鄧康

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

導(dǎo)彈點火系統(tǒng)安全性設(shè)計方法研究*

鄧康

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

從組成導(dǎo)彈點火系統(tǒng)的點火電路、安全保險裝置、點火裝置等各個環(huán)節(jié)，全面系統(tǒng)地介紹了安全性設(shè)計原則、內(nèi)容以及采取的具體措施，為導(dǎo)彈點火系統(tǒng)的安全性設(shè)計工作提供了參考，提出安全性設(shè)計要從導(dǎo)彈系統(tǒng)角度進行全面規(guī)劃和設(shè)計，以提高導(dǎo)彈在未來復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境條件下的安全性。

導(dǎo)彈；點火系統(tǒng)；安全性；安全性設(shè)計；點火電路；系統(tǒng)規(guī)劃

0 引言

導(dǎo)彈的點火系統(tǒng)，在實際使用中，因各種原因曾出現(xiàn)過不少安全性事故。1967 年7月，美航空母艦FORRESTAL號在北越海域游弋，在A-4和F-4戰(zhàn)機準備起飛時，1部雷達照射到飛行甲板上，使1枚掛載在飛機上的導(dǎo)彈意外點火，造成重大人員傷亡和損失；1984年，亞洲某炮兵陣地上的3發(fā)火箭彈，因附近雷電作用被點火發(fā)射；1993年，瑞典航天公司在埃斯蘭格發(fā)射場的1枚探空火箭，因用錯測試儀表對發(fā)動機點火電路進行檢查，使發(fā)動機點火，造成重大人員傷亡；2005年，某單位在檢測點火裝置點火電阻時，因操作失誤，使點火裝置意外發(fā)火，燒傷3名現(xiàn)場操作人員。

隨著導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，未來使用環(huán)境也將不斷惡化，西方國家(如美國)已高度重視火箭和導(dǎo)彈點火系統(tǒng)的安全性，相繼頒布了相關(guān)的軍用標準以保證點火系統(tǒng)的安全性[1]，并實施相關(guān)計劃研究以提高點火系統(tǒng)的安全性，如美國HERO計劃。

安全性設(shè)計就是要在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中采取措施保證導(dǎo)彈在使用全過程中的安全，不得造成人員、設(shè)備的傷亡和損失[2]。為了滿足上述要求，設(shè)計人員在進行系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)該遵循一定的準則，以保證設(shè)計出來的系統(tǒng)滿足武器系統(tǒng)各階段的安全性要求。文中將結(jié)合某型反導(dǎo)導(dǎo)彈的安全性要求對導(dǎo)彈全壽命周期各階段的安全性設(shè)計方法進行分析研究。

導(dǎo)彈點火系統(tǒng)一般采用電啟動方式，由點火電路(包括點火電源、點火控制電路、檢測電路、能量傳送電路)、安全保險裝置(包括電氣隔離裝置、物理隔離裝置、防靜電防射頻電路等)、點火裝置(包括起爆器、傳火序列、點火藥等)組成，某些安全保險裝置也可內(nèi)置于點火裝置中。

1 設(shè)計原則

安全性失效均是直接發(fā)生在點火系統(tǒng)的某個部分，因此，應(yīng)根據(jù)點火系統(tǒng)各個組成部分的特性和受影響的機理來進行安全性設(shè)計。根據(jù)影響因素的不同，應(yīng)遵循以下設(shè)計原則：

(1) 點火系統(tǒng)的設(shè)計要采取安全冗余和防差錯措施[3]。必須串聯(lián)多個環(huán)節(jié)方可實施彈上火工品點火，點火電路中，至少應(yīng)設(shè)置2種獨立的電氣隔離裝置且受不同的指令控制；

(2) 彈上火工品優(yōu)先選用1 A 1 W/5 min不發(fā)火的鈍感點火裝置，若點火裝置所用藥劑不滿足安全性規(guī)定時，應(yīng)設(shè)置有隔斷傳火通道的隔離機構(gòu)；如條件允許，應(yīng)采用高度安全的直列式點火裝置，如激光點火裝置、沖擊片點火裝置；

