航天器火工品点火电路误触发防护设计

刘 浩，杨薇秀，朱元元，杨志远，任 斌

航天器火工品点火电路误触发防护设计

刘 浩，杨薇秀，朱元元，杨志远，任 斌

（北京航天长征飞行器研究所，北京，100076）

针对航天器火工品点火电路误触发防护设计要求，通过增加电路的噪声抑制、脉冲干扰抑制及上电配置保护功能。提高了电路的抗电磁干扰能力和上电配置过程保护能力。仿真及试验验证表明该设计保证了航天器火工品点火的安全可靠。

火工品；航天器；点火电路；误触发；抗电磁干扰

可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性、环境适应性、电磁兼容性是航天产品重要“七性”设计要求。可靠和安全的设计是确保在勤务处理、测试、联试、发射、飞行和长期贮存过程中人员和产品安全、任务成功的基础要素。航天火工品是航天器的重要组成部分, 是较敏感的爆炸元件或装置的总称。其特点决定了火工品产品是系统安全性的最大风险源之一，使用中出现任何故障，都可能会危及人员和产品安全，导致任务失败，甚至带来灾难性的后果。火工品点火电路是火工品激活的驱动源，其作用是产生一个几安培至几十安培的电流，电能通过一定阻值的桥丝转换为热能，加热桥丝周围的点火药并起爆主装药[1]。在实现基本功能的基础上，点火电路最重要的设计要求是在预定的点火时刻以外的任何情况下，不能因任何元器件和线路以及随机因素等影响而误触发起爆火工品，导致危险事故产生，危及操作人员及航天器产品的安全，既火工品点火电路不该起爆时决不允许火工品起爆[2]。

目前，航天器火工品点火电路设计中大部分采用处理器+固体继电器+限流电阻的设计方式，设计方式较为简单，但存在两个主要问题：一是电子产品在工作过程中会受到环境电磁干扰信号影响，干扰信号主要源于雷电放电、静电放电、浪涌干扰、潜在的来自敌方的射频发射源发射的能量，特别是电子战等引起的瞬态脉冲干扰，形式多为欠压或过压噪声，电路易受到这些噪声影响产生误操作；二是在电路上电过程中及处理器配置过程中，由于处理器处于不定态，其输出状态不可控。而点火信号输出使用高压（如+28V）电源，属于一次电源，往往先于控制电路使用的低压（如+5V）电源达到有效状态。因此会导致固体继电器输出端高压供电先于低压控制信号建压有效，在低压电源建压过程中及处理器配置过程中，点火控制信号为不定态，极易开启固体继电器，导致点火信号误输出。上述两种工况会导致固体继电器非正常导通，产生点火信号引爆火工品，极大影响系统及整个航天器飞行任务的成败及参试人员的安全。本研究针对这两个问题开展航天器火工品点火电路误触发防护设计。

1 传统点火电路分析

传统点火电路如图1所示，由处理器发送低压点火控制信号，此信号多为3.3V或5V的低压TTL信号，高有效（或低有效，由具体电路决定），脉冲宽度几十毫秒至几百毫秒。固体继电器可靠性高，抗力学环境能力强[2]，广泛应用于点火信号驱动。在无点火控制信号时，固体继电器处于断开状态，输出端无“点火信号”输出。

图1中点火控制信号经过1和1后控制固体继电器输入端1，控制固体继电器在点火控制信号有效后处于闭合状态。固体继电器输入端1经过限流电阻3连通高压+28V电源，电源电流经过继电器输出端输出“点火信号”。2为外部火工品装置的桥丝内阻，点火信号经过火工品后回路至电源地，火工品通过大电流点火信号起爆。此电路对于噪声干扰以及上电配置过程的不定态引起的误触发情况没有保护措施，点火控制信号易误产生并触发固体继电器闭合，从而误产生点火信号。

2 改进设计

为保证航天器传统火工品点火电路避免由于电磁干扰及上电配置过程导致误触发情况发生，对传统点火电路进行设计改进。改进的点火电路主要由比较器、延时器、稳压二极管、MOS管、固体继电器、电阻、电容等构成。通过增加电路的欠压噪声抑制、脉冲干扰抑制及上电配置保护功能，提高电路的抗电磁干扰能力和上电配置过程保护能力，保证系统的可靠性和安全性。主要措施包括：（1）通过设定基准电压及比较器，保证电路中出现欠压噪声信号时，信号不会驱动后续电路。（2）通过滤波设计滤除脉冲干扰信号的影响，保证输入给固体继电器的控制信号是没有毛刺的“干净”信号，避免固体继电器被误导通。（3）通过延时器和MOS管设计保证在上电及处理器配置过程中点火信号输出断路，无输出电流。

3 电路实现

针对导致航天器火工品点火电路的误触发影响较大的两个因素，从3方面进行电路优化设计：（1）欠压噪声抑制：对于固体继电器输入控制端的欠压干扰信号进行抑制。（2）脉冲干扰抑制：对于正常电平信号进行脉冲干扰抑制，滤除脉冲毛刺干扰。（3）上电配置过程保护：在产品上电及控制器配置过程中，通过保护电路确保点火信号不输出。

经过优化的航天器火工品点火电路如图2所示。

图2 优化的火工品点火电路

图2中TTL点火控制信号为处理器输出（如DSP、FPGA或单片机等），其输出电压多为+3.3VTTL电平，可兼容+5VTTL电平。高脉冲有效，脉冲宽度一般为100ms量级。信号输出时刻及脉冲宽度由软件决定。

