑩 吳京松 王國軍

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航天器火工引爆鏈路系統(tǒng)設(shè)計驗證方法研究實踐

陳乘新 王志瑩 吳京松 王國軍

（中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

火工鏈路設(shè)計是航天器安全設(shè)計的重要一環(huán)，其設(shè)計是否合理、驗證是否充分，直接影響飛行任務(wù)的成敗。為確保航天器火工裝置在軌可靠工作，需要開展火工引爆鏈路設(shè)計驗證工作。文章首先介紹了傳統(tǒng)的火工引爆鏈路設(shè)計方法存在效率低、易出錯的特點，然后從航天器系統(tǒng)角度提出了一體化火工引爆鏈路設(shè)計驗證方案，使用基于目標(biāo)導(dǎo)向的設(shè)計要素識別方法確保要素全面無遺漏。接著從數(shù)據(jù)融合角度建立火工引爆鏈路數(shù)字化仿真模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)源自動導(dǎo)入、仿真過程自動運行、仿真報告自動生成；最后對同一火工裝置同一測試狀態(tài)下的歷次數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，確保及時發(fā)現(xiàn)問題。該方案可有效提高火工鏈路設(shè)計驗證的效率和效果，為航天器火工引爆鏈路設(shè)計驗證提供參考。

火工裝置 仿真技術(shù) 引爆鏈路 設(shè)計驗證 數(shù)據(jù)分析 航天器

0 引言

火工裝置廣泛應(yīng)用于各類運載火箭、衛(wèi)星、探測器等航天器的連接分離裝置，是分離系統(tǒng)的核心部件?；鸸ひ溌肥呛教炱骺刂齐娐返闹匾M成部分，它在規(guī)定時刻接入電源引爆火工裝置，實現(xiàn)太陽翼展開、機構(gòu)解鎖、艙段分離、閥門打開等功能，故火工引爆鏈路設(shè)計是否合理、驗證是否充分，直接影響飛行任務(wù)的成敗[1-7]。

國內(nèi)外學(xué)者對如何提高火工引爆鏈路工作的可靠性、驗證的充分性和有效性進(jìn)行了大量卓有成效地研究。工作可靠性方面，采用絕緣環(huán)或者泄放通道的方式實現(xiàn)火工裝置腳殼間防靜電設(shè)計[8]：將瞬態(tài)抑制二級管（TVS）并聯(lián)在火工裝置腳殼間，利用TVS的瞬態(tài)電壓抑制特性進(jìn)行靜電防護[9]。驗證充分性和有效性方面，主要包括火工裝置無損檢測和批抽檢引爆試驗，其中火工裝置無損檢測包括引爆通路阻值測試、X射線成像技術(shù)檢測等[10]。這些研究主要集中在防靜電、無損檢測等方面，尚未形成一套包括火工裝置同組引爆設(shè)計、防靜電設(shè)計、限流電阻選擇、測試鏈路設(shè)計、引爆電流復(fù)核的設(shè)計驗證方法。隨著航天器大型化、復(fù)雜化的發(fā)展，火工裝置的種類和數(shù)量日益增加、地位和作用越趨顯著，亟需開展火工引爆鏈路一體化設(shè)計驗證方法研究[11-16]。

本文首先介紹了國內(nèi)外航天器火工引爆鏈路設(shè)計驗證方法及存在的薄弱環(huán)節(jié)，然后針對薄弱環(huán)節(jié)提出了一套航天器火工引爆鏈路一體化設(shè)計驗證方法，最后以某航天器為例給出了實施過程和效果，為我國航天器火工引爆鏈路設(shè)計驗證提供了一種系統(tǒng)化解決思路。

1 現(xiàn)狀及存在的問題

火工引爆鏈路設(shè)計就是在對航天器火工裝置種類、數(shù)量、起爆同步性要求等統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合電源電壓范圍、工作環(huán)境溫度等因素進(jìn)行引爆鏈路供電電纜設(shè)計、限流電阻阻值選取等工作，確保火工裝置在極限工作條件下可以安全可靠引爆?；鸸ひ溌夫炞C就是設(shè)計測試鏈路，驗證供電通路、火工裝置狀態(tài)是否正常。目前火工引爆鏈路設(shè)計驗證存在以下問題：

（1）未形成設(shè)計驗證一體化解決方案

火工引爆鏈路設(shè)計驗證應(yīng)注重系統(tǒng)性和全面性，應(yīng)結(jié)合設(shè)計驗證所需的各類要素，如起爆同步性、電磁干擾防護、供電安全性、測試有效性等開展工作，確保設(shè)計要素全面、驗證結(jié)果有效，覆蓋航天器研制全過程。