(3) 應(yīng)有保證處于安全狀態(tài)的措施，以確保在貯存、運輸、維護、檢測時的安全；

(4) 點火電路的電磁兼容性設(shè)計，應(yīng)滿足國軍標、行業(yè)標準及相關(guān)型號電磁兼容性相關(guān)規(guī)定，即在規(guī)定的電磁環(huán)境作用下不產(chǎn)生意外解除保險或點火，以及不產(chǎn)生超過規(guī)定的感應(yīng)能量(應(yīng)不超過安全電流的15%)。

2 設(shè)計方法

2.1 點火電源安全性設(shè)計

為避免相互干擾，彈上點火電源應(yīng)使用獨立的電源，與彈上其他電源分開并且地線相互隔離；彈上點火電源應(yīng)使用一次貯備電池，使用前方可激活輸出點火能源。導(dǎo)彈多選用熱電池，環(huán)境適應(yīng)性強，體積小，質(zhì)量小，且在全壽命周期免維護。

2.2 點火裝置安全性設(shè)計

2.2.1 起爆器安全性設(shè)計

應(yīng)優(yōu)先選用高安全的起爆器，如采用1 A 1 W/5 min不發(fā)火的鈍感點火裝置[4]。

對于某些電磁環(huán)境惡劣的特殊應(yīng)用環(huán)境，在滿足1 A 1 W/5 min鈍感要求的前提下，應(yīng)進一步提高起爆器防靜電、防射頻的能力。如在起爆器每個橋路與殼體間加裝靜電泄放裝置(如10 Ω～5 000 kΩ 的電阻，靜電泄放片)、低通濾波器(如L型、П型濾波器、鐵氧體材料等)。

2.2.2 安全藥劑選用

一般可采用黑火藥、鎂粉/聚四氟乙烯點火藥、硼/硝酸鉀點火藥、固體推進劑等[5]。如果所用藥劑安全性不滿足相關(guān)規(guī)定，則在此敏感藥劑后要加裝隔離裝置以防其意外點火后將能量傳達下一級，從而確保導(dǎo)彈的安全。

2.2.3 增加隔離裝置

目前在大多數(shù)導(dǎo)彈點火裝置中均采用滿足1 A1 W鈍感要求的起爆器。這種鈍感起爆器能夠滿足基本的安全要求，在復(fù)雜電磁環(huán)境中達不到絕對安全。因此，對于像發(fā)動機起爆器這類有最嚴格要求的點火裝置，如有必要，需要在這種起爆器后加裝隔離裝置，隔離裝置在處于安全狀態(tài)時能隔斷起爆器起爆后的傳火通道從而保證安全[6]。隔離裝置可以通過旋轉(zhuǎn)90°的方式來實現(xiàn)傳火通道的隔斷或?qū)?，也可通過插入/拔出的方式來使傳火通道處于阻塞或?qū)顟B(tài)。通過這種物理隔斷，當起爆器意外點火時，不會將后續(xù)的點火藥或發(fā)動機點燃，從而確保了安全。實現(xiàn)隔離裝置從安全到工作狀態(tài)或從工作到安全狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方式可以采用手動機械驅(qū)動或機電驅(qū)動。當處于安全狀態(tài)時，點火裝置的點火輸入線要與點火電源輸出線斷開，同時要短路后與殼體連接；處于工作狀態(tài)時，則斷開點火輸入線的短路，并與點火電源輸出線接通。

美國AIM-120空空導(dǎo)彈采用機電驅(qū)動方式來實現(xiàn)安全隔離(見圖1)。

2.3 點火電路的安全性設(shè)計

導(dǎo)彈點火系統(tǒng)的安全性貫穿于導(dǎo)彈全壽命周期的整個過程中[7]，不同階段安全性有不同的要求和表現(xiàn)，作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)都應(yīng)采取措施，確保整個導(dǎo)彈系統(tǒng)的安全。

