运载火箭火工品点火电路瞬态干扰测量及研究

任牧原，徐洪平，陶 勇，姜铁华

（北京宇航系统工程研究所，北京100076）

运载火箭火工品点火电路瞬态干扰测量及研究

任牧原，徐洪平，陶 勇，姜铁华

（北京宇航系统工程研究所，北京100076）

运载火箭在飞行过程中会用到几十乃至数百火工品，火工品点火时的瞬态电流会对临近设备／线缆造成影响。结合运载火箭地面点火试验流程，提出了点火电路上瞬态电流的测量方法。通过对两类火工品点火电路及邻近电缆上电流的多次测量，得到火工品点火时刻的瞬态干扰波形，将实测瞬态干扰波形注入仿真软件作为激励，发现两类火工品的瞬态干扰均在低频时产生辐射，在一定频率范围内辐射场强随着频率增大而减小，导爆索的最大辐射场强大于爆炸螺栓；分析了瞬态干扰在邻近线缆的串扰响应，发现随着负载电阻的增大串扰电流越来越小。

瞬态电流；仿真；辐射特性；串扰

1 引言

运载火箭通常由箭体结构、动力系统、控制系统、外安系统、遥测系统、分离系统等分系统组成，在火箭工作的全寿命周期中，动力系统、控制系统、外安系统、分离系统等均会使用火工品［1］。

火工品在工作导通的瞬间，在引爆线的回路上会产生瞬态电流，该电流是一种潜在瞬态干扰源，会对邻近的设备或线缆造成干扰。为了解运载火箭火工品点火电路上产生的瞬态干扰的时域、频域信息，需要对瞬态干扰的传导特性以及辐射特性进行测量。国外对火工品产生的电磁干扰测量研究多以标准电磁脉冲波形注入，以研究其敏感度或者射频响应为主［2⁃4］，并形成了火工品的直流感度、静电感度、射频感度等标准测量方法，以确保火工品能够在一定电磁环境中安全可靠地工作。但对于火工品辐射性能的研究报道相对较少，对于火工品性能的军标测量有方法401、402，分别针对不点火试验、点火试验的电流值进行验证测量［5］。针对火工品点火时的爆发电流，有学者针对爆炸箔的初始电压／电阻对爆炸电流进行研究，使用示波器和罗科夫斯基线圈结合的方式对爆发电流进行了测量［6⁃8］。对于运载火箭火工品工作过程产生的瞬态电流测量，由于是结合运载火箭的总装测试流程开展，考虑到测试状态、测试流程的效率、安全性、重复性等综合因素，直接套用上述方法显然不适用。因此，本文提出运载火箭总装状态下火工品工作产生的瞬态电流测量方法，获取并分析实测波形的时频域特性，并将火工品点火电路上产生的瞬态电流作为激励源，仿真分析对邻近线缆线束的耦合响应以及对周围设备产生的电磁辐射效应。

2 火工品点火通路原理

运载火箭上使用了几十甚至数百枚电爆装置，为了保证运载任务的成功，对火工品的可靠性要求极高［9］。图1是火工品的典型点火电路，由点火电源电路、点火输出电路、点火控制电路和监视电路组成［5］。点火输出电路是电爆装置和使其点火的开关装置间的电路，监视电路是指示点火电路状态的电路，点火控制电路则是解除保险和点火的电路。对于电爆系统来说，火工品的点火源是独立的。火工品在工作时，由点火控制电路依次发出三个指令：预解除保险、解除保险以及点火，通过发送前两个指令将保险解除，最后通过点火指令将电爆装置引爆，一般这三个指令发生间隔较短暂。在本文的测量中，测试的电流探头主要在点火输出电路进行监测。

3 试验方法

运载火箭的火工品工作时产生的瞬态电流是潜在干扰源，具有脉冲前沿时间短、能量高、持续时间短、偶然性等特点。运载火箭在进行火工品点火或者抛罩分离试验时，往往结合测试流程，重复性较差。考虑试验流程的可靠性，兼顾解保指令、点火指令和瞬态电流三者相继产生的时间较短，必须要能够对测量的数据进行连续采集。火工品如果按照输出能量特性分类，可以分为输出能量的引燃火工品、输出爆炸能量的引爆类火工品、输出动力类火工品［1］，本文的测量分别以第二类中的导爆索和第三类的用于分离的爆炸螺栓为对象，监测点火时的瞬态波形。

3.1 测量仪器

瞬态传导干扰的测量常采用示波器和电压／电流探头相结合的方式，鉴于瞬态干扰的特点，要求电压／电流探头要响应时间快、灵敏度高。

1）试验中采用的示波器是泰克公司的TDS3054B，该设备采样率为5 GB／s，带宽为500 MHz，能够敏感地捕获50 MHz及以下的波形；

2）采用的电流探头为皮尔逊公司的电流传感器4688，可测量300 Hz～30 MHz的信号，探头的转移系数（V／A）为0.96，试验时可以将回路中的电流值转化为电压值并且显示在示波器上；

