航天器火工引爆链路系统设计验证方法研究实践

陈乘新 王志莹 吴京松 王国军



航天器火工引爆链路系统设计验证方法研究实践

陈乘新 王志莹 吴京松 王国军

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

火工链路设计是航天器安全设计的重要一环，其设计是否合理、验证是否充分，直接影响飞行任务的成败。为确保航天器火工装置在轨可靠工作，需要开展火工引爆链路设计验证工作。文章首先介绍了传统的火工引爆链路设计方法存在效率低、易出错的特点，然后从航天器系统角度提出了一体化火工引爆链路设计验证方案，使用基于目标导向的设计要素识别方法确保要素全面无遗漏。接着从数据融合角度建立火工引爆链路数字化仿真模型，实现数据源自动导入、仿真过程自动运行、仿真报告自动生成；最后对同一火工装置同一测试状态下的历次数据进行比对分析，确保及时发现问题。该方案可有效提高火工链路设计验证的效率和效果，为航天器火工引爆链路设计验证提供参考。

火工装置 仿真技术 引爆链路 设计验证 数据分析 航天器

0 引言

火工装置广泛应用于各类运载火箭、卫星、探测器等航天器的连接分离装置，是分离系统的核心部件。火工引爆链路是航天器控制电路的重要组成部分，它在规定时刻接入电源引爆火工装置，实现太阳翼展开、机构解锁、舱段分离、阀门打开等功能，故火工引爆链路设计是否合理、验证是否充分，直接影响飞行任务的成败[1-7]。

国内外学者对如何提高火工引爆链路工作的可靠性、验证的充分性和有效性进行了大量卓有成效地研究。工作可靠性方面，采用绝缘环或者泄放通道的方式实现火工装置脚壳间防静电设计[8]：将瞬态抑制二级管（TVS）并联在火工装置脚壳间，利用TVS的瞬态电压抑制特性进行静电防护[9]。验证充分性和有效性方面，主要包括火工装置无损检测和批抽检引爆试验，其中火工装置无损检测包括引爆通路阻值测试、X射线成像技术检测等[10]。这些研究主要集中在防静电、无损检测等方面，尚未形成一套包括火工装置同组引爆设计、防静电设计、限流电阻选择、测试链路设计、引爆电流复核的设计验证方法。随着航天器大型化、复杂化的发展，火工装置的种类和数量日益增加、地位和作用越趋显著，亟需开展火工引爆链路一体化设计验证方法研究[11-16]。

本文首先介绍了国内外航天器火工引爆链路设计验证方法及存在的薄弱环节，然后针对薄弱环节提出了一套航天器火工引爆链路一体化设计验证方法，最后以某航天器为例给出了实施过程和效果，为我国航天器火工引爆链路设计验证提供了一种系统化解决思路。

1 现状及存在的问题

火工引爆链路设计就是在对航天器火工装置种类、数量、起爆同步性要求等统计分析的基础上，结合电源电压范围、工作环境温度等因素进行引爆链路供电电缆设计、限流电阻阻值选取等工作，确保火工装置在极限工作条件下可以安全可靠引爆。火工引爆链路验证就是设计测试链路，验证供电通路、火工装置状态是否正常。目前火工引爆链路设计验证存在以下问题：

（1）未形成设计验证一体化解决方案

火工引爆链路设计验证应注重系统性和全面性，应结合设计验证所需的各类要素，如起爆同步性、电磁干扰防护、供电安全性、测试有效性等开展工作，确保设计要素全面、验证结果有效，覆盖航天器研制全过程。

（2）设计验证信息化程度不足

火工引爆链路设计验证应注重数字化和信息化，应结合火工装置点火头类型、环境温度、供电和测试链路复杂电路网络连接关系建立数学模型，实现火工引爆链路设计验证所需数据的一键导入、一键运行和报告的一键生成。

（3）测试数据分析深度不够

火工引爆链路供电通路单综阻测试应注重环境影响和趋势变化，应结合火工装置桥丝阻值、供电通路电缆阻值等随温度漂移影响等因素进行测试数据比对分析。

2 采用系统工程思想解决问题

针对当前航天器火工引爆链路设计验证存在的不足，本文基于系统工程思想，从航天器系统角度提出了设计验证一体化、工作过程信息化、数据分析深度化解决方案，该方案的核心思想是全面识别设计要素，确保要素全面无遗漏，设计验证过程数字化、提高工作效率，深化分析测试数据，及时发现问题苗头。

