空空导弹电气系统安全性设计方法研究

郝志伟

摘 要：空空导弹是一个复杂的系统，其内部包含多种火工品，保证空空导弹在全寿命周期内的电气安全至关重要。本文给出了空空导弹电气系统保证测试、挂飞以及发射过程安全性的设计方法，重点介绍了导弹发射逻辑时序、物理分离信号采集电路以及点火电路的安全性设计准则。弹上火工品激活必须满足多重联锁条件，点火线路具备多项隔离措施，可以最大程度保证导弹的电气安全性。

关键词：空空导弹;电气系统;安全性;火工品激活;逻辑时序;点火电路

中图分类号：TJ762文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）02-0052-04

Abstract： Air-to-Air missile is a complex system which includes different sorts of initiating explosive devices and it is significant to ensure its safety in the whole life cycle. This paper provided a design method of electrical system to guarantee the safety of air-to-air missiles during test， hang-up flight and launching， and focused on the safety design criteria of missile launch logic timing， physical separation signal acquisition circuit， and ignition circuit. Multiple interlock conditions must be met before initiating explosive device works and the initiating circuit should equipped with several kinds of partitions， by which means could maximize the safety of air-to-air missiles.

Keywords： air-to-air missile;electrical system;safety;initiating explosive device working;logic and time sequence;igniting circuit

電气安全性设计是空空导弹系统设计的重要一环。空空导弹内部含有热电池、发动机、战斗部等火工品，在导弹测试、挂飞等过程中要保证这些火工品的绝对安全，不可意外点火，在导弹收到载机发射指令时，必须按照预定时序安全、可靠、及时地激活弹上火工品。如果设计不当，可能造成导弹意外点火或不能正常点火，对载机安全造成威胁。

国内研究机构对导弹的安全性设计开展了大量研究工作，如发动机点火安全性设计[1-2]、爆炸螺栓点火电路设计[3]、导弹安全与解除保险装置设计[4-6]、导弹发射控制的安全性[7-10]等，缺乏从系统角度考虑导弹从地面测试到空中挂飞、发射等过程的安全性设计。本文将从空空导弹总体电气系统角度出发，阐述涉及导弹测试、挂飞、发射的安全性设计方法。

1 测试安全性设计

在空空导弹发射试验前，通常要对导弹进行全时序测试，模拟导弹从挂机、发射到自主飞行的整个过程，确保导弹可以正常工作。由于导弹热电池、发动机、舵机解锁气瓶等为一次性火工品，且地面激活火工品会带来巨大的安全隐患，因此，在导弹测试时必须切断点火线路，使这些火工品处于安全状态。

为实现导弹正常工作时点火线路导通与测试时点火线路断开之间的转换，在导弹表面设置隔离插座，将导弹各火工品激活信号引至隔离插座进行隔离。在进行导弹测试时，安装隔离插头，使点火回路处于开路状态，并将点火头两端可靠接地。测试完毕后，取下隔离插头并换装工作插头，使点火回路处于可靠导通状态。隔离插座安装隔离插头和工作插头时，点火回路分别如图1和图2所示。

同时，隔离插座还应将特定的管脚接至导弹测试接口，方便测试设备判读隔离插头是否安装到位，若隔离插头没有安装到位，则不允许给导弹通电。

在对导弹进行火工品点火头电阻测试时，为保证测试安全，必须使用专用的电爆电路测试仪，测试电流不得大于10mA。

2 挂飞安全性设计

飞机挂载空空导弹到达作战区域前要经历较长的挂飞阶段，其间要保证导弹引战系统和发动机的绝对安全，不可发生意外点火情况。引战系统和发动机通常分别设置专门的安全保险机构，用于在导弹发射前隔离点火传爆信号。导弹电气系统应保证飞控计算机能够采集安全保险机构的状态，判断其处于隔离状态还是战斗状态。载机为导弹供电后，飞控计算机第一时间判断引战系统和发动机安全保险机构状态，若安保机构存在故障则通过总线上报载机，切断导弹供电。安全保险机构状态采集电路如图3所示。

