航天器發火線路電子等效測試裝置設計研究

潘江江 李 潔 李海偉 姜 爽 張 翔

1.中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京100076 2.航天長征化學工程股份有限公司，北京101111

火工品是航天器中常用的分離起爆裝置。在航天器發射前，對火工品及器上發火線路的各項性能參數進行測試，確保參數正常，是航天器可靠完成飛行任務的技術前提。傳統的火工品線路起爆測試用真實火工品起爆完成，測試過程中很難實現對起爆電路瞬時電壓、電流值的快速測試，對測試設備的采集速率有很高要求，技術難度大、測試成本較高。并且，測試過程中出現故障異常時，由于起爆瞬間為毫秒級，測試系統難以在線快速應對，因此，可能對發火系統造成難以估量的損失。為了彌補真實火工品發火測試中的不足，設計航天器發火線路電子等效測試裝置勢在必行。

1 研究背景

在航天器發火測試中，一般應用的是傳統火工品等效器。傳統火工品等效器內部設有等效電阻，阻值約為千歐量級，接入到火工品起爆線路中，當接收到發火起爆電壓后(可轉化為起爆電流)，檢測到線路中的火工品起爆電流后，通過等效器內部電壓采集，進行指示燈顯示。傳統火工品等效器只能檢測起爆電壓值與起爆線路的正確性，但起爆瞬間的電壓值、電流值對測試系統采集速度要求較高，難以觀測，對于火工品起爆測試的具體參數情況無法進行詳細分析。

起爆線路方面，由于不同航天型號上電氣系統電纜網長度和特性不同，造成電纜線路阻抗不一致，對起爆線路中電流值會造成影響。若起爆電流過小，可能造成線路無法正常起爆。使用傳統火工品等效器，可能起爆線路能夠正常連通，即火工品等效器上能夠正常接收到起爆電流，指示燈顯示正常，但實際起爆線路中由于電纜網阻值較高，線路中實際起爆電流較小，使得火工品起爆電流達不到起爆水平，火工品無法正常起爆。所以，傳統火工品等效器存在電流、電壓值測不到等缺陷，火工品起爆試驗中測試覆蓋性差，發生故障后，無法進行數據分析，難以查找故障原因。

2 功能需求及系統組成

2.1 發火線路電子等效測試裝置功能需求

發火線路電子等效測試裝置主要功能包括：發火線路工作模式選擇(即故障在線注入內容)、發火線路參數采集、測試數據顯示及報警、數據存儲和通信等。

1)發火線路電子等效測試裝置通過模式選擇按鈕，控制固態功率控制器(SSPC)進行開關通路切換，可以選擇正常發火、發火后短路及發火后搭殼(即存在不定電阻)等線路狀態，真實模擬發火試驗中各種情況；

2)霍爾電流傳感器和電阻分壓電路分別采集固定狀態下起爆線路中電流值和電壓值；

3)采集后數據送往單片機處理分析，通過液晶顯示屏顯示這些參數，若參數值超出事先限定的正常范圍，將通過指示燈和蜂鳴器控制電路報警；

4)參數值將保存在存儲器中，可以通過USB接口外界U盤讀取，便于回看測試過程中的各類參數狀態，發現火工品起爆線路潛在問題，進行故障定位。

2.2 發火線路電子等效測試裝置組成

根據發火線路等效測試裝置的功能需求，發火線路電子等效測試裝置由火工品發火測試通路、電源模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、顯示及報警模塊和通信模塊幾部分組成，具體電路組成見圖1。其中起爆測試通路由保險絲和固態功率控制器(SSPC)組成，數據處理模塊為單片機C8051F020，數據采集模塊為霍爾電流傳感器AS712和電阻分壓電路，顯示及報警模塊由市面上通用的液晶顯示屏、蜂鳴器和指示燈組成，通信模塊由采用USB2.0的USB接口電路組成。

3 設計實現

3.1 電源模塊設計

電源模塊為整個發火線路電子提供設備所需要的相關直流電壓，主要有+5V，3.3V和±15V。出于測試設備通用性、成熟性考慮，選用市面上常見的三星I9100鋰電池作為供電輸入，工作電壓范圍為3～4.2V。通過DC/DC升壓模塊將輸入電壓調整為2.5～5.5V，保證5V電源的正常工作。而3.3V和±15V分別是在5V的基礎之上通過相應的電壓轉換芯片轉換而來。3.3V電壓通過NCS的低壓差穩壓器來實現，主要為單片機IO電源、開關、USB接口及顯示屏等供電；±15V的電壓主要為霍爾器件及運放供電。整個電路最大消耗電流約為302mA，鋰電池容量約為1650mAh，理論上能持續工作5h以上。

圖1 發火線路電子等效測試裝置設計方案示意圖

表1 主要元器件消耗電流情況

器件消耗電流(mA)器件消耗電流(mA)單片機69顯示屏25文件管理控制芯片15霍爾器件30電壓轉換芯片(3．3V)10運算放大器2DC/DC升壓模塊82蜂鳴器25電壓轉換芯片(±15V)44總消耗電流302mA

