運載火箭火工品引爆線路電流計算和試驗研究

朱 源

（北京航天自動控制研究所，北京，100854）

運載火箭火工品引爆線路電流計算和試驗研究

朱 源

（北京航天自動控制研究所，北京，100854）

火工品引爆線路電流的計算和驗證是運載火箭控制系統(tǒng)設(shè)計中的一項重要內(nèi)容。首先介紹火工品引爆線路組成，其次建立火工品引爆線路電流計算等效模型，給出3種不同類型引爆線路電流的理論計算方法，之后給出小電流測試、模擬發(fā)火試驗和正式發(fā)火試驗3種試驗驗證方法。試驗結(jié)果表明理論計算結(jié)果與試驗值基本吻合。

運載火箭；火工品；引爆線路；測試方法

0 引 言

運載火箭控制系統(tǒng)的任務(wù)，除了按要求將有效載荷送入預(yù)定軌道并保持飛行中姿態(tài)穩(wěn)定外，還有一項工作就是根據(jù)事先設(shè)計好的時序，分時分批引爆火工品，火工品的正常引爆與否，關(guān)系到運載火箭的飛行成敗，因此火工品引爆電流的理論計算和試驗驗證方法也就成為控制系統(tǒng)設(shè)計中的一項重要內(nèi)容。

1 火工品引爆線路組成

控制系統(tǒng)火工品引爆線路的功用是按要求時間發(fā)出時序控制指令，引爆各火工品，負載是火工品的發(fā)火管的橋帶，包括：發(fā)動機的點火、發(fā)動機關(guān)機、助推器分離、級間分離、整流罩分離、有效載荷分離等[1]。

火工品引爆線路從功能上由火工品供電電池、指令生成及時間控制、指令譯碼及分配、功率放大及輸出、火工品負載5部分組成，如圖1所示。

火工品供電電池用于提供引爆火工品所需的能量，一般選用銀鋅電池組，電池容量和放電電流根據(jù)實際負載情況來確定。運載火箭一般采用鈍感火工品，單橋阻值為0.9～1.3 Ω，引爆電流為5～10 A，與引爆電流為1～3 A的敏感火工品相比，安全性大大提高，且具有防靜電、防射頻的能力，抗干擾能力強[2]。

火工品引爆線路中其余設(shè)備，不同的型號有不同的構(gòu)成，其中指令生成及時間控制功能一般由箭載計算機實現(xiàn)；對于集中式控制的火箭，指令譯碼及分配功能由1臺時序控制裝置完成，而功率放大及輸出功能則設(shè)計成多臺單機，分別安裝在不同的艙段，稱做輸出配電裝置；而對于一些分布式控制的火箭，將各個艙段的指令譯碼及分配功能、功率放大及輸出功能集中在1臺單機中，形成了各級的綜合控制器。當時序路數(shù)少，每一路輸出電流較大時，可采用前一種集中式時序控制方案；當時序路數(shù)多，輸出電流相對較小時，可采用后一種分布式時序控制方案[3]。

2 火工品引爆線路電流計算模型

根據(jù)引爆線路的基本構(gòu)成，建立火工品引爆線路等效模型，如圖2所示。

3 火工品引爆線路電流計算方法

火工品引爆線路的電流計算公式如下：

式中 I為引爆線路的電流；U為電池電壓；R1，R2，R3，R4，R5為線路等效電阻。

線路電阻在設(shè)計完成后其阻值是固定的，火工品橋絲阻值和限流電阻的阻值偏差根據(jù)產(chǎn)品使用手冊取值。電池電壓U的取值應(yīng)根據(jù)引爆線路使用電源的類型和指標確定，如采用箭上點火，則用電池任務(wù)書中的電壓范圍計算，如果采用地面點火，則用地面電源任務(wù)書中的電壓范圍計算。

火工品引爆線路的電流主要用限流電阻的阻值來調(diào)節(jié)。在確定每路火工品橋絲選用的限流電阻阻值時，應(yīng)保證在極端條件下火工品橋絲引爆電流在正常工作范圍內(nèi)。2個極端情況為：a）電池輸出電壓最大、各部分電阻最小，可計算得到最大電流maxI，maxI＜10 A；b）電池輸出電壓最小、各部分電阻最大，可計算得到最小電流minI，minI＞5 A。

