国内外标准中火工品设计与检验要求

张蕊 赵成森 林娜 张宸赫 李芳

（1中国兵器工业第二一三研究所，西安，710061；2中国兵器业标准化研究所，北京，100081）

火工品是武器系统的重要组成部分，承担着武器系统起爆、点火、作功和特种效应等功能，广泛应用于海、陆、空、天各类武器装备。火工品是武器装备的首发元件，其起爆/点火的功能可靠性直接影响武器装备系统功能实现。现代战争对火工品也提出了更高效、更安全、更可靠等要求。 “更高效”使换能效率更高的新型火工品的应用越来越广泛； “更安全”推动了高安全火工品的发展； “更可靠”表现在对火工品的各种性能试验验证和环境适应性考核更加严格。

火工品技术发展至今可以分为4代。第一代是以摩擦、撞击等机械能引发的机械火工品（如枪弹底火等）；第二代是以电能转化成热能引发的电热火工品（如电雷管、电起爆器）等；第三代是等离子体、窄脉冲冲击和激光引发的新型火工品（如半导体桥火工品、爆炸箔火工品和激光火工品）等；第四代是指目前正处于研究阶段的灵巧火工品，具有换能信息化、结构微型化和序列集成化的特点，是火工品的发展方向之一。以爆炸箔火工品、激光火工品和半导体桥火工品为代表的第三代火工品因具有较高本质安全性和良好的环境适应性受到广泛关注。

美国是航天大国，其航天火工品的设计、试验和评估能力位于世界前列。同时，美国航天火工品的标准也是最全面、最具体的。通过标准约束火工品的设计、制造和使用，保证火工品的功能和可靠性，推动火工品新技术的应用和发展。分析研究美国的航天标准中火工品技术及其测试试验与评估方法的变化和进步，不仅可以了解国外火工品新技术的应用情况，还可以掌握控制产品质量的一些新方法。本文重点分析美国航天标准AIAA S-113A-2016《发射及空间飞行器用爆炸系统及装置规范》中涉及火工品，特别是第三代火工品的设计要求和验证方法，并将其与GJB 1307A—2004《航天火工装置通用规范》等相关标准进行对比研究。

1 AIAA S-113与GJB 1307的发展和主要内容

1.1 发展历程

AIAA S-113A-2016《发射及空间飞行器用爆炸系统及装置规范》由美国航空航天学会（AIAA）组织编制，是目前最全面和系统的火工品设计和试验标准。该标准最早于2005年制定，编制目的是建立用于发射、宇宙空间站及空间飞行器系统的爆炸系统和爆炸装置的设计、生产和性能合格验证规范。该标准是针对爆炸系统供应商和使用者的一个通用文件，适用于研发和验收过程中的各个阶段，目的是确保火工品的安全应用和高可靠性。该标准全面地规定了爆炸箔火工品、激光火工品和半导体桥火工品等新型火工品及其组成爆炸系统与装置的设计和试验方法，对于火工品新技术的应用起到了重要的指导作用，得到了行业的普遍认可。2016年，AIAA对该标准进行了修订，新标准除规定了保证新型火工品安全性和可靠性的要求，还增加部分性能测试、验证及评估方法。

GJB 1307A—2004《航天火工装置通用规范》是在GJB 1307—1991《卫星火工装置通用规范》的基础上，合并了QJ 1075A—1996《航天火工装置通用规范》和QJ 2471—1993《卫星弹射筒通用规范》2个航天行业标准编制而成的。该标准规定了航天火工装置的通用要求、质量保证规定和交货准备。相比旧标准，新标准在涵盖范围、可靠性指标以及输入输出能量等方面进行了修订。

可以看出，国内外的这两个标准都是针对航天火工品提出的通用规范，使用的范围也相似。不同的是，AIAA S-113的2005年版本中就已经涵盖了爆炸箔火工品、半导体桥火工品和激光等新型火工品，而GJB 1307仅限于电热火工品。可见技术应用上是有差距的。

1.2 标准的主要内容

AIAA S-113A-2016标准包括：序言、标准目录、引言、术语缩写、1范围、2剪裁、3适用文件、4术语、5设计要求、6鉴定要求、附录A1～附录A5等15部分。其中， “5设计要求”和“6鉴定要求”是该标准的重点内容，也是指导航天火工品设计和鉴定的主要内容。附录包括A1到A5，分别给出了进行设计和鉴定过程中所涉及的重要试验的试验要求和试验方法。