此外，由于空空导弹在挂飞阶段由载机提供一次电源，为防止安全保险机构意外解保和发动机意外点火，安全保险机构解保和发动机点火不得由载机供电，而是由弹内热电池供电，在导弹收到发射指令后激活弹内热电池，在满足一系列判断条件后方可输出解保和点火信号。载机通常在到达作战区域后才执行导弹准备操作并提供激活电源，由此可以最大程度保证导弹在挂机阶段的安全。

3 发射安全性设计

3.1 发射逻辑时序设计

空空导弹发射方式分为弹射发射和导轨发射两种。弹射发射时，导弹在发射装置弹射机构推动下脱离发射装置，分离达到安全距离后发动机点火;导轨发射时，导弹在发动机推力下沿导轨运动，直至脱离发射装置。空空导弹能否正常发射直接关系到载机和飞行员安全，导弹意外点火、不点火或点火时导弹状态异常都可能威胁载机安全。为保证发射过程的安全，针对两种发射方式的特点，要设计不同的发射逻辑时序。

3.1.1 弹射发射。载机下发导弹发射指令后，导弹利用载机供电激活热电池，并判断电池电压是否正常，若电池电压正常则导弹执行发射前自检，自检正常后上报载机，若电池电压或发射前自检不正常则中止发射流程。随后，载机向发射装置发出弹射点火信号，导弹在发射装置弹射机构作用下与发射装置分离，飞控计算机采集弹上行程开关产生的“导弹分离”信号并延迟[t1]，确保导弹与载机安全分离后给出发动机点火指令，导弹利用热电池为发动机解除保险和发动机点火供电。解除保险信号必须先于发动机点火信号，且脉冲宽度大于发动机点火信号，确保发动机可靠、安全地点火。当导弹分离计时达[t2]且导弹加速度达到预定值时，引战系统安全保险结构解除保险。

3.1.2 导轨发射。导轨发射方式下，导弹上报自检正常之前的工作时序与弹射发射方式一致，随后即控制发动机点火。由于新一代的空空导弹与载机的接口贯彻《飞机/悬挂物电气连接系统接口要求》（GJB 1188A—1999），导轨发射方式下发动机的点火由传统的外部触点点火改为导弹内部电源点火。导弹上报自检正常之后，飞控计算机向电源组件发送发动机解保和点火指令，电源组件提供发动机安全保险解除和点火供电。导弹在发动机推力下延导轨向前运动，直至脱离发射装置，此时弹上行程开关产生“导弹分离”信号，引战系统安全保险机构接收“导弹分离”信号并开始计时，计时达[t2]且导弹加速度达到预定值，引战系统安全保险结构解除保险。

空空导弹在两种发射方式下的工作时序如图4所示。

在空空导弹整个发射过程中，弹上火工品的激活控制必须设置多重条件限制，按照严格的时序逻辑执行，不可出现单点故障造成的误点火。热电池激活、发动机点火、战斗部安全保险解的执行条件如表1所示。

3.2 “导弹分离”信号采集电路设计

“导弹分离”信号用于表征导弹与载机安全分离，是发动机点火以及战斗部安全保险机构解除保险的判断条件之一，通过导弹与发射装置分离后行程开关状态的转换形成。行程开关自然状态下触点闭合，按压至一定行程后触点断开，具有非常高的可靠性。一种空空导弹常用的行程开关技术指标如表2所示。

该行程开关安装于导弹顶部，导弹挂装后行程开关顶杆被发射装置压下，触点处于断开状态，导弹发射顶杆弹起，触点处于闭合状态。导弹电源组件通过行程开关由断开到闭合的转换采集“导弹分离”信号。某型导弹“导弹分离”信号采集电路如图5所示。

3.3 点火电路安全性设计

3.3.1 隔离电路设计。为提高导弹火工品点火的安全性，必须设置多个串联环节方能实施弹上火工品的点火。只要是能将点火能量输送到点火装置上的环节，都必须采取安全措施，且进行冗余或防差错设计，提高点火系统的可靠性，保证导弹系统的安全[11]。

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路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、固体开关（无触点开关）。隔离装置受不同指令控制，只有当这些控制指令全部有效时才能接通电气回路。

