导弹点火系统安全性设计方法研究*

邓康

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

导弹点火系统安全性设计方法研究*

邓康

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

从组成导弹点火系统的点火电路、安全保险装置、点火装置等各个环节，全面系统地介绍了安全性设计原则、内容以及采取的具体措施，为导弹点火系统的安全性设计工作提供了参考，提出安全性设计要从导弹系统角度进行全面规划和设计，以提高导弹在未来复杂战场环境条件下的安全性。

导弹；点火系统；安全性；安全性设计；点火电路；系统规划

0 引言

导弹的点火系统，在实际使用中，因各种原因曾出现过不少安全性事故。1967 年7月，美航空母舰FORRESTAL号在北越海域游弋，在A-4和F-4战机准备起飞时，1部雷达照射到飞行甲板上，使1枚挂载在飞机上的导弹意外点火，造成重大人员伤亡和损失；1984年，亚洲某炮兵阵地上的3发火箭弹，因附近雷电作用被点火发射；1993年，瑞典航天公司在埃斯兰格发射场的1枚探空火箭，因用错测试仪表对发动机点火电路进行检查，使发动机点火，造成重大人员伤亡；2005年，某单位在检测点火装置点火电阻时，因操作失误，使点火装置意外发火，烧伤3名现场操作人员。

随着导弹武器系统的应用越来越广泛，未来使用环境也将不断恶化，西方国家(如美国)已高度重视火箭和导弹点火系统的安全性，相继颁布了相关的军用标准以保证点火系统的安全性[1]，并实施相关计划研究以提高点火系统的安全性，如美国HERO计划。

安全性设计就是要在导弹武器系统中采取措施保证导弹在使用全过程中的安全，不得造成人员、设备的伤亡和损失[2]。为了满足上述要求，设计人员在进行系统设计时应该遵循一定的准则，以保证设计出来的系统满足武器系统各阶段的安全性要求。文中将结合某型反导导弹的安全性要求对导弹全寿命周期各阶段的安全性设计方法进行分析研究。

导弹点火系统一般采用电启动方式，由点火电路(包括点火电源、点火控制电路、检测电路、能量传送电路)、安全保险装置(包括电气隔离装置、物理隔离装置、防静电防射频电路等)、点火装置(包括起爆器、传火序列、点火药等)组成，某些安全保险装置也可内置于点火装置中。

1 设计原则

安全性失效均是直接发生在点火系统的某个部分，因此，应根据点火系统各个组成部分的特性和受影响的机理来进行安全性设计。根据影响因素的不同，应遵循以下设计原则：

(1) 点火系统的设计要采取安全冗余和防差错措施[3]。必须串联多个环节方可实施弹上火工品点火，点火电路中，至少应设置2种独立的电气隔离装置且受不同的指令控制；

(2) 弹上火工品优先选用1 A 1 W/5 min不发火的钝感点火装置，若点火装置所用药剂不满足安全性规定时，应设置有隔断传火通道的隔离机构；如条件允许，应采用高度安全的直列式点火装置，如激光点火装置、冲击片点火装置；

(3) 应有保证处于安全状态的措施，以确保在贮存、运输、维护、检测时的安全；

(4) 点火电路的电磁兼容性设计，应满足国军标、行业标准及相关型号电磁兼容性相关规定，即在规定的电磁环境作用下不产生意外解除保险或点火，以及不产生超过规定的感应能量(应不超过安全电流的15%)。

2 设计方法

2.1 点火电源安全性设计

为避免相互干扰，弹上点火电源应使用独立的电源，与弹上其他电源分开并且地线相互隔离；弹上点火电源应使用一次贮备电池，使用前方可激活输出点火能源。导弹多选用热电池，环境适应性强，体积小，质量小，且在全寿命周期免维护。