GJB 1307A—2004标准包括：目录、前言、1范围、2规范性引用文件、3要求、4质量保证规定、5交货准备、6说明事项、附录A传爆裕度设计验证方法等7部分。其中，第3部分“要求”中规定了航天火工装置设计相关要求，第4部分“质量保证规定”中规定了鉴定检验的要求，是本标准的重点内容。

2 AIAA S-113与GJB 1307中航天火工品的设计要求

2.1 AIAA S-113A-2016中的设计要求

该标准的“5设计要求”主要包括5个章节内容：一般要求、裕度要求、火工系统设计要求、组件设计要求和操作与维护要求，每一章节都有5条～10条相关要求，详细描述了航天火工品设计的通用要求。

a）一般要求包括16项要求：环境耐受性、性能要求、安全性要求、故障允许限要求、设计寿命要求、密封性要求、电/电磁要求、原材料要求、人因工程学、污染、机械组件、爆轰输出、机械完整性、搭接电阻、制造和质量要求、爆炸危害数据等。

b）裕度要求包括9项：一般要求以及起爆系统对首发元件、爆炸能量传递、药筒驱动装置（CAD）、火工作动阀、切割贯穿装置、破裂装置、切割器、线性推冲接头等的裕度要求等。

c）火工系统设计要求包括9项：火工系统的一般要求、界面、冗余、可靠性、起爆系统、电爆系统的保护、传爆系统、系统安装设计、破裂和自毁等要求等。

d）组件设计要求包括6类组件的要求：一般要求、首发元件、电子式和机械式保险与解除保险装置、线性爆炸传播、延时、爆炸启动装置等。

e）操作与维护要求包括5项操作与维护要求：爆炸组件的寿命监控、包装、勤务处理、贮存和运输、安装和操作程序。

2.2 GJB 1307A—2004中的设计要求

该标准的 “3要求”，给出了航天火工装置的总则、材料、稳定性、设计与结构、性能要求、制造、外观质量、尺寸、质量、标志和代号、环境适应性、电磁兼容性、可靠性、安全性、寿命等15项要求，是指导航天火工装置设计的主要内容。

a）总则：本规范与详细规范不一致时，以详细规范为准。

b）材料包括4项要求：通则、火炸药、结构材料、润滑剂。

c）稳定性包括3项要求：选用材料的抗腐蚀、火工装置贮存和使用环境的腐蚀及表面处理工艺。

d）设计与结构包括13项要求：尺寸与质量、连接与紧固、强度、密封、公差与配合、冗余、传爆方式、碎片、污染、火工冲击、互换性、匹配性、防错设计。

e）性能要求包括6项要求：通则、起爆器、传爆装置、聚能切割装置、火工作动装置、保险装置。

f）制造包括4项要求：过程控制、批次控制、一次使用、内部质量。

g）外观质量、尺寸、质量和寿命：这4项要求均仅规定按详细规范执行。

h）标志和代号：包括2项标志代号的一般要求。

i）环境适应性：包括8项通用环境适应性的要求：通则、通用环境要求、2m跌落、加速度、湿热、辐照、气压和其他等。

j）电磁兼容性：提出了在系统预计的静电、射频或电磁辐射等环境中，装置应不发火，性能不降低的要求。

k）可靠性：提出了可靠性不小于0.99，置信度为0.95的基本要求。

l）安全性包括4项要求：一般要求、静电安全性、制造安全性、贮存运输安全性。

2.3 对比分析

仔细分析标准中的指标可以看出，AIAA S-113A-2016提出的设计要求更加详细，特别是在裕度设计方面，给出了各类火工品裕度设计的定量要求，例如普通电起爆器裕度要求为起爆系统每个装置施加的最小刺激量，均大于等于工作电流的1.5倍或全发火电流的2倍，二者取其大；爆炸箔起爆系统起爆电压应比爆炸箔起爆器的全发火电压高100伏；激光起爆系统中每个起爆器的输入刺激量应大于等于2倍的全发火光功率密度或能量密度等。表明发达国家航天火工品设计的基础十分牢固。