2.3.1 發(fā)射階段的安全性設(shè)計

為提高發(fā)射階段的安全性，所有彈上火工品及發(fā)射筒的火工品點火能源均應(yīng)由彈上點火電池提供；點火電池的激活時點必須嚴格控制在發(fā)射前，相對地面提供點火電源，可以大大降低誤點火的可能性；如采用冷彈射方式，在發(fā)射筒燃氣發(fā)生器點火前必須確認導(dǎo)彈鎖定措施已完全解除。若彈射后發(fā)動機未點火，必須采取措施保證導(dǎo)彈落地沖擊不會引起發(fā)動機點火。

某型導(dǎo)彈采用垂直冷彈射的發(fā)射方式，其發(fā)射具體過程為導(dǎo)彈縱向解鎖后，點爆發(fā)射筒燃氣發(fā)生器，產(chǎn)生的高溫高壓燃氣推動導(dǎo)彈彈射出筒，導(dǎo)彈出筒到達一定的安全高度后，點燃固體火箭發(fā)動機，繼續(xù)飛行。

發(fā)射筒中火工品包括縱向解鎖和燃氣發(fā)射器點火器。設(shè)計由彈上點火電池提供點火能源，點火電池在導(dǎo)彈發(fā)射前數(shù)秒方被發(fā)控系統(tǒng)激活。隨后，發(fā)控系統(tǒng)控制導(dǎo)彈進行縱向解鎖，確認解鎖到位后，進行燃氣發(fā)生器點火器點火，筒內(nèi)產(chǎn)生大量高溫高壓燃氣，推動導(dǎo)彈彈出發(fā)射筒。

導(dǎo)彈開始縱向運動后，彈尾的脫落插座與發(fā)射筒中的脫落插頭分離，導(dǎo)彈敏感到脫落電連接器脫落，用此脫落信號作為彈上點火時序的初始條件。

導(dǎo)彈彈出發(fā)射筒的過程中產(chǎn)生過載，當導(dǎo)彈軸向過載達到規(guī)定值時，導(dǎo)彈內(nèi)部過載開關(guān)的常開觸點閉合，點火電源輸出至點火控制繼電器常開觸點前端。滿足規(guī)定的延時條件后，點火控制繼電器常開觸點閉合，全部點火通路全部貫通，點火能源送至固體火箭發(fā)動機點火器，發(fā)動機點火。

如導(dǎo)彈彈射故障使過載未達到規(guī)定的過載值，則過載開關(guān)觸點不閉合，導(dǎo)彈彈射出筒至跌落地面前，導(dǎo)彈不會實施點火。當導(dǎo)彈跌落時，如受到的沖擊達到過載繼電器的閉合條件，則導(dǎo)彈會按照彈上點火時序進行點火，極有可能造成地(艦)面設(shè)備損壞甚至人員傷亡，因此，必須采取措施保證人員和設(shè)備的安全。導(dǎo)彈脫落后t1時刻要進行彈上火工品點火，因此，必須在小于t1時間內(nèi)對過載繼電器的狀態(tài)進行查詢判定，通過點火控制軟件判定，若過載出現(xiàn)時刻大于t1-Δt，認為出現(xiàn)彈射故障，不進行任何點火動作，保證地(艦)面設(shè)備和人員安全。

綜上所述，發(fā)射階段的點火條件包括：

(1) 點火電池被激活；

(2) 縱向解鎖到位；

(3) 發(fā)射筒主燃氣發(fā)生器點火指令；

(4) 脫落信號產(chǎn)生；

(5) 過載開關(guān)動作；

(6) 延時點火條件滿足。

2.3.2 飛行階段的安全性設(shè)計

為提高導(dǎo)彈彈上火工品點火安全性，必須設(shè)置多個串聯(lián)環(huán)節(jié)方能實施導(dǎo)彈彈上火工品的點火[8]。只要是能將點火能量輸送到點火裝置的環(huán)節(jié)，都必須采取安全措施，且進行冗余或防差錯設(shè)計，提高點火系統(tǒng)的工作可靠性，保證導(dǎo)彈系統(tǒng)的安全。

在進行導(dǎo)彈發(fā)射點火前，點火電源與點火裝置間至少應(yīng)用2個獨立的隔離裝置來實現(xiàn)電氣隔離，這些裝置包括電磁繼電器、固態(tài)開關(guān)(無觸點開關(guān))。獨立的隔離裝置是指受不同指令的控制，只有當這些控制都有效時才能保證電氣接通。