（2）設(shè)計驗證信息化程度不足

火工引爆鏈路設(shè)計驗證應(yīng)注重數(shù)字化和信息化，應(yīng)結(jié)合火工裝置點火頭類型、環(huán)境溫度、供電和測試鏈路復(fù)雜電路網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)火工引爆鏈路設(shè)計驗證所需數(shù)據(jù)的一鍵導(dǎo)入、一鍵運行和報告的一鍵生成。

（3）測試數(shù)據(jù)分析深度不夠

火工引爆鏈路供電通路單綜阻測試應(yīng)注重環(huán)境影響和趨勢變化，應(yīng)結(jié)合火工裝置橋絲阻值、供電通路電纜阻值等隨溫度漂移影響等因素進(jìn)行測試數(shù)據(jù)比對分析。

2 采用系統(tǒng)工程思想解決問題

針對當(dāng)前航天器火工引爆鏈路設(shè)計驗證存在的不足，本文基于系統(tǒng)工程思想，從航天器系統(tǒng)角度提出了設(shè)計驗證一體化、工作過程信息化、數(shù)據(jù)分析深度化解決方案，該方案的核心思想是全面識別設(shè)計要素，確保要素全面無遺漏，設(shè)計驗證過程數(shù)字化、提高工作效率，深化分析測試數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)問題苗頭。

（1）基于目標(biāo)導(dǎo)向的設(shè)計要素識別方法，確保要素全面無遺漏

所謂基于目標(biāo)導(dǎo)向的設(shè)計要素識別方法就是從火工引爆鏈路設(shè)計的目標(biāo)著手，推導(dǎo)影響火工引爆鏈路設(shè)計驗證質(zhì)量的各種因素，并進(jìn)一步分析要素間的關(guān)系，最終達(dá)到整個火工引爆鏈路設(shè)計要素及關(guān)系的識別，形成要素全面、銜接合理的一體化設(shè)計驗證方案，具體識別過程如圖1所示。

該方法的特點是將火工引爆鏈路設(shè)計驗證的目標(biāo)按階段進(jìn)行劃分，并判斷各階段的研制目標(biāo)是否可度量，若不可度量則進(jìn)行細(xì)化分解，直至所有的細(xì)化目標(biāo)均可度量。在可度量的細(xì)化目標(biāo)基礎(chǔ)上分析相關(guān)的設(shè)計要素，并判斷設(shè)計要素是否可評估，若不可評估則分析該設(shè)計要素與影響它的其它設(shè)計要素關(guān)系，構(gòu)建設(shè)計要素鏈，直至得到的所有設(shè)計要素均可評估。通過該方法可以確保設(shè)計要素識別全面，設(shè)計驗證方案合理可行。

（2）基于數(shù)據(jù)融合思想的全數(shù)字化仿真驗證方法，確保工作效率和效果

完成設(shè)計要素識別全面的一體化設(shè)計驗證方案后，從數(shù)據(jù)融合角度建立火工引爆鏈路數(shù)字化仿真模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)源自動導(dǎo)入、仿真過程自動運行、仿真報告自動生成。該方法核心是統(tǒng)一數(shù)據(jù)源填寫和輸出文檔模板、建立火工裝置引爆電流和單綜阻測試數(shù)據(jù)模型，具體過程如圖2。

圖1 基于目標(biāo)導(dǎo)向的設(shè)計要素識別方法

圖2 基于數(shù)據(jù)融合思想的全數(shù)字化仿真驗證方法

統(tǒng)一數(shù)據(jù)源填寫和輸出文檔模板，即對引爆電流仿真，單綜阻仿真所需數(shù)據(jù)統(tǒng)一考慮，采取EXCEL表作為仿真源數(shù)據(jù)和輸出文檔模板，通過明確點火器類型、橋絲阻值等數(shù)據(jù)填寫規(guī)范，實現(xiàn)數(shù)據(jù)源自動導(dǎo)入、仿真報告自動生成。

建立火工裝置引爆電流和單綜阻測試數(shù)據(jù)模型，即根據(jù)點火器類型和電路網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)涑橄蟪龌邳c火頭類型的每路火工裝置仿真計算的數(shù)學(xué)模型，綜合分析航天器各型號點火頭類型，可以劃分為單點火頭雙引出點、單點火頭單引出點、雙點火頭單引出點，如圖3所示。雙點火頭單引出點火工裝置引爆電流電路連接關(guān)系如圖4所示，每路火工裝置包括2個點火頭，路火工裝置同組引爆，故限流電阻、火工控制裝置至轉(zhuǎn)接處電纜、轉(zhuǎn)接處至火工橋絲電纜、火工裝置橋絲均為2×個，各阻值具體定義見表1。