2.2 点火装置安全性设计

2.2.1 起爆器安全性设计

应优先选用高安全的起爆器，如采用1 A 1 W/5 min不发火的钝感点火装置[4]。

对于某些电磁环境恶劣的特殊应用环境，在满足1 A 1 W/5 min钝感要求的前提下，应进一步提高起爆器防静电、防射频的能力。如在起爆器每个桥路与壳体间加装静电泄放装置(如10 Ω～5 000 kΩ 的电阻，静电泄放片)、低通滤波器(如L型、П型滤波器、铁氧体材料等)。

2.2.2 安全药剂选用

一般可采用黑火药、镁粉/聚四氟乙烯点火药、硼/硝酸钾点火药、固体推进剂等[5]。如果所用药剂安全性不满足相关规定，则在此敏感药剂后要加装隔离装置以防其意外点火后将能量传达下一级，从而确保导弹的安全。

2.2.3 增加隔离装置

目前在大多数导弹点火装置中均采用满足1 A1 W钝感要求的起爆器。这种钝感起爆器能够满足基本的安全要求，在复杂电磁环境中达不到绝对安全。因此，对于像发动机起爆器这类有最严格要求的点火装置，如有必要，需要在这种起爆器后加装隔离装置，隔离装置在处于安全状态时能隔断起爆器起爆后的传火通道从而保证安全[6]。隔离装置可以通过旋转90°的方式来实现传火通道的隔断或对准，也可通过插入/拔出的方式来使传火通道处于阻塞或导通状态。通过这种物理隔断，当起爆器意外点火时，不会将后续的点火药或发动机点燃，从而确保了安全。实现隔离装置从安全到工作状态或从工作到安全状态转换的方式可以采用手动机械驱动或机电驱动。当处于安全状态时，点火装置的点火输入线要与点火电源输出线断开，同时要短路后与壳体连接；处于工作状态时，则断开点火输入线的短路，并与点火电源输出线接通。

美国AIM-120空空导弹采用机电驱动方式来实现安全隔离(见图1)。

2.3 点火电路的安全性设计

导弹点火系统的安全性贯穿于导弹全寿命周期的整个过程中[7]，不同阶段安全性有不同的要求和表现，作为导弹武器系统各个环节都应采取措施，确保整个导弹系统的安全。

2.3.1 发射阶段的安全性设计

为提高发射阶段的安全性，所有弹上火工品及发射筒的火工品点火能源均应由弹上点火电池提供；点火电池的激活时点必须严格控制在发射前，相对地面提供点火电源，可以大大降低误点火的可能性；如采用冷弹射方式，在发射筒燃气发生器点火前必须确认导弹锁定措施已完全解除。若弹射后发动机未点火，必须采取措施保证导弹落地冲击不会引起发动机点火。

某型导弹采用垂直冷弹射的发射方式，其发射具体过程为导弹纵向解锁后，点爆发射筒燃气发生器，产生的高温高压燃气推动导弹弹射出筒，导弹出筒到达一定的安全高度后，点燃固体火箭发动机，继续飞行。

发射筒中火工品包括纵向解锁和燃气发射器点火器。设计由弹上点火电池提供点火能源，点火电池在导弹发射前数秒方被发控系统激活。随后，发控系统控制导弹进行纵向解锁，确认解锁到位后，进行燃气发生器点火器点火，筒内产生大量高温高压燃气，推动导弹弹出发射筒。

导弹开始纵向运动后，弹尾的脱落插座与发射筒中的脱落插头分离，导弹敏感到脱落电连接器脱落，用此脱落信号作为弹上点火时序的初始条件。

导弹弹出发射筒的过程中产生过载，当导弹轴向过载达到规定值时，导弹内部过载开关的常开触点闭合，点火电源输出至点火控制继电器常开触点前端。满足规定的延时条件后，点火控制继电器常开触点闭合，全部点火通路全部贯通，点火能源送至固体火箭发动机点火器，发动机点火。