4 火工品引爆線路電流計算模型轉(zhuǎn)換規(guī)則

火工品引爆線路根據(jù)控制方法的不同，分為3類：非奇偶型、奇偶型和混合型引爆線路。非奇偶型引爆線路指需同時引爆的火工品所有橋路（包括單橋和雙橋）均由1個指令引爆，適用于引爆火工品數(shù)量較少的情況。奇偶型引爆線路指需同時引爆的火工品左、右橋路分別由2個指令同時引爆，適用于同時引爆火工品數(shù)量較多的情況。混合型引爆線路指同時有非奇偶型引爆線路和奇偶型引爆線路的引爆線路。為保證火工品的可靠引爆，一般不采用混合型引爆線路設(shè)計。

4.1 非奇偶型引爆線路轉(zhuǎn)換規(guī)則

非奇偶型引爆線路電流計算模型轉(zhuǎn)換規(guī)則如圖3所示，先計算出線路圖中的電纜阻值，畫出阻值計算圖，再用串并聯(lián)關(guān)系轉(zhuǎn)換為電流計算模型。圖3中計算火工品1左橋線路電流時，轉(zhuǎn)換規(guī)則如下：

式中 RL1～RL11為線路等效電阻；RQ1～RQ3為火工品橋絲阻值；RX1～RX3為限流電阻的阻值。

4.2 奇偶型引爆線路轉(zhuǎn)換規(guī)則

奇偶型引爆線路電流計算模型轉(zhuǎn)換規(guī)則如圖4所示。圖4中計算火工品1左橋線路電流時，轉(zhuǎn)換規(guī)則如下：

式中RL1'～RL12'為線路等效電阻；RQ1～RQ4為火工品橋絲阻值；RX1'～RX4'為限流電阻的阻值。

4.3 混合型引爆線路轉(zhuǎn)換規(guī)則

混合型引爆線路中，非奇偶型引爆線路電流計算按第4.1節(jié)的規(guī)則進行，奇偶型引爆線路電流計算按第4.2節(jié)的規(guī)則進行。

5 火工品引爆線路電流的理論計算

以某運載火箭為參考模型，給出火工品引爆線路電流的額定值、最大值和最小值理論計算結(jié)果，分別如表1、表2和表3所示。考慮到火工品阻值的離散性，火工品引爆不同步導(dǎo)致的開路或短路故障，以及各批次箭上電纜網(wǎng)在電纜分支長度、設(shè)備接插阻抗等方面的差異，火工品引爆線路電流在設(shè)計時應(yīng)留有足夠的余量，額定值一般設(shè)計在7～9 A之間，兩種極端條件下的火工品引爆線路電流也應(yīng)都滿足5～10 A的要求。

表1 火工品引爆線路電流額定值Ie理論計算結(jié)果

表2 火工品引爆線路電流最大值Imax理論計算結(jié)果

表3 火工品引爆線路電流最小值Imin理論計算結(jié)果

6 試驗驗證與分析

6.1 小電流試驗與分析

火工品的引爆時間短、風險高、費用大，在測試中不宜使用真實火工品，同時受到電池壽命的限制，也不宜用火工品供電電池進行測試。基于上述考慮，采用小電流測試方法，相當于一次低電壓的“發(fā)火試驗”，短期內(nèi)可多次進行，用于驗證火工品引爆線路設(shè)計正確性[4]。若經(jīng)過小電流測試，火工品引爆線路電流不在要求范圍內(nèi)，則須調(diào)整限流電阻，將火工品線路引爆電流控制在要求值范圍內(nèi)，確保火工品可靠引爆。

小電流測試方案如圖5所示，用20 A直流穩(wěn)壓電源代替火工品供電電池，用1 Ω等效電阻代替火工品，用5 A直流穩(wěn)壓電源輸出28 V電壓控制信號，接通火工品供電母線和相應(yīng)的時序指令控制信號，將3 V左右的低電壓施加到火工品控制回路，控制流經(jīng)限流電阻的電流在50 mA左右，防止大電流將限流電阻燒毀。火工品引爆電流的測量點選擇在1 Ω等效電阻兩端，測量其工作電壓，計算出工作電流，從而折算出電池供電情況下火工品線路引爆電流。小電流測試采用自動化測試設(shè)備，不僅能測量工作電路，也能監(jiān)測其他通路是否存在潛電流，對于沒有接通的火工品通路，如果測量出等效電阻兩端有電壓，則說明系統(tǒng)中存在潛通路，需對系統(tǒng)的線路設(shè)計進行復(fù)核。