圖3 各類火工裝置橋絲形式

圖4 雙點火頭單引出點火工引爆線路圖

表1 引爆線路中阻值定義

Tab.1 Variable definition of the pyrotechnic detonation circuit diagram

路火工裝置為同組引爆關(guān)系，則其中第1路火工供電回路阻值如下：

第1路火工供電回路供電電流為：

式中為火工裝置電源電壓。

第1路火工供電回路每個火工橋絲通過的供電電流分別為：

綜合電源電壓、環(huán)境溫度、限流電阻和火工橋絲阻值等因素，進(jìn)行引爆電流范圍分析。引爆電流最大值計算條件為：火工供電電源電壓技術(shù)指標(biāo)上限、限流電阻和火工橋絲阻值技術(shù)指標(biāo)下限、在軌溫度下限；引爆電流最小值計算條件為：火工供電電源電壓技術(shù)指標(biāo)下限、限流電阻和火工橋絲阻值技術(shù)指標(biāo)上限、在軌溫度上限。計算后的引爆電流范圍須滿足火工裝置可靠引爆技術(shù)要求，若不滿足應(yīng)更換限流電阻型號，直至滿足要求為止。

綜阻測試回路相比單阻測試回路多出了脫插至火工控制裝置電纜、限流電阻、火工控制裝置至轉(zhuǎn)接處電纜，連接關(guān)系更加復(fù)雜，故本文僅給出綜阻測試回路建模過程。以雙點火頭單引出點火工裝置為例，其綜阻測試電路連接關(guān)系如圖5所示，每路火工裝置包括2個點火頭，路火工裝置同組引爆，故限流電阻、火工控制裝置至轉(zhuǎn)接處電纜、轉(zhuǎn)接處至火工橋絲電纜、火工裝置橋絲等均為2×個，各變量具體定義見表2。以第1路火工測試回路阻值推導(dǎo)過程為例，由于路火工裝置通過限流電阻、地面測試電纜等耦合在一起，需要進(jìn)行解耦處理，具體過程如下：

1）對2～路火工測試回路分別進(jìn)行Y/△等效變換；

2）將2～路火工測試回路等效后電路進(jìn)行并聯(lián)處理；

3）將并聯(lián)處理后電路與第1路火工裝置進(jìn)行Y/△等效變換。

本文給出上述第一步和第二步推導(dǎo)過程，第三步推導(dǎo)過程與第一步類似，不在此贅述。

圖5 雙點火頭單引出點綜阻測試線路圖

表2 綜阻測試連接中的變量定義

Tab.2 Variable definitionof the integrated resistance circuit diagram

（3）基于健康管理角度的測試數(shù)據(jù)比對方法，確保及時發(fā)現(xiàn)問題

完成火工鏈路阻值測試后，從航天器健康管理的角度對同一火工裝置同一測試狀態(tài)下的歷次數(shù)據(jù)進(jìn)行比對判讀，即各次測試數(shù)據(jù)均與第一次測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，結(jié)合溫度變化等環(huán)境因素判斷數(shù)據(jù)是否有增大或減少的趨勢，及時判斷火工橋絲損傷等故障。

在綜合考慮環(huán)境影響和測試誤差時，建立火工鏈路阻值測試數(shù)學(xué)模型[18]，可假定同型火工品和測試電纜在不同溫度環(huán)境下阻值偏移，具有相同的阻值漂移系數(shù)；每個電連接器插針插孔接觸對阻值最大為。

3 某航天器火工引爆鏈路設(shè)計驗證實踐

某航天器功能復(fù)雜、任務(wù)周期短、火工品的種類和數(shù)量眾多。為了確?；鸸ぱb置在軌可靠引爆，該領(lǐng)域航天器運用了火工引爆鏈路設(shè)計驗證一體化、工作過程信息化、數(shù)據(jù)分析深度化解決方案，有效規(guī)避了設(shè)計驗證風(fēng)險、提高了工作效率和效果，保證了火工引爆鏈路設(shè)計驗證質(zhì)量（全文同quality）滿足要求，本節(jié)給出了實踐結(jié)果。

（1）完成設(shè)計要素識別、形成一體化設(shè)計驗證方案

航天器火工引爆鏈路設(shè)計驗證目標(biāo)是火工裝置在軌工作正常，通過目標(biāo)-可度量目標(biāo)-基于可度量目標(biāo)的設(shè)計要素-可評估設(shè)計要素4個步驟依次識別出2個可度量目標(biāo)、4個基于可度量目標(biāo)的設(shè)計要素和10項可評估設(shè)計要素，具體見圖6，可評估要素涵蓋了供電鏈路和飛行程序?功能設(shè)計、防誤起爆—安全性設(shè)計、測試鏈路—可測試性設(shè)計和驗證，形成了一體化設(shè)計驗證方案。