如导弹弹射故障使过载未达到规定的过载值，则过载开关触点不闭合，导弹弹射出筒至跌落地面前，导弹不会实施点火。当导弹跌落时，如受到的冲击达到过载继电器的闭合条件，则导弹会按照弹上点火时序进行点火，极有可能造成地(舰)面设备损坏甚至人员伤亡，因此，必须采取措施保证人员和设备的安全。导弹脱落后t1时刻要进行弹上火工品点火，因此，必须在小于t1时间内对过载继电器的状态进行查询判定，通过点火控制软件判定，若过载出现时刻大于t1-Δt，认为出现弹射故障，不进行任何点火动作，保证地(舰)面设备和人员安全。

综上所述，发射阶段的点火条件包括：

(1) 点火电池被激活；

(2) 纵向解锁到位；

(3) 发射筒主燃气发生器点火指令；

(4) 脱落信号产生；

(5) 过载开关动作；

(6) 延时点火条件满足。

2.3.2 飞行阶段的安全性设计

为提高导弹弹上火工品点火安全性，必须设置多个串联环节方能实施导弹弹上火工品的点火[8]。只要是能将点火能量输送到点火装置的环节，都必须采取安全措施，且进行冗余或防差错设计，提高点火系统的工作可靠性，保证导弹系统的安全。

在进行导弹发射点火前，点火电源与点火装置间至少应用2个独立的隔离装置来实现电气隔离，这些装置包括电磁继电器、固态开关(无触点开关)。独立的隔离装置是指受不同指令的控制，只有当这些控制都有效时才能保证电气接通。

图2 导弹级间分离装置点火电路图Fig.2 Ignition circuit of missile stage separation

图2为某型导弹级间分离装置点火电路图，从点火电源至级间分离装置点火器之间设置了2处隔离环节：①过载继电器的常开触点；②固体继电器的触点。当导弹轴向过载达到规定值时，过载继电器常开触点闭合；当点火控制系统接收到弹上计算机发出的分离点火控制指令后，控制固态继电器触点闭合，上述2个条件同时满足时，点火通路才能连通。

2.3.3 测试、维护、运输、贮存阶段

导弹在研制阶段及装备部队后，要经过各种各样的自然环境和人为环境，为进一步防止安全事故的发生，在完成了上述安全设计后，还应安装强制性的安全保护装置，如短路保护装置，以确保导弹在测试、维护、运输、贮存中的安全，只有导弹进行综合测试或装填至发射车进入发射准备状态后，才能去掉这些保护装置。这些保护装置均应作为导弹产品的附属件，安装于导弹弹体或筒弹外侧。短路保护装置基本的形式是在火工品点爆或激活正负之间短接。

以某型导弹为例，其在导弹测试、运输、贮存时采取保护措施如下。

(1) 设计专用火工品短路保护插头，确保导弹在非测试状态下所有火工品处于短路保护状态；

(2) 在进行火工品电阻测试时，使用专用的弹上火工品测试仪，保证测试电流小于10 mA；

(3) 综合测试系统不提供弹上点火电源，且在测试电缆中不连接点火电源信号线，因此，在导弹进行各加电测试项目时，弹上没有可用的点火能源，避免了误点爆；

(4) 采用专用过载开关，若运输过程中出现冲击引起的大过载，因导弹在运输过程中不加电，过载开过无法保持动作，点火通路无法接通，且运输过程中作为点火能源的点火电池没有激活，因此没有弹上火工品误点爆的风险，提高了导弹的安全性。

某专用过载开关工作原理图如图3所示。

图3 过载继电器工作原理图Fig.3 Operational principle of overload relay

2.4 点火电路的可靠性设计

对于采用垂直冷弹射发射方式的导弹而言，提高导弹发动机点火的可靠性，避免导弹发动机因不点火造成导弹落下砸坏地面设备，引起弹上有毒液体推进剂泄露，造成人员伤害，就是提高导弹系统的安全性。