（1）基于目标导向的设计要素识别方法，确保要素全面无遗漏

所谓基于目标导向的设计要素识别方法就是从火工引爆链路设计的目标着手，推导影响火工引爆链路设计验证质量的各种因素，并进一步分析要素间的关系，最终达到整个火工引爆链路设计要素及关系的识别，形成要素全面、衔接合理的一体化设计验证方案，具体识别过程如图1所示。

该方法的特点是将火工引爆链路设计验证的目标按阶段进行划分，并判断各阶段的研制目标是否可度量，若不可度量则进行细化分解，直至所有的细化目标均可度量。在可度量的细化目标基础上分析相关的设计要素，并判断设计要素是否可评估，若不可评估则分析该设计要素与影响它的其它设计要素关系，构建设计要素链，直至得到的所有设计要素均可评估。通过该方法可以确保设计要素识别全面，设计验证方案合理可行。

（2）基于数据融合思想的全数字化仿真验证方法，确保工作效率和效果

完成设计要素识别全面的一体化设计验证方案后，从数据融合角度建立火工引爆链路数字化仿真模型，实现数据源自动导入、仿真过程自动运行、仿真报告自动生成。该方法核心是统一数据源填写和输出文档模板、建立火工装置引爆电流和单综阻测试数据模型，具体过程如图2。

图1 基于目标导向的设计要素识别方法

图2 基于数据融合思想的全数字化仿真验证方法

统一数据源填写和输出文档模板，即对引爆电流仿真，单综阻仿真所需数据统一考虑，采取EXCEL表作为仿真源数据和输出文档模板，通过明确点火器类型、桥丝阻值等数据填写规范，实现数据源自动导入、仿真报告自动生成。

建立火工装置引爆电流和单综阻测试数据模型，即根据点火器类型和电路网络连接拓扑抽象出基于点火头类型的每路火工装置仿真计算的数学模型，综合分析航天器各型号点火头类型，可以划分为单点火头双引出点、单点火头单引出点、双点火头单引出点，如图3所示。双点火头单引出点火工装置引爆电流电路连接关系如图4所示，每路火工装置包括2个点火头，路火工装置同组引爆，故限流电阻、火工控制装置至转接处电缆、转接处至火工桥丝电缆、火工装置桥丝均为2×个，各阻值具体定义见表1。

图3 各类火工装置桥丝形式

图4 双点火头单引出点火工引爆线路图

表1 引爆线路中阻值定义

Tab.1 Variable definition of the pyrotechnic detonation circuit diagram

路火工装置为同组引爆关系，则其中第1路火工供电回路阻值如下：

第1路火工供电回路供电电流为：

式中为火工装置电源电压。

第1路火工供电回路每个火工桥丝通过的供电电流分别为：

综合电源电压、环境温度、限流电阻和火工桥丝阻值等因素，进行引爆电流范围分析。引爆电流最大值计算条件为：火工供电电源电压技术指标上限、限流电阻和火工桥丝阻值技术指标下限、在轨温度下限；引爆电流最小值计算条件为：火工供电电源电压技术指标下限、限流电阻和火工桥丝阻值技术指标上限、在轨温度上限。计算后的引爆电流范围须满足火工装置可靠引爆技术要求，若不满足应更换限流电阻型号，直至满足要求为止。

综阻测试回路相比单阻测试回路多出了脱插至火工控制装置电缆、限流电阻、火工控制装置至转接处电缆，连接关系更加复杂，故本文仅给出综阻测试回路建模过程。以双点火头单引出点火工装置为例，其综阻测试电路连接关系如图5所示，每路火工装置包括2个点火头，路火工装置同组引爆，故限流电阻、火工控制装置至转接处电缆、转接处至火工桥丝电缆、火工装置桥丝等均为2×个，各变量具体定义见表2。以第1路火工测试回路阻值推导过程为例，由于路火工装置通过限流电阻、地面测试电缆等耦合在一起，需要进行解耦处理，具体过程如下：

1）对2～路火工测试回路分别进行Y/△等效变换；

2）将2～路火工测试回路等效后电路进行并联处理；

3）将并联处理后电路与第1路火工装置进行Y/△等效变换。

本文给出上述第一步和第二步推导过程，第三步推导过程与第一步类似，不在此赘述。

图5 双点火头单引出点综阻测试线路图

表2 综阻测试连接中的变量定义

Tab.2 Variable definitionof the integrated resistance circuit diagram

（3）基于健康管理角度的测试数据比对方法，确保及时发现问题

完成火工链路阻值测试后，从航天器健康管理的角度对同一火工装置同一测试状态下的历次数据进行比对判读，即各次测试数据均与第一次测试数据进行比对，结合温度变化等环境因素判断数据是否有增大或减少的趋势，及时判断火工桥丝损伤等故障。