在設(shè)計初期通過引爆電流計算驗證鏈路設(shè)計的合理性，產(chǎn)品實現(xiàn)階段通過引爆電流復(fù)核驗證鏈路實現(xiàn)的正確性，測試階段通過單阻和綜阻計算驗證鏈路工作的正確性。與以往設(shè)計方法相比，實現(xiàn)了火工鏈路單阻計算、綜阻計算，引爆電流計算、引爆電流復(fù)核的一體化，涵蓋了火工鏈路設(shè)計驗證全過程，確保了引爆控制通路設(shè)計及火工裝置電源引爆能力符合要求。

圖6 設(shè)計要素識別過程

（2）完成仿真數(shù)據(jù)融合、開發(fā)火工引爆鏈路全數(shù)字化仿真工具

制定了火工裝置橋絲阻值表、限流電阻阻值表等共10種EXCEL表格作為數(shù)據(jù)源填寫模板，制定了仿真報告和測試細(xì)則2種填寫模板。開發(fā)了源數(shù)據(jù)自動導(dǎo)入工具、測試細(xì)則和仿真報告自動生成工具，火工鏈路單阻計算、綜阻計算，引爆電流計算、引爆電流復(fù)核所需數(shù)據(jù)采取模板化定制，替代原有的數(shù)據(jù)手工輸入輸出，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)源的一鍵導(dǎo)入；實現(xiàn)了單綜阻測試細(xì)則、引爆電流計算和復(fù)核報告的一鍵輸出；減少了人工干預(yù)，提升效率，降低出錯率。

（3）深入測試數(shù)據(jù)分析、開展趨勢判讀

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)火工鏈路設(shè)計驗證存在的要素容易遺漏、工作效率低下、測試結(jié)果分析有效性不足等問題，本文提出了設(shè)計驗證一體化、工作過程信息化、數(shù)據(jù)分析深度化解決方案。該方案實現(xiàn)了火工鏈路單綜阻計算，引爆電流計算復(fù)核的一體化設(shè)計、涵蓋火工鏈路設(shè)計驗證全過程；建立了供電電源到火工裝置的全鏈路數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了仿真數(shù)據(jù)源的一鍵導(dǎo)入、仿真計算的一鍵運行、測試細(xì)則和仿真報告一鍵輸出；提出了結(jié)合環(huán)境溫度等因素的誤差分析方法，實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)分析的精細(xì)化。

采取該方案的某型號航天器耗時由149 h縮短為15.2 h（SZ-11載人飛船應(yīng)用了該方法，相比SZ-10由149 h縮短為15.2 h。），在引爆電流仿真計算復(fù)核、單綜阻理論值仿真計算未發(fā)生一起錯誤，有效提高了火工鏈路設(shè)計驗證的效率和效果。本文提出的方法可以為航天器火工鏈路設(shè)計驗證提供一種系統(tǒng)化解決方案參考。

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（編輯：劉穎）

The Practice on Design Verification Method of Spacecraft Pyrotechnics Detonation Link System

CHEN Chengxin WANG Zhiying WU Jingsong WANG Guojun

（Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China）

Pyrotechnics link design is an important part in the safety design of spacecraft, it affects the success of the mission directly. It is necessary to carry out the design verification work of the pyrotechnics link in order to ensure that the operation of pyrotechnics is reliable. Firstly, the paper introduces the characteristics of low efficiency and error-prone with traditional design method. Then, The paper puts forward an integrated design verification method in the perspective of spacecraft system, using target-oriented design element recognition method to ensure that all elements are completely omitted. Futhermore, this paper establish a digital simulation model to ensure that data source imported, simulation processed, simulation result exported automatically. Compares with the previous data of the same pyrotechnic to ensure that the problem can be detected timely. The proposed scheme can effectively improve the efficiency and effect of the pyrotechnic link design, and provide reference for the design verification of the spacecraft pyrotechnic link.

pyrotechnics device; simulation technology; pyrotechnics detonation link; design and verification; data analysis; spacecraft

V1

A

1009-8518(2017)06-0029-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.06.004

陳乘新，男，1983生，2008年獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程專業(yè)碩士學(xué)位。研究方向為航天器電氣系統(tǒng)設(shè)計。E-mail: hagongdaliuxi@163.com。

2017-04-18