3.2 數據采集模塊設計

數據采集模塊的主要作用是采集火工品起爆線路中的起爆電流值，這里采用霍爾電流傳感器串接于火工品測試通路中，實現對通路中電流值的采集。霍爾器件采集到的信號通過電壓跟隨電路后，進入數據處理模塊，通過單片機內置模數轉換模塊，轉換成相應的數字量進行后續相關處理。此外，起爆電壓值通過電阻分壓電路進行采集。

3.3 數據處理模塊設計

數據處理模塊接收來自數據采集模塊的信息，進行后續處理，并將發火試驗所關心的電流值、電壓值在液晶顯示屏顯示，若存在數據值異常，控制蜂鳴器和指示燈報警。設備殼體表面的模式選擇按鈕，可以選擇測試過程中各種故障在線注入方式，具體內容見表2。

表2 后續工作狀態選取

故障在線注入模式選擇后，根據實際發火試驗流程，通過數據處理模塊中事先設定好的工作時序進行動作，分別為發火起爆、發火后故障注入和測試結束后觀測3個階段，具體內容見表3。

表3 工作時序確定

3.4 發火測試通路設計

數據處理模塊選定故障在線注入模式后，嚴格按照事先選定的動作時序，控制固態功率控制器(SSPC)陣列的開關狀態，切換發火測試通路狀態，完成對應的發火測試內容。以發火后短路模式為例，0～6ms內接收發火起爆信號；7ms開始對發火線路進行短路故障模式注入，單片機控制固態功率控制器(SSPC)相關觸點動作，對發火線路進行短接；201ms時刻火工品控制器切斷起爆信號，進行后續觀測時段，對發火線路是否受到故障影響，特征參數值是否發生明顯變化做出觀測，直至20s全部測試周期結束。具體電路實現形式見圖2。

圖2 工作模式選擇電路原理圖

3.5 通用模塊設計

顯示及報警模塊由市面上通用的液晶顯示屏、指示燈和蜂鳴器構成，通信模塊由采用USB2.0協議的USB成熟接口電路組成。

3.6 其他設計

3.6.1 人機交互接口設計

人機交互接口主要包括2部分設計：1)顯示屏的顯示與信息的讀取；2)鍵盤輸入信息的處理。顯示屏主要用來顯示設備的相關信息(如電池剩余電量)、被測產品的相關信息(如工作模式、相應的參數測試結果)。用戶由鍵盤輸入的信息通過顯示屏的信息讀取來進行確認，該裝置中顯示屏的顯示采取分類分頁設計，不同的功能選擇與設置對應不同的顯示屏顯示界面。按鍵的選通信號送到單片機的一個I/O口作為中斷信號，從而引起單片機一個中斷產生，單片機依據此中斷進入相應的中斷程序，控制選擇不同的顯示界面及工作模式，具體顯示內容見圖3所示。

圖3 顯示屏人機交互界面示意圖(按時序分3階段顯示)

3.6.2 結構設計

基于航天器火工品發火試驗中輕質化、小型化的設計思想，優化發火線路電子等效測試裝置的重量體積，選用長方形殼體設計。殼體表面放置顯示屏，下端為電池盒，電池采用手機上通用的小型鋰電池，電池尺寸為59mm×46.2mm×5.2mm，電源開關、報警指示燈及USB接口置于前表面，按鍵開關置于右表面，連接測試信號輸入輸出端的連接器置于左表面，殼體內部剩余空間可放置電路板，結構外觀如圖4所示。

圖4 發火線路電子等效測試裝置結構示意圖

4 功能驗證

在航天器火工品發火試驗中，將發火線路電子等效測試裝置接入電纜網，選定工作模式后，利用航天器上火工品控制器發送起爆信號，待一個完整的測試周期結束后，發火線路電子等效測試裝置上采集結果如圖5所示。測試結束后，測試結果自動保存于設備內部，利用USB接口外接U盤，將測試數據拷貝到上位機上，讀取測試結果如圖6所示。后期可以利用matlab和Labview等通用上位機軟件對測試數據進行分析，對測試數據波形進行直觀顯示。

圖5 發火線路電子等效測試裝置發火試驗測試結果(按時序分3階段顯示)

圖6 發火線路電子等效測試裝置USB接口讀取測試數據內容

由圖5～6可以看出，發火線路電子等效測試裝置在發火試驗中可以代替真實火工品完成各項測試內容，并對發火線路中難以測到的特征參數進行全面測試。同時，該設備還具備發火后故障狀態的模擬測試功能，可以較好的掌握各種情況下發火系統的工作狀態，便于進行故障定位。總之，發火線路電子等效測試裝置可以模擬最為真實的工作狀態，安全可靠地實現發火試驗全面測試的設計目的。

5 結論

航天器發火線路電子等效測試裝置解決了發火測試中真實火工品不可重復使用、安全可靠性低、發火線路部分參數測試不到等技術難題。采用電子集成電路的設計方式，不僅有測試數據的高精度采集和直觀顯示的技術優勢，還便于測試結果的保存和傳輸處理。此外，使用發火線路電子等效測試裝置還具有降低測試成本、便于試驗現場布局、減少測試人員數量、簡化操作步驟、提高測試系統的工作可靠性和工作效率等優點。總之，采用發火線路電子等效測試裝置完成航天器發火試驗，對發火系統的工作穩定性的全面技術驗證、對確保航天器能夠順利完成飛行任務具有重要意義。

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