圖2 導(dǎo)彈級間分離裝置點火電路圖Fig.2 Ignition circuit of missile stage separation

圖2為某型導(dǎo)彈級間分離裝置點火電路圖，從點火電源至級間分離裝置點火器之間設(shè)置了2處隔離環(huán)節(jié)：①過載繼電器的常開觸點；②固體繼電器的觸點。當導(dǎo)彈軸向過載達到規(guī)定值時，過載繼電器常開觸點閉合；當點火控制系統(tǒng)接收到彈上計算機發(fā)出的分離點火控制指令后，控制固態(tài)繼電器觸點閉合，上述2個條件同時滿足時，點火通路才能連通。

2.3.3 測試、維護、運輸、貯存階段

導(dǎo)彈在研制階段及裝備部隊后，要經(jīng)過各種各樣的自然環(huán)境和人為環(huán)境，為進一步防止安全事故的發(fā)生，在完成了上述安全設(shè)計后，還應(yīng)安裝強制性的安全保護裝置，如短路保護裝置，以確保導(dǎo)彈在測試、維護、運輸、貯存中的安全，只有導(dǎo)彈進行綜合測試或裝填至發(fā)射車進入發(fā)射準備狀態(tài)后，才能去掉這些保護裝置。這些保護裝置均應(yīng)作為導(dǎo)彈產(chǎn)品的附屬件，安裝于導(dǎo)彈彈體或筒彈外側(cè)。短路保護裝置基本的形式是在火工品點爆或激活正負之間短接。

以某型導(dǎo)彈為例，其在導(dǎo)彈測試、運輸、貯存時采取保護措施如下。

(1) 設(shè)計專用火工品短路保護插頭，確保導(dǎo)彈在非測試狀態(tài)下所有火工品處于短路保護狀態(tài)；

(2) 在進行火工品電阻測試時，使用專用的彈上火工品測試儀，保證測試電流小于10 mA；

(3) 綜合測試系統(tǒng)不提供彈上點火電源，且在測試電纜中不連接點火電源信號線，因此，在導(dǎo)彈進行各加電測試項目時，彈上沒有可用的點火能源，避免了誤點爆；

(4) 采用專用過載開關(guān)，若運輸過程中出現(xiàn)沖擊引起的大過載，因?qū)椩谶\輸過程中不加電，過載開過無法保持動作，點火通路無法接通，且運輸過程中作為點火能源的點火電池沒有激活，因此沒有彈上火工品誤點爆的風險，提高了導(dǎo)彈的安全性。

某專用過載開關(guān)工作原理圖如圖3所示。

圖3 過載繼電器工作原理圖Fig.3 Operational principle of overload relay

2.4 點火電路的可靠性設(shè)計

對于采用垂直冷彈射發(fā)射方式的導(dǎo)彈而言，提高導(dǎo)彈發(fā)動機點火的可靠性，避免導(dǎo)彈發(fā)動機因不點火造成導(dǎo)彈落下砸壞地面設(shè)備，引起彈上有毒液體推進劑泄露，造成人員傷害，就是提高導(dǎo)彈系統(tǒng)的安全性。

為實現(xiàn)彈上火工品的可靠點爆，選用高可靠元器件，成熟電路，同時，采用冗余備份等設(shè)計原則，提高產(chǎn)品的任務(wù)可靠性，具體如下：

選用質(zhì)量等級更高的元器件，采用成熟技術(shù)和經(jīng)過考核的產(chǎn)品，使用高集成度電路、已定型的或經(jīng)驗證符合要求的標準部件、成熟電路；

充分開展降額設(shè)計、防熱設(shè)計和防機械應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計以及適當?shù)娜哂嘣O(shè)計，降低器件、導(dǎo)線的工作應(yīng)力水平以及彈上點火控制系統(tǒng)的風險；

