航天器发火线路电子等效测试装置设计研究

潘江江 李 洁 李海伟 姜 爽 张 翔

1.中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076 2.航天长征化学工程股份有限公司，北京101111

火工品是航天器中常用的分离起爆装置。在航天器发射前，对火工品及器上发火线路的各项性能参数进行测试，确保参数正常，是航天器可靠完成飞行任务的技术前提。传统的火工品线路起爆测试用真实火工品起爆完成，测试过程中很难实现对起爆电路瞬时电压、电流值的快速测试，对测试设备的采集速率有很高要求，技术难度大、测试成本较高。并且，测试过程中出现故障异常时，由于起爆瞬间为毫秒级，测试系统难以在线快速应对，因此，可能对发火系统造成难以估量的损失。为了弥补真实火工品发火测试中的不足，设计航天器发火线路电子等效测试装置势在必行。

1 研究背景

在航天器发火测试中，一般应用的是传统火工品等效器。传统火工品等效器内部设有等效电阻，阻值约为千欧量级，接入到火工品起爆线路中，当接收到发火起爆电压后(可转化为起爆电流)，检测到线路中的火工品起爆电流后，通过等效器内部电压采集，进行指示灯显示。传统火工品等效器只能检测起爆电压值与起爆线路的正确性，但起爆瞬间的电压值、电流值对测试系统采集速度要求较高，难以观测，对于火工品起爆测试的具体参数情况无法进行详细分析。

起爆线路方面，由于不同航天型号上电气系统电缆网长度和特性不同，造成电缆线路阻抗不一致，对起爆线路中电流值会造成影响。若起爆电流过小，可能造成线路无法正常起爆。使用传统火工品等效器，可能起爆线路能够正常连通，即火工品等效器上能够正常接收到起爆电流，指示灯显示正常，但实际起爆线路中由于电缆网阻值较高，线路中实际起爆电流较小，使得火工品起爆电流达不到起爆水平，火工品无法正常起爆。所以，传统火工品等效器存在电流、电压值测不到等缺陷，火工品起爆试验中测试覆盖性差，发生故障后，无法进行数据分析，难以查找故障原因。

2 功能需求及系统组成

2.1 发火线路电子等效测试装置功能需求

发火线路电子等效测试装置主要功能包括：发火线路工作模式选择(即故障在线注入内容)、发火线路参数采集、测试数据显示及报警、数据存储和通信等。

1)发火线路电子等效测试装置通过模式选择按钮，控制固态功率控制器(SSPC)进行开关通路切换，可以选择正常发火、发火后短路及发火后搭壳(即存在不定电阻)等线路状态，真实模拟发火试验中各种情况；

2)霍尔电流传感器和电阻分压电路分别采集固定状态下起爆线路中电流值和电压值；

3)采集后数据送往单片机处理分析，通过液晶显示屏显示这些参数，若参数值超出事先限定的正常范围，将通过指示灯和蜂鸣器控制电路报警；

4)参数值将保存在存储器中，可以通过USB接口外界U盘读取，便于回看测试过程中的各类参数状态，发现火工品起爆线路潜在问题，进行故障定位。

2.2 发火线路电子等效测试装置组成

根据发火线路等效测试装置的功能需求，发火线路电子等效测试装置由火工品发火测试通路、电源模块、数据采集模块、数据处理模块、显示及报警模块和通信模块几部分组成，具体电路组成见图1。其中起爆测试通路由保险丝和固态功率控制器(SSPC)组成，数据处理模块为单片机C8051F020，数据采集模块为霍尔电流传感器AS712和电阻分压电路，显示及报警模块由市面上通用的液晶显示屏、蜂鸣器和指示灯组成，通信模块由采用USB2.0的USB接口电路组成。

3 设计实现

3.1 电源模块设计

电源模块为整个发火线路电子提供设备所需要的相关直流电压，主要有+5V，3.3V和±15V。出于测试设备通用性、成熟性考虑，选用市面上常见的三星I9100锂电池作为供电输入，工作电压范围为3～4.2V。通过DC/DC升压模块将输入电压调整为2.5～5.5V，保证5V电源的正常工作。而3.3V和±15V分别是在5V的基础之上通过相应的电压转换芯片转换而来。3.3V电压通过NCS的低压差稳压器来实现，主要为单片机IO电源、开关、USB接口及显示屏等供电；±15V的电压主要为霍尔器件及运放供电。整个电路最大消耗电流约为302mA，锂电池容量约为1650mAh，理论上能持续工作5h以上。

图1 发火线路电子等效测试装置设计方案示意图

表1 主要元器件消耗电流情况

器件消耗电流(mA)器件消耗电流(mA)单片机69显示屏25文件管理控制芯片15霍尔器件30电压转换芯片(3．3V)10运算放大器2DC/DC升压模块82蜂鸣器25电压转换芯片(±15V)44总消耗电流302mA

