直列式安全起爆系統(tǒng)電磁兼容性改善及安全性分析

施長(zhǎng)軍，周 濤，鄭 松，杜永龍，李公法

（1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065；2.機(jī)電工程與控制國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710065）

直列式安全起爆系統(tǒng)是國(guó)外20世紀(jì)70年代以來(lái)不斷研究、80年代迅速發(fā)展、90年代趨向成熟、21世紀(jì)推廣應(yīng)用的新一代最安全、最先進(jìn)的彈藥起爆系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的隔爆型安全系統(tǒng)相比有極好的安全性、高可靠性、較高的瞬發(fā)度和多點(diǎn)引爆同時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，是大型戰(zhàn)斗部最理想的起爆系統(tǒng)[1-3]。隨著電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，由電磁干擾、雷電、靜電導(dǎo)致的爆炸事故已成為武器系統(tǒng)的新危害[4-5]。而直列式安全起爆系統(tǒng)在解除保險(xiǎn)、恢復(fù)保險(xiǎn)過(guò)程中使用了多達(dá)百余計(jì)的電子線路元件，其中高壓轉(zhuǎn)化器產(chǎn)生諧波干擾，開(kāi)關(guān)、電容、二極管等容易對(duì)電子線路產(chǎn)生電磁干擾[6-7]，因而必須進(jìn)行電磁兼容性以及安全性分析，以滿足大型戰(zhàn)斗部高安全性、高可靠性的要求。

本文針對(duì)大型戰(zhàn)斗部用直列式安全起爆系統(tǒng)工作過(guò)程中電子電路、敏感易擾元件本身的電磁危害，以及在與彈電氣接口工作中電磁兼容性、電磁安全性等問(wèn)題，采用隔離屏蔽、瞬態(tài)電壓抑制器等方法有效地減少電磁危害，從而改善直列式安全起爆系統(tǒng)的電磁兼容性；并采用國(guó)軍標(biāo)電磁安全性方法，對(duì)直列式安全起爆系統(tǒng)在包裝、裸露、工作狀態(tài)下的電磁環(huán)境危害進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)估分析。該研究對(duì)直列式安全起爆系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1 直列式安全起爆系統(tǒng)電磁危害分析

1.1 直列式安全起爆系統(tǒng)

大型戰(zhàn)斗部用直列式安全起爆系統(tǒng)主要由安全起爆系統(tǒng)組件和爆炸序列組件組成，其組成框圖如圖1所示。其作用過(guò)程為：安全與解除保險(xiǎn)電路接收到多重解保信息，解除保險(xiǎn)之后，外置高壓電源給高壓起爆電容充電，電容充電后，起爆電路接收到起爆指令，觸發(fā)電路工作，高壓開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，高壓起爆電容器通過(guò)高壓開(kāi)關(guān)向沖擊片雷管放電，起爆沖擊片雷管，進(jìn)而起爆傳爆序列。

圖1 直列式安全起爆系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle diagram of in-line electronic safety and arming device

1.2 電磁危害分析

直列式安全起爆系統(tǒng)除了爆炸序列組件外，主要由電子線路、電子元器件組成，所以對(duì)外界電磁干擾特別是強(qiáng)電磁環(huán)境：彈上電氣工作時(shí)產(chǎn)生的涌浪電壓、電磁干擾、靜電等電磁危害尤其敏感，這種電磁危害直接影響到直列式安全起爆系統(tǒng)的工作可靠性和安全性。