設(shè)置2路獨立的信號作為點火控制的輸入條件，以提高點火系統(tǒng)的可靠性，保證彈上火工品能夠正常點爆；

所有彈上火工品的點火通路均為雙點雙線，當出現(xiàn)單點焊/壓接問題或?qū)Ь€斷路時，仍能夠保證點火功能實現(xiàn)；

所有點火控制電路均采用冗余設(shè)計，點火控制軟件加入軟件濾波和錯誤陷阱，以提高點火系統(tǒng)的可靠性。

2.5 點火電路的電磁兼容性設(shè)計

電磁環(huán)境對點火電路的影響表現(xiàn)在以下幾個方面：通過傳導(dǎo)或輻射將電磁干擾引入點火電路，使點火電路誤動作；通過輻射在點火導(dǎo)線上產(chǎn)生足夠的感應(yīng)能量使點火裝置誤發(fā)火；通過點火導(dǎo)線直接將能量傳給點火裝置(如直接雷電、靜電積聚)。因此，在對點火系統(tǒng)所面臨的電磁環(huán)境分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)采取相應(yīng)的措施來抑制這些影響因素給點火系統(tǒng)帶來安全性危害。這些措施包括屏蔽、濾波、接地、隔離等[9]。

2.5.1 屏蔽

屏蔽措施對電磁輻射、靜電干擾、電容性耦合干擾、電感性耦合干擾均有明顯的抑制作用。由于屏蔽體的存在，外來的輻射干擾甚至是直接作用能量將通過屏蔽層加以衰減或泄放，保證內(nèi)部點火電路免受干擾而產(chǎn)生誤發(fā)火。屏蔽效果應(yīng)保證在30 kHz以上衰減40 dB[10]。

屏蔽時，首先應(yīng)將點火電路中的輻射源進行屏蔽，如二次開關(guān)電源、放電電容、繼電器等，防止對點火電路中的其他器件或電路產(chǎn)生影響；再將點火系統(tǒng)的控制設(shè)備和信號傳輸通路進行屏蔽，免受外來輻射或耦合干擾。影響屏蔽效果的因素為：屏蔽體上存在導(dǎo)電不連續(xù)性，如孔洞、縫隙等；穿過屏蔽體的導(dǎo)線。因此，根據(jù)經(jīng)驗，屏蔽體上的空隙或孔洞的最大尺寸至少不能大于需要屏蔽電磁波波長的1/20[11]，否則應(yīng)加導(dǎo)電屏蔽墊，用于屏蔽的導(dǎo)體間的搭接電阻不能大于2.5 mΩ；輸入輸出線纜采用屏蔽線，屏蔽層要保持連續(xù)，一直到控制艙輸出端口和點火裝置輸入端口，線纜屏蔽層的光學(xué)覆蓋率不應(yīng)低于85%，如果有較高頻(1 GHz以上)的干擾，應(yīng)對電纜采取多層屏蔽或纏繞屏蔽帶。信號連接采用屏蔽電連接器。屏蔽層不能用作載流導(dǎo)體，控制信號線和點火導(dǎo)線應(yīng)采用屏蔽雙絞線。

2.5.2 濾波

抑制干擾的濾波器有反射式濾波器和吸收式濾波器等。

反射式濾波器通常指由電感、電容等元件組成的低通濾波器[12]，旁路電容濾波器就是一種典型的低通濾波器。吸收式濾波器是由有耗器件構(gòu)成，在阻帶內(nèi)，將電磁干擾的能量吸收后轉(zhuǎn)化為熱損耗而起到濾波作用。鐵氧體材料就是一種廣泛應(yīng)用的有耗器件，可用來構(gòu)成低通濾波器。一般套在元器件引腳或?qū)Ь€上，也可填充在點火裝置引線的周圍絕緣層中。

對于與外部電路連接的點火電路輸入信號應(yīng)加裝低通濾波器[13]，特別是對于穿過屏蔽體的信號線。在低速控制信號輸入端可采用帶濾波功能電連接器，電源線入口處或點火電路中電源輸出端安裝電源濾波器。為防止點火回路中有超過危險水平的感應(yīng)能量，對于無法完全屏蔽的點火裝置，由于點火導(dǎo)線具有天線效應(yīng)，能將輻射能量引入點火回路中，因此，應(yīng)在每根點火導(dǎo)線輸入端對公共地間加裝低通濾波器。濾波器的安裝不能破壞各部分的屏蔽效能。

