运载火箭火工品引爆线路电流计算和试验研究

朱 源

（北京航天自动控制研究所，北京，100854）

运载火箭火工品引爆线路电流计算和试验研究

朱 源

（北京航天自动控制研究所，北京，100854）

火工品引爆线路电流的计算和验证是运载火箭控制系统设计中的一项重要内容。首先介绍火工品引爆线路组成，其次建立火工品引爆线路电流计算等效模型，给出3种不同类型引爆线路电流的理论计算方法，之后给出小电流测试、模拟发火试验和正式发火试验3种试验验证方法。试验结果表明理论计算结果与试验值基本吻合。

运载火箭；火工品；引爆线路；测试方法

0 引 言

运载火箭控制系统的任务，除了按要求将有效载荷送入预定轨道并保持飞行中姿态稳定外，还有一项工作就是根据事先设计好的时序，分时分批引爆火工品，火工品的正常引爆与否，关系到运载火箭的飞行成败，因此火工品引爆电流的理论计算和试验验证方法也就成为控制系统设计中的一项重要内容。

1 火工品引爆线路组成

控制系统火工品引爆线路的功用是按要求时间发出时序控制指令，引爆各火工品，负载是火工品的发火管的桥带，包括：发动机的点火、发动机关机、助推器分离、级间分离、整流罩分离、有效载荷分离等[1]。

火工品引爆线路从功能上由火工品供电电池、指令生成及时间控制、指令译码及分配、功率放大及输出、火工品负载5部分组成，如图1所示。

火工品供电电池用于提供引爆火工品所需的能量，一般选用银锌电池组，电池容量和放电电流根据实际负载情况来确定。运载火箭一般采用钝感火工品，单桥阻值为0.9～1.3 Ω，引爆电流为5～10 A，与引爆电流为1～3 A的敏感火工品相比，安全性大大提高，且具有防静电、防射频的能力，抗干扰能力强[2]。

火工品引爆线路中其余设备，不同的型号有不同的构成，其中指令生成及时间控制功能一般由箭载计算机实现；对于集中式控制的火箭，指令译码及分配功能由1台时序控制装置完成，而功率放大及输出功能则设计成多台单机，分别安装在不同的舱段，称做输出配电装置；而对于一些分布式控制的火箭，将各个舱段的指令译码及分配功能、功率放大及输出功能集中在1台单机中，形成了各级的综合控制器。当时序路数少，每一路输出电流较大时，可采用前一种集中式时序控制方案；当时序路数多，输出电流相对较小时，可采用后一种分布式时序控制方案[3]。

2 火工品引爆线路电流计算模型

根据引爆线路的基本构成，建立火工品引爆线路等效模型，如图2所示。

3 火工品引爆线路电流计算方法

火工品引爆线路的电流计算公式如下：

式中 I为引爆线路的电流；U为电池电压；R1，R2，R3，R4，R5为线路等效电阻。

线路电阻在设计完成后其阻值是固定的，火工品桥丝阻值和限流电阻的阻值偏差根据产品使用手册取值。电池电压U的取值应根据引爆线路使用电源的类型和指标确定，如采用箭上点火，则用电池任务书中的电压范围计算，如果采用地面点火，则用地面电源任务书中的电压范围计算。

火工品引爆线路的电流主要用限流电阻的阻值来调节。在确定每路火工品桥丝选用的限流电阻阻值时，应保证在极端条件下火工品桥丝引爆电流在正常工作范围内。2个极端情况为：a）电池输出电压最大、各部分电阻最小，可计算得到最大电流maxI，maxI＜10 A；b）电池输出电压最小、各部分电阻最大，可计算得到最小电流minI，minI＞5 A。

4 火工品引爆线路电流计算模型转换规则

火工品引爆线路根据控制方法的不同，分为3类：非奇偶型、奇偶型和混合型引爆线路。非奇偶型引爆线路指需同时引爆的火工品所有桥路（包括单桥和双桥）均由1个指令引爆，适用于引爆火工品数量较少的情况。奇偶型引爆线路指需同时引爆的火工品左、右桥路分别由2个指令同时引爆，适用于同时引爆火工品数量较多的情况。混合型引爆线路指同时有非奇偶型引爆线路和奇偶型引爆线路的引爆线路。为保证火工品的可靠引爆，一般不采用混合型引爆线路设计。

4.1 非奇偶型引爆线路转换规则

非奇偶型引爆线路电流计算模型转换规则如图3所示，先计算出线路图中的电缆阻值，画出阻值计算图，再用串并联关系转换为电流计算模型。图3中计算火工品1左桥线路电流时，转换规则如下：

式中 RL1～RL11为线路等效电阻；RQ1～RQ3为火工品桥丝阻值；RX1～RX3为限流电阻的阻值。

4.2 奇偶型引爆线路转换规则

奇偶型引爆线路电流计算模型转换规则如图4所示。图4中计算火工品1左桥线路电流时，转换规则如下：

式中RL1'～RL12'为线路等效电阻；RQ1～RQ4为火工品桥丝阻值；RX1'～RX4'为限流电阻的阻值。

4.3 混合型引爆线路转换规则

混合型引爆线路中，非奇偶型引爆线路电流计算按第4.1节的规则进行，奇偶型引爆线路电流计算按第4.2节的规则进行。

5 火工品引爆线路电流的理论计算

以某运载火箭为参考模型，给出火工品引爆线路电流的额定值、最大值和最小值理论计算结果，分别如表1、表2和表3所示。考虑到火工品阻值的离散性，火工品引爆不同步导致的开路或短路故障，以及各批次箭上电缆网在电缆分支长度、设备接插阻抗等方面的差异，火工品引爆线路电流在设计时应留有足够的余量，额定值一般设计在7～9 A之间，两种极端条件下的火工品引爆线路电流也应都满足5～10 A的要求。