在综合考虑环境影响和测试误差时，建立火工链路阻值测试数学模型[18]，可假定同型火工品和测试电缆在不同温度环境下阻值偏移，具有相同的阻值漂移系数；每个电连接器插针插孔接触对阻值最大为。

3 某航天器火工引爆链路设计验证实践

某航天器功能复杂、任务周期短、火工品的种类和数量众多。为了确保火工装置在轨可靠引爆，该领域航天器运用了火工引爆链路设计验证一体化、工作过程信息化、数据分析深度化解决方案，有效规避了设计验证风险、提高了工作效率和效果，保证了火工引爆链路设计验证质量（全文同quality）满足要求，本节给出了实践结果。

（1）完成设计要素识别、形成一体化设计验证方案

航天器火工引爆链路设计验证目标是火工装置在轨工作正常，通过目标-可度量目标-基于可度量目标的设计要素-可评估设计要素4个步骤依次识别出2个可度量目标、4个基于可度量目标的设计要素和10项可评估设计要素，具体见图6，可评估要素涵盖了供电链路和飞行程序—功能设计、防误起爆—安全性设计、测试链路—可测试性设计和验证，形成了一体化设计验证方案。

在设计初期通过引爆电流计算验证链路设计的合理性，产品实现阶段通过引爆电流复核验证链路实现的正确性，测试阶段通过单阻和综阻计算验证链路工作的正确性。与以往设计方法相比，实现了火工链路单阻计算、综阻计算，引爆电流计算、引爆电流复核的一体化，涵盖了火工链路设计验证全过程，确保了引爆控制通路设计及火工装置电源引爆能力符合要求。

图6 设计要素识别过程

（2）完成仿真数据融合、开发火工引爆链路全数字化仿真工具

制定了火工装置桥丝阻值表、限流电阻阻值表等共10种EXCEL表格作为数据源填写模板，制定了仿真报告和测试细则2种填写模板。开发了源数据自动导入工具、测试细则和仿真报告自动生成工具，火工链路单阻计算、综阻计算，引爆电流计算、引爆电流复核所需数据采取模板化定制，替代原有的数据手工输入输出，实现了数据源的一键导入；实现了单综阻测试细则、引爆电流计算和复核报告的一键输出；减少了人工干预，提升效率，降低出错率。

（3）深入测试数据分析、开展趋势判读

4 结束语

针对传统火工链路设计验证存在的要素容易遗漏、工作效率低下、测试结果分析有效性不足等问题，本文提出了设计验证一体化、工作过程信息化、数据分析深度化解决方案。该方案实现了火工链路单综阻计算，引爆电流计算复核的一体化设计、涵盖火工链路设计验证全过程；建立了供电电源到火工装置的全链路数学模型，实现了仿真数据源的一键导入、仿真计算的一键运行、测试细则和仿真报告一键输出；提出了结合环境温度等因素的误差分析方法，实现了测试数据分析的精细化。

采取该方案的某型号航天器耗时由149 h缩短为15.2 h（SZ-11载人飞船应用了该方法，相比SZ-10由149 h缩短为15.2 h。），在引爆电流仿真计算复核、单综阻理论值仿真计算未发生一起错误，有效提高了火工链路设计验证的效率和效果。本文提出的方法可以为航天器火工链路设计验证提供一种系统化解决方案参考。

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（编辑：刘颖）

The Practice on Design Verification Method of Spacecraft Pyrotechnics Detonation Link System

CHEN Chengxin WANG Zhiying WU Jingsong WANG Guojun

（Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China）

Pyrotechnics link design is an important part in the safety design of spacecraft, it affects the success of the mission directly. It is necessary to carry out the design verification work of the pyrotechnics link in order to ensure that the operation of pyrotechnics is reliable. Firstly, the paper introduces the characteristics of low efficiency and error-prone with traditional design method. Then, The paper puts forward an integrated design verification method in the perspective of spacecraft system, using target-oriented design element recognition method to ensure that all elements are completely omitted. Futhermore, this paper establish a digital simulation model to ensure that data source imported, simulation processed, simulation result exported automatically. Compares with the previous data of the same pyrotechnic to ensure that the problem can be detected timely. The proposed scheme can effectively improve the efficiency and effect of the pyrotechnic link design, and provide reference for the design verification of the spacecraft pyrotechnic link.

pyrotechnics device; simulation technology; pyrotechnics detonation link; design and verification; data analysis; spacecraft

V1

A

1009-8518(2017)06-0029-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.06.004

陈乘新，男，1983生，2008年获哈尔滨工业大学电气工程专业硕士学位。研究方向为航天器电气系统设计。E-mail: hagongdaliuxi@163.com。

2017-04-18