3.2 数据采集模块设计

数据采集模块的主要作用是采集火工品起爆线路中的起爆电流值，这里采用霍尔电流传感器串接于火工品测试通路中，实现对通路中电流值的采集。霍尔器件采集到的信号通过电压跟随电路后，进入数据处理模块，通过单片机内置模数转换模块，转换成相应的数字量进行后续相关处理。此外，起爆电压值通过电阻分压电路进行采集。

3.3 数据处理模块设计

数据处理模块接收来自数据采集模块的信息，进行后续处理，并将发火试验所关心的电流值、电压值在液晶显示屏显示，若存在数据值异常，控制蜂鸣器和指示灯报警。设备壳体表面的模式选择按钮，可以选择测试过程中各种故障在线注入方式，具体内容见表2。

表2 后续工作状态选取

故障在线注入模式选择后，根据实际发火试验流程，通过数据处理模块中事先设定好的工作时序进行动作，分别为发火起爆、发火后故障注入和测试结束后观测3个阶段，具体内容见表3。

表3 工作时序确定

3.4 发火测试通路设计

数据处理模块选定故障在线注入模式后，严格按照事先选定的动作时序，控制固态功率控制器(SSPC)阵列的开关状态，切换发火测试通路状态，完成对应的发火测试内容。以发火后短路模式为例，0～6ms内接收发火起爆信号；7ms开始对发火线路进行短路故障模式注入，单片机控制固态功率控制器(SSPC)相关触点动作，对发火线路进行短接；201ms时刻火工品控制器切断起爆信号，进行后续观测时段，对发火线路是否受到故障影响，特征参数值是否发生明显变化做出观测，直至20s全部测试周期结束。具体电路实现形式见图2。

图2 工作模式选择电路原理图

3.5 通用模块设计

显示及报警模块由市面上通用的液晶显示屏、指示灯和蜂鸣器构成，通信模块由采用USB2.0协议的USB成熟接口电路组成。

3.6 其他设计

3.6.1 人机交互接口设计

人机交互接口主要包括2部分设计：1)显示屏的显示与信息的读取；2)键盘输入信息的处理。显示屏主要用来显示设备的相关信息(如电池剩余电量)、被测产品的相关信息(如工作模式、相应的参数测试结果)。用户由键盘输入的信息通过显示屏的信息读取来进行确认，该装置中显示屏的显示采取分类分页设计，不同的功能选择与设置对应不同的显示屏显示界面。按键的选通信号送到单片机的一个I/O口作为中断信号，从而引起单片机一个中断产生，单片机依据此中断进入相应的中断程序，控制选择不同的显示界面及工作模式，具体显示内容见图3所示。

图3 显示屏人机交互界面示意图(按时序分3阶段显示)

3.6.2 结构设计

基于航天器火工品发火试验中轻质化、小型化的设计思想，优化发火线路电子等效测试装置的重量体积，选用长方形壳体设计。壳体表面放置显示屏，下端为电池盒，电池采用手机上通用的小型锂电池，电池尺寸为59mm×46.2mm×5.2mm，电源开关、报警指示灯及USB接口置于前表面，按键开关置于右表面，连接测试信号输入输出端的连接器置于左表面，壳体内部剩余空间可放置电路板，结构外观如图4所示。

图4 发火线路电子等效测试装置结构示意图

4 功能验证

在航天器火工品发火试验中，将发火线路电子等效测试装置接入电缆网，选定工作模式后，利用航天器上火工品控制器发送起爆信号，待一个完整的测试周期结束后，发火线路电子等效测试装置上采集结果如图5所示。测试结束后，测试结果自动保存于设备内部，利用USB接口外接U盘，将测试数据拷贝到上位机上，读取测试结果如图6所示。后期可以利用matlab和Labview等通用上位机软件对测试数据进行分析，对测试数据波形进行直观显示。

图5 发火线路电子等效测试装置发火试验测试结果(按时序分3阶段显示)

图6 发火线路电子等效测试装置USB接口读取测试数据内容

由图5～6可以看出，发火线路电子等效测试装置在发火试验中可以代替真实火工品完成各项测试内容，并对发火线路中难以测到的特征参数进行全面测试。同时，该设备还具备发火后故障状态的模拟测试功能，可以较好的掌握各种情况下发火系统的工作状态，便于进行故障定位。总之，发火线路电子等效测试装置可以模拟最为真实的工作状态，安全可靠地实现发火试验全面测试的设计目的。

5 结论

航天器发火线路电子等效测试装置解决了发火测试中真实火工品不可重复使用、安全可靠性低、发火线路部分参数测试不到等技术难题。采用电子集成电路的设计方式，不仅有测试数据的高精度采集和直观显示的技术优势，还便于测试结果的保存和传输处理。此外，使用发火线路电子等效测试装置还具有降低测试成本、便于试验现场布局、减少测试人员数量、简化操作步骤、提高测试系统的工作可靠性和工作效率等优点。总之，采用发火线路电子等效测试装置完成航天器发火试验，对发火系统的工作稳定性的全面技术验证、对确保航天器能够顺利完成飞行任务具有重要意义。

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