表1 火工品引爆线路电流额定值Ie理论计算结果

表2 火工品引爆线路电流最大值Imax理论计算结果

表3 火工品引爆线路电流最小值Imin理论计算结果

6 试验验证与分析

6.1 小电流试验与分析

火工品的引爆时间短、风险高、费用大，在测试中不宜使用真实火工品，同时受到电池寿命的限制，也不宜用火工品供电电池进行测试。基于上述考虑，采用小电流测试方法，相当于一次低电压的“发火试验”，短期内可多次进行，用于验证火工品引爆线路设计正确性[4]。若经过小电流测试，火工品引爆线路电流不在要求范围内，则须调整限流电阻，将火工品线路引爆电流控制在要求值范围内，确保火工品可靠引爆。

小电流测试方案如图5所示，用20 A直流稳压电源代替火工品供电电池，用1 Ω等效电阻代替火工品，用5 A直流稳压电源输出28 V电压控制信号，接通火工品供电母线和相应的时序指令控制信号，将3 V左右的低电压施加到火工品控制回路，控制流经限流电阻的电流在50 mA左右，防止大电流将限流电阻烧毁。火工品引爆电流的测量点选择在1 Ω等效电阻两端，测量其工作电压，计算出工作电流，从而折算出电池供电情况下火工品线路引爆电流。小电流测试采用自动化测试设备，不仅能测量工作电路，也能监测其他通路是否存在潜电流，对于没有接通的火工品通路，如果测量出等效电阻两端有电压，则说明系统中存在潜通路，需对系统的线路设计进行复核。

某运载火箭小电流测试结果如表4所示。由表4可以看出小电流测试折算电流与理论计算结果基本一致，存在偏差主要原因为：小电流测试时的电流小，导致信噪比小，而VVs值的约为20，因而测试误差被放大，其次和测试电缆引起的压降、火工品等效电阻的精度以及低电压的人为读数都有关。

表4 小电流测试数据

6.2 模拟发火试验验证与分析

在进行正式发火试验前，为更逼近真实的飞行情况，使用火工品供电电池、1 Ω50 W电阻和1 A保险丝串联作为等效火工品进行模拟发火试验。模拟发火试验中，由地面测发控系统发出转电指令，接通火工品供电母线，由时序控制装置发出时序指令，接通相应的时序指令控制线包。火工品引爆电流的测量点选择在限流电阻两端，测量其工作电压，折算成工作电流。模拟发火试验方案如图6所示。

某运载火箭模拟发火试验测试数据如表5所示，火工品电流理论计算值和模拟发火电流基本一致，存在偏差主要原因为模拟发火试验中限流电阻两端电压为人为读数。模拟发火试验比小电流测试更接近真实飞行状态，因此模拟发火电流比小电流测试值更接近理论计算值。

表5 模拟发火试验测试数据

6.3 正式发火试验与分析

在前期模拟试验全部通过，且确认测试数据均满足设计要求时方可进行正式发火试验。正式发火试验采用装填半量起爆药的真实火工品，采用火工品电池供电，进行脱插脱落状态下的模拟飞行试验，并保留地面断电控制功能。正式发火试验中，控制系统地面设备加电后，应首先检查时序电路的初态，以确保所有的指令电路、输出电路均处在断开状态，避免转电后火工品误爆。火工品引爆电流的测量点选择在限流电阻两端，测量其工作电压，折算成工作电流。发火试验中还应监测火工品电池的工作电压。正式发火试验方案如图7所示。

某运载火箭发火试验测试数据如表6所示，理论计算电流、模拟发火电流和实际发火电流基本一致。

表6 发火试验测试数据

7 结 论

火工品引爆线路是影响运载火箭可靠性和安全性的重要线路。本文以某运载火箭为研究对象，介绍火工品引爆线路的组成，建立火工品引爆线路电流计算等效模型，给出3种不同类型火工品引爆线路电流的理论计算方法。

鉴于火工品引爆时间短、危险大、费用高，在测试中不宜用真实火工品，文中给出了小电流测试和模拟发火试验2种模拟验证方法和正式发火试验方法。试验结果表明，火工品电流理论计算值与试验结果基本吻合。火工品引爆线路电流的理论计算和试验验证方法能够满足工程设计和试验分析的需要。

[1] 孙凝生. 冗余设计技术在运载火箭飞行控制系统中的应用（二）[J]. 航天控制, 2003, 21(1): 68-80.

[2] 马吉亭, 李运来. 新型的固体导弹分离火工系统[J]. 火工品, 2002(1): 8-11.

[3] 宋征宇. 高可靠运载火箭控制系统设计[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2014.

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[5] 孙凝生. 冗余设计技术在运载火箭飞行控制系统中的应用（一）[J]. 航天控制, 2003, 21(1): 66-82.

[6] 徐延万. 控制系统[M]. 北京: 宇航出版社, 1989.

[7] 杜志, 甄国涌, 等. 点火控制器的安全性及可靠性设计[J]. 计算机测量与控制, 2013, 21(1): 168-170.

[8] 宋征宇. 运载火箭时序控制系统“标准型”的研究[J]. 航天控制, 1998, 16(2): 28-33.

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，工程师，主要研究方向为运载火箭控制系统综合设计