图6是一种典型的点火信号输出电路，采用双路冗余点火输出，每一路都串联一个电磁继电器和一个固态继电器，电磁继电器受指令A控制，固态继电器受指令B控制，只有当指令A和指令B同时有效（高电平）时，4个继电器才同时处于导通状态，输出2路点火信号。

固态继电器具有可靠性高、电磁兼容性好、响应速度快等优势，同时具有导通管压降较大、断开存在漏电流、对过载敏感的缺点。电磁继电器体积较大，但隔离度好，短时过载忍耐性好。点火电路采取串二者串并联的连接方式，可以很好地取长补短，有效提高点火的安全性与可靠性。

3.3.2 电磁兼容性设计。电磁环境干扰是影响空空导弹点火电路安全性与可靠性的不可忽视的一个因素，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，可能造成点火电路误动作;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、静电积累）。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的安全性危害。这些措施包括屏蔽、滤波、接地、隔离等[12]。

3.3.2.1 屏蔽。屏蔽措施对电磁辐射、静电干扰、电容性耦合干扰和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，避免内部点火电路因干扰而产生误发火。

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部件和信号传输通路进行屏蔽，免受外来辐射或耦合干扰。用于传输点火信号的导线必须采用来回直通的双绞屏蔽线，不许中途搭接或用其他地线代替，屏蔽层应单端接地，且接地阻抗尽可能小，这样可以有效抑制电磁辐射干扰和地回路干扰。屏蔽线一般应选用屏蔽层外有绝缘层的导线，防止屏蔽线间耦合。点火电路使用的屏蔽导线在通过连接器转接时必须占用独立的插针来保持屏蔽层的连续。注意屏蔽层不能作为点火回线使用。

3.3.2.2 滤波。火工品激活控制电路应采用滤波技术，防止外界干扰信号输入造成误点火。通常需要在点火指令输入端加入RC滤波电路，滤除一定宽度的干扰信号，仅使点火控制所需的正常信号通过。在电路中，并联一定阻值的电阻，可以起到泄放静电的作用。

在进行滤波电路设计时，既要考虑使不需要的电磁干扰信号衰减，又要保持控制信号的可靠导通，同时，还要考虑在插入滤波器的情况下正确选择电路的负载电压和电流，以便使控制电路能够正常工作。某型空空导弹的发动机点火指令接收电路如图7所示。

3.3.2.3 接地。空空导彈一般以弹体结构作为系统地。屏蔽与滤波效果的好坏与接地效果有直接关系，直接接地电阻应不大于1Ω，且接地线尽可能短粗。

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。如果必须接弹体地，只能在导弹电源处单点接地，避免形成地环路，必须使用专门的导线作为点火信号回线，不得将弹体结构作为点火信号回线。有时为消除电路上的静电荷积累，可采用不小于100kΩ且小于5MΩ的电阻与弹体地连接。

3.3.2.4 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。用于传输点火信号导线的布线和走向应远离射频干扰源，同时与敏感电路隔离。尽量利用空间分离实现不同类型导线的隔离，并注意导线的布设走向，避免长距离平行布设以减少线间耦合，电缆要尽可能短，并靠近金属部件布设。尽量使用单独的连接器传输点火信号，若必须共用连接器时，点火插针与其他插针应用地线隔离。

4 结论

随着我国空军、海军对空空导弹需求数量的不断增加，飞机挂载空空导弹进行训练、巡航、靶试已成为常态。如何保证导弹在测试、挂飞、发射过程的电气安全性成为设计人员必须重点考虑的问题。本文从空空导弹总体电气系统角度出发，研究了导弹在测试、挂飞、发射过程中的安全性设计方法，主要包括火工品激活逻辑时序和点火电路安全设计两部分内容，这对空空导弹总体设计具有较大的指导意义。然而，系统的安全性与可靠性在一定程度上具有矛盾性，安全措施的设置必然会提高系统的复杂度，从而降低系统的可靠性，比如，为提高点火的安全性，设置多重联锁条件，但如果在需要点火时任一条件由于硬件故障不能满足，都不能可靠点火，导致导弹发射任务的失败。因此，如何在满足空空导弹系统可靠性的基础上最大程度进行安全性设计，还需要结合理论计算来确定。

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