3）采用程控计算机进行控制的方法，通过该计算机将示波器上监测的波形数据，通过GPIB数据线传输至本机，实现连续采集和存储。

3.2 测量方法

第一类测量是结合测试流程展开，电流探头置于图1中点火输出电路电缆线上（正负母线均包含在一根线缆中），火工品类型为导爆索。试验过程中，舱段空间较为狭窄，内部的火工品点火输出电路电缆、控制电缆等线，紧贴舱壁布线，点火输出电路电缆与控制电缆距离最近的位置约为50～100 mm，具体见图2。点火输出电路电缆包有屏蔽层，考虑到火工品爆炸时产生的冲击、振动对探头的影响，试验时将电流探头通过捆扎固定在点火输出电路电缆以及控制电缆上，在两线缆周围放置两个场强探头测量电磁环境。

瞬态电流测量配置图见图3，点火输出电路是连接火工品的电缆，为火工品的引爆提供足够的能量，控制电缆为运载火箭提供控制信号，测量时以这两根电缆上的瞬态传导测量为主。具体步骤如下：

1）将两台示波器分别通过GBIP控制线与程控计算机连接，示波器内阻设置为高阻；

2）两个电流探头分别卡在点火通路以及邻近的控制电缆上，并通过高压衰减器分别与两台示波器连接；

3）调试程控软件，等待点火指令，准备记录数据。

试验时，为了评估瞬态电流产生的电磁环境，如图2所示，在舱段内部放置了两个场强探头，探头与场强监视器通过光纤连接，通过场强监视仪获取电场信息。抛罩分离试验伴随着冲击、振动，为此两个探头采取了减振和加固措施。

第二类测量是以运载火箭分离使用的爆炸螺栓为测量对象，试验采用相同的测量配置对瞬态电流测量。试验时，试验件放置在较为空旷的场地，以减少来自外界环境的电磁干扰。

4 测量结果

4.1 抛罩试验点火电路传导干扰测量

在抛罩试验中，利用上文的测量手段对试验全流程进行监控，捕获到试验期间火工品点火指令给出时产生的尖峰信号以及瞬态电流波形，见图4、图5。

图4 可知，点火指令发出时，由继电器切换产生的尖峰信号，最大尖峰上升沿约为30μs，持续时间约100μs，峰值为0.32 V，带入电流探头的转移系数，算得对应的瞬态电流值为0.33 A。对该信号进行傅立叶变换，该信号的频率分量主要集中在1～10 kHz。

由图5可知，瞬态电流的波形持续时间约为5 ms，最大脉冲的上升沿约为400μs，最大脉冲幅值约为0.18 V，带入转换系数得到对应的瞬态电流值为0.19 A，频率分量集中在500～800 Hz。两种信号发生的时间间隔约为22 ms。火工品在工作时，按照设计指标点火指令发出到点火瞬态电流的产生时间间隔不超过50 ms［5］，本次试验中点火瞬态电流产生时间是符合正常点火试验标准。

通过本文中提供的测量方法可以区分两种连续发生的瞬态信号。点火指令产生的尖峰信号虽然幅值略大，但是持续时间非常短，所产生的能量很小；瞬态电流的持续时间为5 ms左右，能量要比前者大得多。

4.2 分离试验点火电路传导干扰测量

在分离火箭的点火试验中，电流探头先卡在点火输出电缆上，但未捕捉到电流。后将点火输出电路的正负母线剥离，将电流探头卡在正母线上，测得瞬态电流波形，见图6。该瞬态电流持续时间约为8 ms，最大脉冲的持续时间约为2 ms，对应的上升沿为40μs，最大脉冲测量的幅值约12.2 V，带入转换系数得到对应的瞬态电流值为12.7 A，进行傅立叶变换得到其频率分量集中在1～10 kHz。

5 传导干扰的串扰／辐射分析

5.1 瞬态干扰的辐射影响

在仿真软件中进行建模，点火输出电缆和控制电缆的距离d＝50 mm，两线缆紧贴舱壁安装，与舱壁的距离h＝10 mm，舱壁上下表面上有孔以安装穿舱电缆，建立模型如图7。

将文中测量的点火瞬态电流，即图5的波形，作为激励源，分析线缆邻近位置处的电场分布。在距离该线束50 mm处，设置一个垂直观察面，如图8所示。在频点分别为1 kHz、10 kHz、100 kHz时研究该线束对周围空间产生的场强值。得到结果如图9～11。

从图9、10、11可以得到，在频点为1 kHz时，干扰的场强最大为44.5 dBμV／m，同时随着频率升高而下降，从图中的场强分布也可看出能量在靠近线缆处最高，随着距离的变大而急剧减小。

将图6中的瞬态电流作为激励源，将线缆线型设置为双绞线，设置垂直观察面观察点火电路产生的场强，结果见图12。

从图12可以看出，第二类火工品点火输出电路上的瞬态电流作为激励时，在频点为10 kHz时场强为22 dBμV／m。仿真的规律与图5的波形作为激励时相同，在频率能量集中点10 kHz时最大，而在远离该频点时，能量逐渐变小。

