直列式安全起爆系统电磁兼容性改善及安全性分析

施长军，周 涛，郑 松，杜永龙，李公法

（1.西安近代化学研究所，陕西 西安，710065；2.机电工程与控制国家级重点实验室，陕西 西安，710065）

直列式安全起爆系统是国外20世纪70年代以来不断研究、80年代迅速发展、90年代趋向成熟、21世纪推广应用的新一代最安全、最先进的弹药起爆系统，与传统的隔爆型安全系统相比有极好的安全性、高可靠性、较高的瞬发度和多点引爆同时性等优点，是大型战斗部最理想的起爆系统[1-3]。随着电磁环境越来越复杂，由电磁干扰、雷电、静电导致的爆炸事故已成为武器系统的新危害[4-5]。而直列式安全起爆系统在解除保险、恢复保险过程中使用了多达百余计的电子线路元件，其中高压转化器产生谐波干扰，开关、电容、二极管等容易对电子线路产生电磁干扰[6-7]，因而必须进行电磁兼容性以及安全性分析，以满足大型战斗部高安全性、高可靠性的要求。

本文针对大型战斗部用直列式安全起爆系统工作过程中电子电路、敏感易扰元件本身的电磁危害，以及在与弹电气接口工作中电磁兼容性、电磁安全性等问题，采用隔离屏蔽、瞬态电压抑制器等方法有效地减少电磁危害，从而改善直列式安全起爆系统的电磁兼容性；并采用国军标电磁安全性方法，对直列式安全起爆系统在包装、裸露、工作状态下的电磁环境危害进行了试验评估分析。该研究对直列式安全起爆系统的进一步应用具有一定的参考价值。

1 直列式安全起爆系统电磁危害分析

1.1 直列式安全起爆系统

大型战斗部用直列式安全起爆系统主要由安全起爆系统组件和爆炸序列组件组成，其组成框图如图1所示。其作用过程为：安全与解除保险电路接收到多重解保信息，解除保险之后，外置高压电源给高压起爆电容充电，电容充电后，起爆电路接收到起爆指令，触发电路工作，高压开关导通，高压起爆电容器通过高压开关向冲击片雷管放电，起爆冲击片雷管，进而起爆传爆序列。

图1 直列式安全起爆系统原理框图Fig.1 Principle diagram of in-line electronic safety and arming device

1.2 电磁危害分析

直列式安全起爆系统除了爆炸序列组件外，主要由电子线路、电子元器件组成，所以对外界电磁干扰特别是强电磁环境：弹上电气工作时产生的涌浪电压、电磁干扰、静电等电磁危害尤其敏感，这种电磁危害直接影响到直列式安全起爆系统的工作可靠性和安全性。

电子安全起爆系统包含了电源系统、信息识别系统、低压-高压转化系统等，包含了电源、开关、继电器、变压器、二极管、插接件等电子元器件以及电子线路，通过测试分析发现，主要有以下的电磁危害隐患：（1）直列式安全起爆系统中的电子电路与弹上电气接口工作时产生电磁干扰；（2）低压-高压升压过程由于电流、电压变化大容易产生大脉冲电磁干扰，以及变压器、继电器工作时本身产生的电磁干扰会影响其他敏感的易扰元器件工作可靠性；（3）噪声容易通过电子电路中的电子线路进入系统，产生大量的谐波干扰；（4）敏感、易扰元器件在工作过程中，易产生脉冲电磁干扰，影响其工作可靠性，从而影响整个安全起爆系统的工作可靠性。

2 直列式安全起爆系统电磁兼容性改善

针对直列式安全起爆系统中全电子线路存在的电磁危害隐患，采用隔离屏蔽、增加瞬态电压抑制器来抑制干扰源，切断干扰路径，提高直列式安全起爆系统抗电磁危害能力，以及直列式安全起爆系统的作用可靠性和安全性。

2.1 隔离屏蔽

2.1.1 隔离设计

针对直列式安全起爆系统的电子电路与弹上电气接口工作时产生电磁干扰的问题，在直列式安全起爆系统设计中考虑电磁兼容性设计，采用隔离DC/DC电源模块、数字隔离器、光耦等器件使电子电路与弹上电子设备完全隔离，降低接口工作时产生的电磁干扰；同时将高压电路单元和低压电路单元在物理上完全隔离，防止解保时升压电路输出的高压脉冲对其他电路造成影响；其次对整个直列式安全起爆系统采用屏蔽措施，减少电磁辐射干扰。