为实现弹上火工品的可靠点爆，选用高可靠元器件，成熟电路，同时，采用冗余备份等设计原则，提高产品的任务可靠性，具体如下：

选用质量等级更高的元器件，采用成熟技术和经过考核的产品，使用高集成度电路、已定型的或经验证符合要求的标准部件、成熟电路；

充分开展降额设计、防热设计和防机械应力结构设计以及适当的冗余设计，降低器件、导线的工作应力水平以及弹上点火控制系统的风险；

设置2路独立的信号作为点火控制的输入条件，以提高点火系统的可靠性，保证弹上火工品能够正常点爆；

所有弹上火工品的点火通路均为双点双线，当出现单点焊/压接问题或导线断路时，仍能够保证点火功能实现；

所有点火控制电路均采用冗余设计，点火控制软件加入软件滤波和错误陷阱，以提高点火系统的可靠性。

2.5 点火电路的电磁兼容性设计

电磁环境对点火电路的影响表现在以下几个方面：通过传导或辐射将电磁干扰引入点火电路，使点火电路误动作；通过辐射在点火导线上产生足够的感应能量使点火装置误发火；通过点火导线直接将能量传给点火装置(如直接雷电、静电积聚)。因此，在对点火系统所面临的电磁环境分析的基础上，应采取相应的措施来抑制这些影响因素给点火系统带来安全性危害。这些措施包括屏蔽、滤波、接地、隔离等[9]。

2.5.1 屏蔽

屏蔽措施对电磁辐射、静电干扰、电容性耦合干扰、电感性耦合干扰均有明显的抑制作用。由于屏蔽体的存在，外来的辐射干扰甚至是直接作用能量将通过屏蔽层加以衰减或泄放，保证内部点火电路免受干扰而产生误发火。屏蔽效果应保证在30 kHz以上衰减40 dB[10]。

屏蔽时，首先应将点火电路中的辐射源进行屏蔽，如二次开关电源、放电电容、继电器等，防止对点火电路中的其他器件或电路产生影响；再将点火系统的控制设备和信号传输通路进行屏蔽，免受外来辐射或耦合干扰。影响屏蔽效果的因素为：屏蔽体上存在导电不连续性，如孔洞、缝隙等；穿过屏蔽体的导线。因此，根据经验，屏蔽体上的空隙或孔洞的最大尺寸至少不能大于需要屏蔽电磁波波长的1/20[11]，否则应加导电屏蔽垫，用于屏蔽的导体间的搭接电阻不能大于2.5 mΩ；输入输出线缆采用屏蔽线，屏蔽层要保持连续，一直到控制舱输出端口和点火装置输入端口，线缆屏蔽层的光学覆盖率不应低于85%，如果有较高频(1 GHz以上)的干扰，应对电缆采取多层屏蔽或缠绕屏蔽带。信号连接采用屏蔽电连接器。屏蔽层不能用作载流导体，控制信号线和点火导线应采用屏蔽双绞线。

2.5.2 滤波

抑制干扰的滤波器有反射式滤波器和吸收式滤波器等。

反射式滤波器通常指由电感、电容等元件组成的低通滤波器[12]，旁路电容滤波器就是一种典型的低通滤波器。吸收式滤波器是由有耗器件构成，在阻带内，将电磁干扰的能量吸收后转化为热损耗而起到滤波作用。铁氧体材料就是一种广泛应用的有耗器件，可用来构成低通滤波器。一般套在元器件引脚或导线上，也可填充在点火装置引线的周围绝缘层中。

对于与外部电路连接的点火电路输入信号应加装低通滤波器[13]，特别是对于穿过屏蔽体的信号线。在低速控制信号输入端可采用带滤波功能电连接器，电源线入口处或点火电路中电源输出端安装电源滤波器。为防止点火回路中有超过危险水平的感应能量，对于无法完全屏蔽的点火装置，由于点火导线具有天线效应，能将辐射能量引入点火回路中，因此，应在每根点火导线输入端对公共地间加装低通滤波器。滤波器的安装不能破坏各部分的屏蔽效能。