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5.2 瞬态干扰的串扰影响

火工品点火指令发出后，将点火的瞬态电流作为干扰线的激励源添加至模型，运载火箭上点火电路常用的线缆形式为屏蔽双绞线，控制电路常用的线缆形式为非屏蔽的单线，故将激励线的线型设置为屏蔽双绞，受扰线线型为没有屏蔽的单线。考虑到运载火箭上不同设备的端接负载值不同，选取几种典型阻值的设备作为受扰线的端接负载，研究其可能受到的串扰响应，仿真结果见图13。

图13 中可以看出，随着阻值从1Ω到2000Ω变化，串扰电流幅值越来越小，在负载为1Ω时串扰电流幅值为16 mA，在2000Ω负载时仅为1 mA。对比输入电流可以看到，输入电流的最大脉冲上升沿约为40μs，持续时间为2 ms，但是仅仅只有几百纳秒的干扰可以耦合到邻近线缆，可以看出仅高频的分量会带来干扰。

6 火工品瞬态电流干扰的传导、辐射特点

文中第3节介绍火工品点火时的瞬态电流的时域、频域信息，并比较了在火工品类型为导爆索和爆炸螺栓两类不同药剂时，瞬态电流的特性，得到结论如下：

1）在火工品类型为导爆索时，测得点火指令给出22ms后，产生的瞬态电流幅值约为190 mA，持续时间约为5 ms，瞬态电流频率分量集中在1 kHz以下；

2）火工品类型为爆炸螺栓时，将供电线的正负母线剥离，在正母线上测得瞬态电流约为12.7 A，持续时间约为8 ms，瞬态电流的频率分量集中在1～10 kHz，在未剥离正负母线时，将电流探头卡在点火输出电缆上并未测量到瞬态电流。

文中第4节将测量得到的两类瞬态电流作为激励，在此基础上分析瞬态干扰的辐射特性及串扰响应。得到结论如下：

1）两类瞬态电流的辐射场均是在频率分量集中点场强为最高值。以本文中实测的两类火工品瞬态电流波形为基础，火工品类型为导爆索，辐射在1 kHz辐射场强最大，类型为爆炸螺栓时，辐射能量在10 kHz辐射场强最大。

2）火工品类型为导爆索时，在1 kHz频点上辐射能量为44.5 dBμV／m，而火工品类型为爆炸螺栓频点为10 kHz时，辐射的场强为22 dBμV／m。后者的辐射能量要弱于前者，这可能是第二次试验没有测量到整个导线上传导干扰的原因。

3）从火工品的串扰响应可以看出，随着邻近受扰线的端接负载的阻值变小，耦合的瞬时电流变大。这说明如果干扰线附近有并排的火工品引爆线，则该火工品引爆线上可能会耦合约15 mA的瞬时电流，而对总线类或其他传感器类的导线上耦合的电流要小，仅为几毫安。

7 结论

1）瞬态电流持续时间为毫秒量级，幅值约为几百毫伏，频率的分量集中在约1～10 kHz；利用本文的测量方法对抛罩试验和分离试验时，发现火工品类型为导爆索比爆炸螺栓的频率分量要低。

2）从电磁场仿真结果来看，基于本文的测量结果，火工品类型为导爆索时，其辐射能量在1 kHz时能量最高，为45 dBμV／m；而火工品类型为爆炸螺栓时，其辐射能量在10 kHz时能量最高，为22 dBμV／m。

3）从爆炸螺栓产生的瞬态电流为激励进行仿真的串扰响应结果来看，邻近受扰线在不同端接设备时，串扰电流不同，阻值越低，串扰的瞬态电流越大。对点火试验来说，由于火工品在药剂含量、以及药剂类型等因素不同时，产生的瞬态电流会不同。

（References）

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M easurement and Study of Transient Interference Caused by Ignition Channel of Launch Vehicle Explosives

REN Muyuan，XU Hongping，TAO Yong，JIANG Tiehua
（Beijing Institute of Aerospace System Engineering，Beijing 100076，China）

Launch Vehicle uses dozens of even hundreds of explosives during itswork cycle，and the transient current caused by the ignition will have an impact on the adjacent cables／devices.Accord⁃ing to the fire test flow of the launch vehicle，ameasurementmethod for the transient current of the ignition channelwas proposed.Throughmultiplemeasurements of two types of explosive ignite chan⁃nels and the adjacent cables，the transient interference current waveform was obtained.Then the measured transient inference currentwaveform was used as the driving source in the simulation soft⁃ware.Radiation in low frequency was found in two types of EED through simulation.The radiation field strength decreased with the increase of the frequency within a certain frequency range and the maximum radiation field of the detonating cord was larger than that of the explosive bolt.Then the crosstalk of two kinds of explosiveswas analyzed and itwas found that the crosstalk current became smaller with the increase of the load resistor.

transient current；simulation；radiation characteristic；crosstalk

V556

A

1674⁃5825（2017）01⁃0070⁃06

2016⁃01⁃04；

2016⁃12⁃30

任牧原，男，硕士研究生，研究方向为电磁兼容。E⁃mail：renmuy＠163.com