2.1.2 电子线路屏蔽

在电子线路布线时，晶振与微控制器引脚尽量靠近，利用金属编织的屏蔽线将输入以及输出信号线屏蔽起来，利用金属屏蔽板将信号回路进行隔离，屏蔽干扰源；同时在印刷电路时，布线应避免垂直布线，降低电子线路产生的高频干扰问题。在元器件自身电磁兼容改善的基础上，对驱动电路采用线圈隔离的方法，以减少电磁干扰。

2.2 增加抑制器和电路回路

2.2.1 增加瞬态电压抑制器

针对直列式安全起爆系统与弹接口工作时产生的电磁干扰，在物理隔离屏蔽设计的基础上，所有的电源线和信号线，无论是输入还是输出，并联合适的瞬态电压抑制器，防止涌浪电压、电磁干扰、静电等瞬态高压损坏直列式安全起爆系统的接口电路，同时有效减小导弹对直列式安全起爆系统的电磁干扰。

2.2.2 针对敏感性元器件增加电路回路

针对低压-高压升压过程中以及元器件本身的电磁干扰等问题，采取对电磁危害源变压器、升压驱动电路进行屏蔽的方式，以减少电磁干扰。首先对其干扰源自身进行电磁兼容改善：变压器、继电器等在工作过程中由于dU/dt或者dI/dt变化大，产生不同程度的电磁干扰，采用增加二极管、电阻等方式实现电磁兼容改善。其抗电磁干扰原理如图2所示。

图2 变压器、继电器电磁兼容改善原理图Fig.2 Improve methods of electromagnetic compatibility for transformer and relay

通过增加续流二极管、稳压二极管、电阻，可以消除断开线圈时产生的反电动势干扰，屏蔽变压器和继电器自身产生的辐射干扰，从而减小电磁危害。

3 电磁安全性试验验证

3.1 电磁辐射

对电磁兼容性改善后的直列式安全起爆系统在包装、裸露等状态下，根据GJB 5292-2004电磁辐射试验方法进行电磁辐射环境中安全性评估，辐射种类为A：10kHz～2MHz，（10V/m）；B：2MHz～18GHz，（50V/m）；测试结果如表1所示。

表1中在8种包括了裸露、包装、加电、不加电以及正常工作状态的测试条件下，雷管桥箔输出情况均为正常。试验结果表明：在不同状态的电磁辐射条件下该系统正常作用，满足战斗部对直列式安全起爆系统在电磁辐射危害环境中具有较强的安全性需求。

表1 不同状态条件的电磁辐射测试Tab.1 EMR testing on different condition

3.2 电磁干扰

对电磁兼容性改善后的直列式安全起爆系统在电磁干扰环境下，即存在干扰电缆信号、并降低信号完好性的电子噪音环境下，根据GJB 151A（152A）-1997进行了8项试验项目，完成电磁干扰安全性能的评估，测试结果如表2所示。

表2 电磁干扰试验测试结果Tab.2 Testing result of EMI

测试结果表明：直列式安全起爆系统在进行了电磁兼容改善后，满足国军标GJB 151A-1997、GJB 152A-1997中的8项试验要求。

3.3 静电放电

针对在操作、装填等过程中由于人员操作引起的静电放电不安全性问题，根据GJB 573A-1998中方法601对电磁兼容性改善后的直列式安全起爆系统进行了25kV的静电放电危害性能测试。放电回路参数：人体放电形式，充电电压为（25±5%）kV，电容量为（500±5%）pF，放电回路电感次数小于5。测试结果如表3所示。

表3 静电放电试验测试结果Tab.3 Testing result of ESD

对直列式安全起爆系统（不含冲击片雷管、导爆管、传爆管）和冲击片雷管进行人体放电测试，试验数量均为2发，每发产品放电冲击3次，人体静电放电试验后，经委托方现场测试，直列式安全起爆系统和冲击片雷管功能正常、外形完好。

4 结论

（1）本文针对直列式安全起爆系统在设计以及工作过程中产生的电磁危害问题，通过采用隔离设计、电子线路屏蔽、输入及输出中增加瞬态电压抑制器以及对敏感性元器件增加电路回路的方法，提高了敏感易扰元器件的抗干扰性能，切断了干扰途径，改善了直列式安全起爆系统的电磁兼容性，提高了直列式安全起爆系统的作用可靠性和安全性。

（2）对改善后的直列式安全起爆系统进行了电磁安全性分析，发现直列式安全起爆系统在电磁辐射（EMR）、电磁干扰（EMI）、静电放电（ESD）环境危害中，外形完好、系统功能正常，符合国军标涉及电磁安全性的相关标准，在电磁危害环境中具有较强的安全性，满足大型战斗部对起爆系统电磁安全性的需求。

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