用于点火回路的滤波器，其截止频率应不低于20 kHz，工作频率至少不低于1 GHz，选用的电感、电容应能在最高频率下正常工作，一体化设计的滤波器有利于提高最高工作频率。额定工作电流应不低于点火回路安全电流，同时应能承受最大点火电流的冲击而不损坏，工作电压应不低于点火电压的1.5倍。用于点火回路的滤波器可以集成在点火装置中。

图4为典型的点火低通滤波器电路。

图4 点火低通滤波器等效电路图Fig.4 Equivalent circuit diagram of ignition lowpass filter

对于需要机械分离信号作为控制信号输入的电路，应对地接入滤波电容，滤除由于机械分离过程中产生的抖动信号，避免系统误判。

2.5.3 接地

屏蔽和滤波效果的好坏与接地效果有直接关系。导弹一般将弹体结构作为系统地。直接接地电阻不大于1 Ω，且接地线路尽可能短粗[14]。

对于点火电路及相关电路，尽量不要与弹体地或其他电路直接共地。不能将弹体地作为点火电源的回路。

对于点火电路的双绞屏蔽线的屏蔽层采用单端接地，接地阻抗尽可能小，这样对电屏蔽、磁屏蔽、抑制地回路干扰均有作用，另外，电缆尽可能靠近弹体走线以减少与地间的耦合面积。

对点火电路中采用的滤波器，其外壳一定要与屏蔽体(已接地) 或弹体地良好搭接，其搭接电阻不大于2.5 mΩ。

2.5.4 隔离

隔离就是将可能相互影响的电路进行位置分离或电气隔离。在电路设计时按不同功能、不同频率、不同电压的电路进行分类隔离，防止相互间的影响。点火电路中的电源电路(含点火导线)、信号电路、控制电路要在位置上尽可能分离开，同时点火电路与弹上其他电路除在位置上分离开，最好在电气上也实现隔离，其隔离程度不小于50 dB。

电气隔离可以通过隔离变压器、光电耦合器来传输信号[15]。用于点火电路的线缆必须与其他电路电缆隔离，即实现分类捆扎和屏蔽隔离。

点火系统各部分的安全性设计完成后，应通过相应的试验来验证设计的有效性，并不断改进设计，最终达到标准规定的要求。

3 结束语

导弹点火系统直接关系到武器系统的安全，在越来越严酷的战场环境中如何保证导弹的安全将是我们面临的重要课题。由于点火系统结构复杂、工作可靠性要求高，任何一个环节存在安全漏洞，都将影响导弹、武器系统的安全，所以应从型号研制初期开始，从顶层和系统的高度对点火系统各个部分进行安全性规划和设计，严格执行各有关安全标准的规定，精心设计，并不断改进，最终满足安全标准规定的要求，从而确保导弹在使用环境中的安全。

[1] WILLIS K E.Methods of Protecting Electro-Explosive Devices from the Effects of RF Radistion and ESD[C]∥AIAA，1997.

[2] 张胜利，刘保赋，倪冬冬.机载导弹武器系统的安全性设计[J].弹箭与制导学报，2005，25 (3)：4-7. ZHANG Sheng-li，LIU Bao-fu，NI Dong-dong.Safety Design of Airborne Missile Weapon System[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance，2005，25(3)：4-7.

[3] 陈海红，刘天儒，杜金安，等.GJB 2865-1997 火箭和导弹固体发动机点火系统安全性设计准则[S].北京：国防科技工业委员会，1997. CHENG Hai-hong，LIU Tian-ru，DU Jin-an，et al.GJB 2865-1997 Safety Design Criteria for Munition Rocket and Missile Motor Ignition System[S].Beijing：COSTIND，1997.

[4] 曲长云，齐尚云，邵子昕，等.GJB 786-1989 预防电磁场对军械危害的一般要求[S].北京：国防科技工业委员会，1989. QU Chang-yun，QI Shang-yun，SHAO Zi-xin，et al.GJB 786-1989 Preclusion of Ordnance Hazards in Electro Magnetic Fields，General Requirements[S].Beijing：COSTIND，1989.