某運載火箭小電流測試結(jié)果如表4所示。由表4可以看出小電流測試折算電流與理論計算結(jié)果基本一致，存在偏差主要原因為：小電流測試時的電流小，導(dǎo)致信噪比小，而VVs值的約為20，因而測試誤差被放大，其次和測試電纜引起的壓降、火工品等效電阻的精度以及低電壓的人為讀數(shù)都有關(guān)。

表4 小電流測試數(shù)據(jù)

6.2 模擬發(fā)火試驗驗證與分析

在進行正式發(fā)火試驗前，為更逼近真實的飛行情況，使用火工品供電電池、1 Ω50 W電阻和1 A保險絲串聯(lián)作為等效火工品進行模擬發(fā)火試驗。模擬發(fā)火試驗中，由地面測發(fā)控系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)電指令，接通火工品供電母線，由時序控制裝置發(fā)出時序指令，接通相應(yīng)的時序指令控制線包。火工品引爆電流的測量點選擇在限流電阻兩端，測量其工作電壓，折算成工作電流。模擬發(fā)火試驗方案如圖6所示。

某運載火箭模擬發(fā)火試驗測試數(shù)據(jù)如表5所示，火工品電流理論計算值和模擬發(fā)火電流基本一致，存在偏差主要原因為模擬發(fā)火試驗中限流電阻兩端電壓為人為讀數(shù)。模擬發(fā)火試驗比小電流測試更接近真實飛行狀態(tài)，因此模擬發(fā)火電流比小電流測試值更接近理論計算值。

表5 模擬發(fā)火試驗測試數(shù)據(jù)

6.3 正式發(fā)火試驗與分析

在前期模擬試驗全部通過，且確認測試數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計要求時方可進行正式發(fā)火試驗。正式發(fā)火試驗采用裝填半量起爆藥的真實火工品，采用火工品電池供電，進行脫插脫落狀態(tài)下的模擬飛行試驗，并保留地面斷電控制功能。正式發(fā)火試驗中，控制系統(tǒng)地面設(shè)備加電后，應(yīng)首先檢查時序電路的初態(tài)，以確保所有的指令電路、輸出電路均處在斷開狀態(tài)，避免轉(zhuǎn)電后火工品誤爆。火工品引爆電流的測量點選擇在限流電阻兩端，測量其工作電壓，折算成工作電流。發(fā)火試驗中還應(yīng)監(jiān)測火工品電池的工作電壓。正式發(fā)火試驗方案如圖7所示。

某運載火箭發(fā)火試驗測試數(shù)據(jù)如表6所示，理論計算電流、模擬發(fā)火電流和實際發(fā)火電流基本一致。

表6 發(fā)火試驗測試數(shù)據(jù)

7 結(jié) 論

火工品引爆線路是影響運載火箭可靠性和安全性的重要線路。本文以某運載火箭為研究對象，介紹火工品引爆線路的組成，建立火工品引爆線路電流計算等效模型，給出3種不同類型火工品引爆線路電流的理論計算方法。

鑒于火工品引爆時間短、危險大、費用高，在測試中不宜用真實火工品，文中給出了小電流測試和模擬發(fā)火試驗2種模擬驗證方法和正式發(fā)火試驗方法。試驗結(jié)果表明，火工品電流理論計算值與試驗結(jié)果基本吻合。火工品引爆線路電流的理論計算和試驗驗證方法能夠滿足工程設(shè)計和試驗分析的需要。

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Research on Calculation and Test of Initiating Explosive Circuit Operating Current for Launch Vehicle

Zhu Yuan
(Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing, 100854)

The calculation and verification of the initiating explosive circuit operating current is an important constituent part of launch vehicle control system. Firstly, the paper puts forward the composition of the initiating explosive circuit. Then, three different calculation methods for the initiating explosive circuit operating current based on the equivalent model are provided. Finally, three different test methods are provided, such as little current test, the simulated explosive initiator test, the explosive initiator test. The results calculated with the equivalent model agree with those from test. The above methods can serve as a reference for engineering applications.

Launch vehicle; Explosive initiator; Explosive circuit; Measuring method

V41

A

1004-7182(2017)03-0069-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170315

2016-08-04；

2016-10-09

朱 源（1982-），女，工程師，主要研究方向為運載火箭控制系統(tǒng)綜合設(shè)計