用于點火回路的濾波器，其截止頻率應(yīng)不低于20 kHz，工作頻率至少不低于1 GHz，選用的電感、電容應(yīng)能在最高頻率下正常工作，一體化設(shè)計的濾波器有利于提高最高工作頻率。額定工作電流應(yīng)不低于點火回路安全電流，同時應(yīng)能承受最大點火電流的沖擊而不損壞，工作電壓應(yīng)不低于點火電壓的1.5倍。用于點火回路的濾波器可以集成在點火裝置中。

圖4為典型的點火低通濾波器電路。

圖4 點火低通濾波器等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram of ignition lowpass filter

對于需要機械分離信號作為控制信號輸入的電路，應(yīng)對地接入濾波電容，濾除由于機械分離過程中產(chǎn)生的抖動信號，避免系統(tǒng)誤判。

2.5.3 接地

屏蔽和濾波效果的好壞與接地效果有直接關(guān)系。導(dǎo)彈一般將彈體結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)地。直接接地電阻不大于1 Ω，且接地線路盡可能短粗[14]。

對于點火電路及相關(guān)電路，盡量不要與彈體地或其他電路直接共地。不能將彈體地作為點火電源的回路。

對于點火電路的雙絞屏蔽線的屏蔽層采用單端接地，接地阻抗盡可能小，這樣對電屏蔽、磁屏蔽、抑制地回路干擾均有作用，另外，電纜盡可能靠近彈體走線以減少與地間的耦合面積。

對點火電路中采用的濾波器，其外殼一定要與屏蔽體(已接地) 或彈體地良好搭接，其搭接電阻不大于2.5 mΩ。

2.5.4 隔離

隔離就是將可能相互影響的電路進行位置分離或電氣隔離。在電路設(shè)計時按不同功能、不同頻率、不同電壓的電路進行分類隔離，防止相互間的影響。點火電路中的電源電路(含點火導(dǎo)線)、信號電路、控制電路要在位置上盡可能分離開，同時點火電路與彈上其他電路除在位置上分離開，最好在電氣上也實現(xiàn)隔離，其隔離程度不小于50 dB。

電氣隔離可以通過隔離變壓器、光電耦合器來傳輸信號[15]。用于點火電路的線纜必須與其他電路電纜隔離，即實現(xiàn)分類捆扎和屏蔽隔離。

點火系統(tǒng)各部分的安全性設(shè)計完成后，應(yīng)通過相應(yīng)的試驗來驗證設(shè)計的有效性，并不斷改進設(shè)計，最終達到標準規(guī)定的要求。

3 結(jié)束語

導(dǎo)彈點火系統(tǒng)直接關(guān)系到武器系統(tǒng)的安全，在越來越嚴酷的戰(zhàn)場環(huán)境中如何保證導(dǎo)彈的安全將是我們面臨的重要課題。由于點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作可靠性要求高，任何一個環(huán)節(jié)存在安全漏洞，都將影響導(dǎo)彈、武器系統(tǒng)的安全，所以應(yīng)從型號研制初期開始，從頂層和系統(tǒng)的高度對點火系統(tǒng)各個部分進行安全性規(guī)劃和設(shè)計，嚴格執(zhí)行各有關(guān)安全標準的規(guī)定，精心設(shè)計，并不斷改進，最終滿足安全標準規(guī)定的要求，從而確保導(dǎo)彈在使用環(huán)境中的安全。

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Safety Design Method of Missile Ignition System

DENG Kang

(Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

The safety design principle, content and measure in details for the missile ignition system which is composed of firing circuit, safety device, ignition device is introduced, and the reference for the safety design of missile ignition system is provided. In order to improve the missile safety for the complicated battlefield in future, the safety design of the missile system must be further planed and developed.

missile；ignition system；safety;safety design;ignition circuit;system planed

2016-06-30；

2016-11-18

有

鄧康(1972-)，男，北京人。高工，學(xué)士，研究方向為彈上電氣系統(tǒng)設(shè)計與試驗技術(shù)。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.03.004

TJ761.1+3

A

1009-086X(2017)-03-0022-06

通信地址：100854 北京市142信箱30分箱