1为稳压二级管，经过3及4电阻分压后产生比较器1的基准输入电压，基准电压值可通过3及4调整。1为点火控制信号的滤波电容。点火控制信号端如产生欠压干扰噪声，只要其不高于1的基准输入电压，则比较器1不会产生输出电平，直到点火控制信号端产生有效的高脉冲TTL信号。欠压噪声抑制功能得以实现。

2为555延时器，在单稳态工作模式下，555延时器作为单次触发脉冲发生器工作。当触发输入电压降至VCC的1/3时开始输出脉冲。输出的脉宽取决于由定时电阻与电容组成的RC网络的时间常数[4]。当电容电压升至VCC的2/3时输出脉冲停止。根据实际需要可通过改变RC网络的时间常数来调节脉宽。输出脉宽，即电容电压充至VCC的2/3所需要的时间为=1.1×2×6，此后2输出变为高电平并保持。在2输出低电平的过程中N型MOS管1保持截止状态，阻断+28V电源到点火信号输出的通路。可通过2和6的选择保证为秒级，保证在上电及处理器配置过程中点火信号输出端没有电流输出，实现上电配置过程保护功能。

为简化电路的同时实现滤波功能，可通过1和1实现一阶低通滤波，将正常电平范围内的脉冲干扰进行滤除。8为限流电阻，9为火工品装置的桥丝电阻。

4 仿真及试验验证

使用电路仿真验证工具对图2所示电路进行仿真，验证电路的3方面优化设计是否满足需求。

4.1 欠压噪声抑制仿真

1选择了3.3V的稳压二级管IN4728A，3及4分别选择1kΩ及2kΩ的电路进行分压。1选择了电压比较器LM119，5选择2kΩ作为1的输出上拉电阻。理论上，当TTL点火控制信号大于2.2V时，1才能输出+5V的高电平信号。建立上述电路仿真模型，进行仿真测试，欠压噪声抑制仿真结果见图3，由图3测试结果可见当TTL点火控制信号低于2.5V时，1输出为低电平，实现了欠压噪声信号的抑制。实际使用中可以根据点火控制信号电平要求调整3及4阻值。

图3 欠压噪声抑制仿真结果图

4.2 脉冲干扰抑制仿真

由于本文中TTL点火控制信号特定为100ms左右的脉冲信号，因此1和1本别选择了20Ω和750 nF。建立电路仿真模型，进行仿真测试，脉冲干扰抑制仿真结果见图4，由图4测试结果可见当TTL点火控制信号为30kHz以上的高频脉冲信号时，1的输入端已被滤波电路抑制至1.952V以下，无法驱动比较器1输出高电平，实现了脉冲干扰信号的抑制。实际使用中可以根据点火控制信号脉宽要求调整1及1值。

图4 脉冲干扰抑制仿真结果图

4.3 上电配置过程保护仿真

2和6分别选择1uF及10kΩ，2选择555延时器，1选择一款20A以上的N沟道增强型MOS管。建立电路仿真模型，进行仿真测试，测试结果见图5。由图5测试结果可见当上电后约11ms延时器输出高电平，导通MOS管，即上电后11ms内MOS管处于截止状态，图2所示的9端不会有点火电流流过，在上电11ms内处理器配置过程中TTL点火控制信号不稳定也不会输出点火信号，实现了上电配置过程保护。实际使用中可以根据处理器上电配置所需时间要求调整2和6值。

图5 上电配置过程保护仿真结果图

4.4 试验验证

依据GJB 151B-2013[5]及GJB 3590-1999[6]要求对实物电路产品开展了电磁兼容性试验，分别进行了CS101、CS106、CS114、CS115、CS116、RS103及ESD试验，考核优化后的点火电路在各种传导、辐射及静电放电电磁环境下，上电及工作过程中是否能有效避免点火电路误触发。通过监测图2中“点火信号输出”波形，发现没有异常信号输出，说明电路设计实现了点火信号误触发防护功能。

5 结论

对传统航天器火工品点火电路进行了改进设计，通过增加电路的欠压噪声抑制、脉冲干扰抑制及上电配置保护功能，提高了电路的抗电磁干扰能力和上电配置过程误触发防护能力，经过仿真验证及试验测试，表明优化后的点火电路满足设计要求。

[1] 沈超,等.电容放电式火工品点火电路参数设计与仿真[J].航天返回与遥感,2011,32(1):67-73.

[2] 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(2):44-47.

[3] 杜光远.固体继电器在武器系统中的应用[J].电子产品可靠性与环境试验,2015, 33(5) :28-31.

[4] 杨颂华,冯毛官,等.数字电子技术基础[D].西安:西安电子科技大学,2009.

[5] GJB 151B-2013军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量[S].国防科学技术工业委员会,2013.

[6] GJB 3590-1999 航天系统电磁兼容性要求[S].国防科学技术工业委员会,1999.

Error Trigger Protection Design of Spacecraft Initiator Ignition Circuit

LIU Hao, YANG Wei-xiu, ZHU Yuan-yuan, YANG Zhi-yuan, REN Bin

(Beijing Institute of Space Long March Vehicle，Beijing，100076)

According to the error trigger protection design requirements of spacecraft initiator ignition circuit, noise suppression, pulse interference suppression and power-on configuration protection functions of the circuit were designed, to improve the anti-electromagnetic and configuration protection ability. The simulation and test results indicated the designs guarantees the safety and reliability of spacecraft.

Initiator；Spacecraft；Ignition circuit；Error trigger；Anti-electromagnetic interference

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.04.005

1003-1480（2019）04-0019-04

2019-06-12

刘浩（1982 -），男，高级工程师，主要从事飞行器电气系统设计研究。