[5] 冯国田，孟宪珍.火工系统产品技术及其药剂发展[J].火工品，1999，34(4)：34-37. FENG Guo-tian，MENG Xian-zhen.Development of the Technology and Loading Materials for Initiating Explosive Device[J].Initiators & Pyrotechnics，1999，34 (4)：34-37.

[6] 陈福梅.火工品原理与设计[M].北京：兵器工业出版社，1990. CHEN Fu-mei.The Pricinple and Desing for Ignition Device[M].Beijing：Arms Industry Publishment，1990.

[7] 史洪亮，杨登仿，谭勇，等.新型安全的点火控制系统的设计和实现[J].计算机测量与控制，2006，14(10)：1343-1345. SHI Hong-liang，YANG Deng-fang，TAN Yong，et al.Design and Realization of New Safe Ignition Control System[J].Computer Measurement & Control，2006，14(10)：1343-1345.

[8] 李静海.舰载导弹火工品点火电路安全技术研究[J].国防技术基础，2008，37(2)：43-47. LI Jing-hai.Resarch of Safety for Ignition Circuit of Initiating Explosive Device on Shipborne Missile[J].Technology Foundation of National Defence，2008，37(2)：43-47.

[9] 邵云峰，王臻.弹上电气系统电磁兼容性设计[J].现代防御技术，2007，35(2)：35-37. SHAO Yun-feng，WANG Zhen.Design on EMC(Electro Magnetic Compatibility)of Missile Board Electrical System[J].Modern Defence Technology，2007，35(2)：35-37.

[10] 李金明，安振涛，罗兴柏，等.射频对电火工品的影响及防护措施[J].爆破器材，2005，33(5)：17-19. LI Jin-ming，AN Zhen-tao，LUO Xing-bai，et al.The Effect of Radio Frequency to EED and Its Protection Measure[J].Explosive Materials，2005，33(5)：17-19.

[11] John D Osburn.The Role of Systems EMC Analysis in Large System EMC Management by Equipment EMC Assurance[C]∥1990 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility：189- 192.

[12] Frederick M Tesche.EMC Analysis Methods and Computat ional Models[M].U.S.A.：John Wildy & Sons，Inc.1997.

[13] 李锦荣.电火工品射频发火机制及其射频感度的应用简介 [J].火工品，1999，26(1)：51-53.

LI Jin-rong.Initiation Mechanism and Application for RF Sensitivity of EEDS[J].Initiators & Pyrotechnics，1999，26(1)：51-53.

[14] 余志勇，刘光斌，许化龙.增强导弹武器系统电磁兼容性的方法研究[J].现代防御技术，2000，28(6)：18-23. YU Zhi-yong，LIU Guang-bin，XU Hua-long.Development of Methods to Enhance EMC in Missile Weapon Systems [J].Modern Defence Technology，2000，28(6)：18-23.

[15] 吴彦灵，王桂华，胡景森，等.GJB1389A-2005.系统电磁兼容性设计要求 [S].北京：国防科技工业委员会，2005. WU Yang-ling，WANG Gui-hua，HU Jing-sen，et al.GJB1389A-2005.Electromagnetic Compatibility Requirements of Systems[S].Beijing：COSTIND，2005.

Safety Design Method of Missile Ignition System

DENG Kang

(Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

The safety design principle, content and measure in details for the missile ignition system which is composed of firing circuit, safety device, ignition device is introduced, and the reference for the safety design of missile ignition system is provided. In order to improve the missile safety for the complicated battlefield in future, the safety design of the missile system must be further planed and developed.

missile；ignition system；safety;safety design;ignition circuit;system planed

2016-06-30；

2016-11-18

有

邓康(1972-)，男，北京人。高工，学士，研究方向为弹上电气系统设计与试验技术。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.03.004

TJ761.1+3

A

1009-086X(2017)-03-0022-06

通信地址：100854 北京市142信箱30分箱