相比较而言，GJB 1307A—2004中对于电起爆器设计裕度则要求是在工作输出或最大输入刺激量下应保证发火，若不能确定工作输入时，则用2倍最大刺激量来进行验证。而且国内标准的定性要求偏多，定量要求偏少。例如，电磁要求部分，AIAA S-113A-2016包含了静电放电、电磁兼容、射频和雷电等4项具体要求；而GJB 1307A—2004中仅给出了“火工装置暴露在系统预计的静电、射频或电磁辐射等环境中，装置应不发火，且性能不降低”的描述。这表明：国内标准的可操作性是不够的，同时也跟国内相关基础研究比较薄弱、设计边界阈值不明确有关。

3 AIAA S-113与GJB 1307中有关航天火工品的检验要求

3.1 AIAA S-113A-2016中的检验要求

该标准的 “6检验要求”包括：一般要求、裕度验证要求、功能试验要求。

a）一般验证要求包括11项：鉴定程序、适用文件、设备精确度、设备采样率、飞行试验、试验容许限、报废率超出、试验规程、试验报告、试验失效/重复试验和失效分析等要求。

b）裕度验证要求包括7项：统计全发火验证、用于首发元件的火工系统的裕度验证、传爆装药裕度验证、爆轰传递裕度验证、药筒启动装置（CAD）裕度验证、爆炸切割装置裕度验证、膨胀管分离系统等要求。其中，对于单元火工品，如爆炸箔、半导体桥、激光等火工品只进行统计全发火的裕度验证。并强调“对每一种首发元件都需要建立起爆阈值水平 （统计全发火），起爆阈值水平应达到本标准规定义的起爆可靠性要求”。

c）功能试验验证要求包括12项：试验温度、发火后外观检查、冗余输入装置试验、密闭爆发器试验、能量传感器、凹痕试验、VISRA、光子多普勒测速系统（PDV）、闪光X射线、发火后电流泄漏、发火后端头/隔板的完整性试验、保险与解除保险发火试验等裕度验证试验要求。

3.2 GJB 1307A—2004中的检验要求

主要涉及该标准“4质量保证”规定中的4个部分：4.4设计验证检验、4.5鉴定检验、4.6质量一致性检验和4.7使用寿命检验。

a）设计验证检验：给出了设计验证检验表，表内包含了起爆器、隔板起爆器、传爆装置、聚能切割装置和火工作动装置的性能裕度验证项目和选用方法。如起爆器的裕度验证试验包括：全发火能量，不发火能量和输出能量等。

b）鉴定检验：起爆器、传爆和聚能切割装置、火工作动装置的鉴定检验检验项目、数量和方法，并规定火工装置的质量一致性检验允许与鉴定检验合并进行。

c）质量一致性检验：起爆器、传爆和聚能切割装置、火工作动装置的质量一致性检验项目、数量和方法。

d）使用寿命检验：实时老化监视、加速老化试验、大药量火工装置的老化监视，给出了相应的检验项目表。

3.3 对比分析

在检验对象上，AIAA S-113A-2016包括了首发元件、用作首发元件的起爆系统、传爆装置（含隔板起爆器）、药筒启动装置、爆炸切断装置和膨胀分离系统等7类。其中，首发元件包括电起爆器、爆炸桥丝起爆器、爆炸箔起爆器、半导体桥起爆器、高压电雷管、激光起爆器和机械起爆器等8种。GJB 1307A—2004包括起爆器（电起爆器和机械起爆器）、隔板起爆器、传爆装置、聚能切割装置、火工作动装置等。

在检验程序上，AIAA S-113A-2016包括6部分：零件/材料/工艺控制、裕度、质量合格鉴定、验收（无损检验和破坏性试验）和延寿等。GJB 1307A—2004包括4部分：设计验证（性能裕度）、鉴定检验、质量一致性检验和使用寿命检验。

在试验项目上，AIAA S-113A-2016和GJB 1307A—2004都包括了破坏性试验和非破坏性试验。以电起爆器为例，主要项目见表1。从表1中可以看出，国内外重点试验项目基本一致，但国内项目较美国的少，这还是源于国内外火工品的结构和品种存在差异。例如，在非破坏性试验方面，AIAA S-113A-2016中，对有静电泄放通道的火工品，要做谐振频率检测和火花隙击穿无损检测试验。