電子安全起爆系統(tǒng)包含了電源系統(tǒng)、信息識(shí)別系統(tǒng)、低壓-高壓轉(zhuǎn)化系統(tǒng)等，包含了電源、開(kāi)關(guān)、繼電器、變壓器、二極管、插接件等電子元器件以及電子線路，通過(guò)測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，主要有以下的電磁危害隱患：（1）直列式安全起爆系統(tǒng)中的電子電路與彈上電氣接口工作時(shí)產(chǎn)生電磁干擾；（2）低壓-高壓升壓過(guò)程由于電流、電壓變化大容易產(chǎn)生大脈沖電磁干擾，以及變壓器、繼電器工作時(shí)本身產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)影響其他敏感的易擾元器件工作可靠性；（3）噪聲容易通過(guò)電子電路中的電子線路進(jìn)入系統(tǒng)，產(chǎn)生大量的諧波干擾；（4）敏感、易擾元器件在工作過(guò)程中，易產(chǎn)生脈沖電磁干擾，影響其工作可靠性，從而影響整個(gè)安全起爆系統(tǒng)的工作可靠性。

2 直列式安全起爆系統(tǒng)電磁兼容性改善

針對(duì)直列式安全起爆系統(tǒng)中全電子線路存在的電磁危害隱患，采用隔離屏蔽、增加瞬態(tài)電壓抑制器來(lái)抑制干擾源，切斷干擾路徑，提高直列式安全起爆系統(tǒng)抗電磁危害能力，以及直列式安全起爆系統(tǒng)的作用可靠性和安全性。

2.1 隔離屏蔽

2.1.1 隔離設(shè)計(jì)

針對(duì)直列式安全起爆系統(tǒng)的電子電路與彈上電氣接口工作時(shí)產(chǎn)生電磁干擾的問(wèn)題，在直列式安全起爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮電磁兼容性設(shè)計(jì)，采用隔離DC/DC電源模塊、數(shù)字隔離器、光耦等器件使電子電路與彈上電子設(shè)備完全隔離，降低接口工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾；同時(shí)將高壓電路單元和低壓電路單元在物理上完全隔離，防止解保時(shí)升壓電路輸出的高壓脈沖對(duì)其他電路造成影響；其次對(duì)整個(gè)直列式安全起爆系統(tǒng)采用屏蔽措施，減少電磁輻射干擾。

2.1.2 電子線路屏蔽

在電子線路布線時(shí)，晶振與微控制器引腳盡量靠近，利用金屬編織的屏蔽線將輸入以及輸出信號(hào)線屏蔽起來(lái)，利用金屬屏蔽板將信號(hào)回路進(jìn)行隔離，屏蔽干擾源；同時(shí)在印刷電路時(shí)，布線應(yīng)避免垂直布線，降低電子線路產(chǎn)生的高頻干擾問(wèn)題。在元器件自身電磁兼容改善的基礎(chǔ)上，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路采用線圈隔離的方法，以減少電磁干擾。

2.2 增加抑制器和電路回路

2.2.1 增加瞬態(tài)電壓抑制器

針對(duì)直列式安全起爆系統(tǒng)與彈接口工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾，在物理隔離屏蔽設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，所有的電源線和信號(hào)線，無(wú)論是輸入還是輸出，并聯(lián)合適的瞬態(tài)電壓抑制器，防止涌浪電壓、電磁干擾、靜電等瞬態(tài)高壓損壞直列式安全起爆系統(tǒng)的接口電路，同時(shí)有效減小導(dǎo)彈對(duì)直列式安全起爆系統(tǒng)的電磁干擾。

2.2.2 針對(duì)敏感性元器件增加電路回路

針對(duì)低壓-高壓升壓過(guò)程中以及元器件本身的電磁干擾等問(wèn)題，采取對(duì)電磁危害源變壓器、升壓驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行屏蔽的方式，以減少電磁干擾。首先對(duì)其干擾源自身進(jìn)行電磁兼容改善：變壓器、繼電器等在工作過(guò)程中由于dU/dt或者dI/dt變化大，產(chǎn)生不同程度的電磁干擾，采用增加二極管、電阻等方式實(shí)現(xiàn)電磁兼容改善。其抗電磁干擾原理如圖2所示。

圖2 變壓器、繼電器電磁兼容改善原理圖Fig.2 Improve methods of electromagnetic compatibility for transformer and relay

通過(guò)增加續(xù)流二極管、穩(wěn)壓二極管、電阻，可以消除斷開(kāi)線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾，屏蔽變壓器和繼電器自身產(chǎn)生的輻射干擾，從而減小電磁危害。