在破坏性试验上，AIAA S-113A-2016规定1A/1W不发火试验、射频阻抗和射频感度试验等是必测项目，可见，国外火工品在安全性的控制上比国内要严格一些。

在试验数量上，国内外的标准鉴定数据均为100发以上。以电起爆器为例，AIAA S-113A-2016为100发，GJB 1307A—2004为126发。可见，火工品特别是首发元件，必须通过足够数量的发火试验验证，才能保证其可靠性，这一点国内外的认识是一致的。

4 AIAA S-113与GJB 1307中有关航天火工品的检验方法

4.1 AIAA S-113A-2016中的检验方法

该标准利用5个附录规定了航天火工品的检验试验方法和评估方法。其中，附录A.1为非破坏性试验，包括方法101～120等20项试验方法的试验目的、试验步骤和相关判据等，具体见表2。其中，方法116～120为2016年版新增的试验项目。

附录A.2为破坏性和环境试验，包括方法201～224等24项试验，具体见表3。其中方法223“热真空试验”和方法224“EMI/EM C电磁兼容性试验”为2016年版新增的试验项目。

表3 AIAA S-113A附录A.1中的破坏性和环境试验方法

附录A.3为全发火/不发火试验和分析方法，包括升降法、兰利法、Neyer-D优化法、ASENT法，似然比法等感度试验方法的特点、实施比较，以及基于这些感度试验方法的火工品可靠性分析方法。附录A.4为密封有效性分析，这部分强调了对火工装置密封有效性分析的重要性，并给出了一些常用分析试验方法。附录A.5为空间泄漏试验要求，对目前MILSTD-1576、MIL-STD-331和MIL-STD-883等标准中使用的不同泄漏试验进行了对比分析，通过分析强调了太空环境下进行火工装置泄漏试验的特殊要求。

4.2 GJB 1307A—2004中的检验方法

该标准的4.8条给出了航天火工品的检验试验方法和评估方法，主要包括：外观、桥路电阻、绝缘电阻、密封性、X射线、静电感度、裕度试验、系统试验、高温、温度循环、冲击、随机振动、2m跌落，不发火能量、高温贮存和发火试验。

4.3 对比分析

对比两项标准在检验试验方法方面的区别：①AIAA S-113A-2016中的方法更加全面，特别是针对新型火工品规定了若干新的试验方法和试验要求，如光时域试验方法、热时常数试验方法和光子多普勒测速系统（PDV）试验方法等，而这些方法国内目前尚未普遍使用；②AIAA S-113A-2016将试验方法的目的、操作步骤和判据列出，操作性更强；③AIAA S-113A-2016论述了火工品发火可靠性评估方法、密封有效性试验方法及太空环境对泄漏率试验的特殊要求，方便产品开发设计重点技术点的控制，较好地解决了标准强制执行和方法选择应用的问题。GJB 1307A—2004中这些细节比较欠缺。

5 结论

通过对比分析AIAA S-113A-2016和GJB 1307A—2004中设计要求、检验要求、检验方法等内容，可以得到以下几点结论。

a）两项标准涵盖的火工品范围有所不同，AIAA S-113从2005版已涵盖了爆炸箔、激光和半导体桥等新型火工品，说明国外火工品新技术应用更快。同时，AIAA S-113A-2016将首发元件、装置和系统的界线划分更加清晰，方便了对种类繁多的航天火工品的界定。

b）两项标准的主要内容均包含了航天火工品的设计要求、质量控制要求和检验验证方法。AIAA S-113A-2016在设计和鉴定中的定量要求更多，具有较强的可操作性。GJB 1307A—2004中的定性要求较多，强调依据详细设计规范确定，灵活性更好，但标准的可操作性相对较弱。

c）两项标准的均对检验试验方法进行规定，AIAA S-113A-2016中涉及试验方法更丰富，包括了光时域分析、PDV等新方法。对需要关注的问题和方法多种选择问题，如太空环境特殊性所导致的试验方法差异问题、密封有效性问题、可靠性评估问题等，则采用附录的形式给出方法的选择建议，为标准的使用者提供了更科学的选择依据。这是国内标准制修订时可以借鉴的。