3 電磁安全性試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 電磁輻射

對(duì)電磁兼容性改善后的直列式安全起爆系統(tǒng)在包裝、裸露等狀態(tài)下，根據(jù)GJB 5292-2004電磁輻射試驗(yàn)方法進(jìn)行電磁輻射環(huán)境中安全性評(píng)估，輻射種類為A：10kHz～2MHz，（10V/m）；B：2MHz～18GHz，（50V/m）；測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1中在8種包括了裸露、包裝、加電、不加電以及正常工作狀態(tài)的測(cè)試條件下，雷管橋箔輸出情況均為正常。試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同狀態(tài)的電磁輻射條件下該系統(tǒng)正常作用，滿足戰(zhàn)斗部對(duì)直列式安全起爆系統(tǒng)在電磁輻射危害環(huán)境中具有較強(qiáng)的安全性需求。

表1 不同狀態(tài)條件的電磁輻射測(cè)試Tab.1 EMR testing on different condition

3.2 電磁干擾

對(duì)電磁兼容性改善后的直列式安全起爆系統(tǒng)在電磁干擾環(huán)境下，即存在干擾電纜信號(hào)、并降低信號(hào)完好性的電子噪音環(huán)境下，根據(jù)GJB 151A（152A）-1997進(jìn)行了8項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目，完成電磁干擾安全性能的評(píng)估，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 電磁干擾試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Testing result of EMI

測(cè)試結(jié)果表明：直列式安全起爆系統(tǒng)在進(jìn)行了電磁兼容改善后，滿足國(guó)軍標(biāo)GJB 151A-1997、GJB 152A-1997中的8項(xiàng)試驗(yàn)要求。

3.3 靜電放電

針對(duì)在操作、裝填等過(guò)程中由于人員操作引起的靜電放電不安全性問(wèn)題，根據(jù)GJB 573A-1998中方法601對(duì)電磁兼容性改善后的直列式安全起爆系統(tǒng)進(jìn)行了25kV的靜電放電危害性能測(cè)試。放電回路參數(shù)：人體放電形式，充電電壓為（25±5%）kV，電容量為（500±5%）pF，放電回路電感次數(shù)小于5。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 靜電放電試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Testing result of ESD

對(duì)直列式安全起爆系統(tǒng)（不含沖擊片雷管、導(dǎo)爆管、傳爆管）和沖擊片雷管進(jìn)行人體放電測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)量均為2發(fā)，每發(fā)產(chǎn)品放電沖擊3次，人體靜電放電試驗(yàn)后，經(jīng)委托方現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，直列式安全起爆系統(tǒng)和沖擊片雷管功能正常、外形完好。

4 結(jié)論

（1）本文針對(duì)直列式安全起爆系統(tǒng)在設(shè)計(jì)以及工作過(guò)程中產(chǎn)生的電磁危害問(wèn)題，通過(guò)采用隔離設(shè)計(jì)、電子線路屏蔽、輸入及輸出中增加瞬態(tài)電壓抑制器以及對(duì)敏感性元器件增加電路回路的方法，提高了敏感易擾元器件的抗干擾性能，切斷了干擾途徑，改善了直列式安全起爆系統(tǒng)的電磁兼容性，提高了直列式安全起爆系統(tǒng)的作用可靠性和安全性。

（2）對(duì)改善后的直列式安全起爆系統(tǒng)進(jìn)行了電磁安全性分析，發(fā)現(xiàn)直列式安全起爆系統(tǒng)在電磁輻射（EMR）、電磁干擾（EMI）、靜電放電（ESD）環(huán)境危害中，外形完好、系統(tǒng)功能正常，符合國(guó)軍標(biāo)涉及電磁安全性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在電磁危害環(huán)境中具有較強(qiáng)的安全性，滿足大型戰(zhàn)斗部對(duì)起爆系統(tǒng)電磁安全性的需求。

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