一種星用火工品遙測電路故障分析及思考

火工品控制電路負(fù)責(zé)衛(wèi)星入軌后按既定要求（星上程控或地面遙控）起爆星上火工品，讓火工品約束的設(shè)備能夠正常解鎖、工作。星上火工品遙測電路作為火工品控制電路的重要組成，可以直接反映入軌初期星上各火工品起爆狀態(tài)。一旦發(fā)生故障將不利于入軌初期遙測數(shù)據(jù)的判讀與分析，特別是當(dāng)火工品所屬設(shè)備在軌發(fā)生故障時(shí)（比如太陽帆板展開失敗），由于火工品遙測數(shù)據(jù)的缺失或錯(cuò)誤，將會(huì)給后續(xù)在軌故障分析造成非常被動(dòng)的影響。

本文通過對(duì)星上一種火工品遙測電路故障的詳細(xì)分析，并對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)，以此來說明星上設(shè)備電路設(shè)計(jì)中不同屬性、地線隔離和接地的重要性。

1 星上常用火工品遙測電路

當(dāng)前，星上常用的火工品遙測電路主要有兩種：繼電器開關(guān)觸點(diǎn)遙測和起爆電流遙測。

繼電器開關(guān)觸點(diǎn)遙測通過將火工品控制電路中正端起爆控制開關(guān)（通常2 只電磁繼電器并聯(lián)）中2 付觸點(diǎn)串入分壓電路中，然后將分壓所得的4 ～ 5 V 遙測值輸入后端展寬電路，由展寬電路將遙測展寬到4 ～ 5 s，供星上綜電系統(tǒng)采集。

起爆電流遙測通過在火工品控制電路回線中增加霍爾電流傳感器，將其采集的火工品起爆電流遙測輸送到后端采樣保持電路，由采樣保持電路將其展寬到1.5 ～ 2 s，供綜電系統(tǒng)采集。

綜上，由于火工品起爆持續(xù)時(shí)間極短（一般幾毫秒），達(dá)不到星上綜電系統(tǒng)采集要求，所以上述兩種火工品遙測電路均有遙測展寬功能。不同點(diǎn)在于繼電器開關(guān)觸點(diǎn)遙測只能間接反映火工品起爆情況（起爆指令發(fā)出后正端起爆繼電器執(zhí)行情況，但不能證明整個(gè)起爆電路均工作正常），而起爆電流遙測能夠真實(shí)反映火工品起爆瞬間回路中起爆電流的準(zhǔn)確值，具有直觀性。

鑒于起爆電流遙測電路的優(yōu)點(diǎn)，除繼承性型號(hào)外，當(dāng)前衛(wèi)星火工品控制電路中遙測電路一般采用起爆電流遙測。

2 星上火工品遙測故障分析

某型號(hào)衛(wèi)星火工品控制電路正、負(fù)端均采用繼電器進(jìn)行控制，其中正端點(diǎn)火控制采用電磁繼電器，負(fù)端地線接通繼電器采用磁保持繼電器（該繼電器接通指令通星箭分離信號(hào)進(jìn)行鎖定，只有當(dāng)星箭分離后負(fù)端繼電器才能接通），該火工品控制電路遙測采用了繼電器開關(guān)觸點(diǎn)遙測方式。

地面測試過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)送模擬分離指令時(shí)（通過圖4 中模分繼電器實(shí)現(xiàn)），火工品遙測偶爾會(huì)出現(xiàn)誤遙測故障（未發(fā)送火工品起爆指令，卻存在火工品起爆遙測信號(hào)）。

經(jīng)初步分析，火工品遙測電路產(chǎn)生誤遙測現(xiàn)象可能是由于設(shè)計(jì)時(shí)接地不當(dāng)，將不同屬性地線直接連接造成的。

火工品地線接通指令鎖定電磁繼電器（通過星箭分離實(shí)現(xiàn)加斷電，詳見圖4 中K3、K4）線包負(fù)端和火工品遙測電路中遙測地直接連接，電磁繼電器斷電瞬間會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢，該反向電動(dòng)勢在地線上產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過內(nèi)部線路（下圖4 中標(biāo)紅線段）直接耦合到展寬電路中觸發(fā)器CC4013 Set 端，達(dá)到CC4013 芯片觸發(fā)條件（經(jīng)地面實(shí)際測量CC4013 最低觸發(fā)電壓約2.4 V，脈寬35 ns），導(dǎo)致火工品控制電路出現(xiàn)誤遙測故障。

為驗(yàn)證上述分析的正確性，通過示波器對(duì)原火工品遙測電路進(jìn)行測試。經(jīng)測量，電磁繼電器（K3、K4）斷電瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢約-1.4 V，該反向電動(dòng)勢引起的地線抖動(dòng)范圍-3.8 ～ 2.0 V，時(shí)間80 ns，為高頻干擾信號(hào)。

為獲取展開電路輸入端受干擾數(shù)據(jù)，測量了展開電路中觸發(fā)器CC4013 Set 端輸入波形。經(jīng)測量，在該干擾作用下，Set 端出現(xiàn)2.5 V，160 ns 的干擾信號(hào)，Q端（火工品遙測輸出端）確實(shí)存在誤遙測輸出。

圖5 繼電器斷電瞬間的反向電動(dòng)勢

圖6 反向電動(dòng)勢引起的地線干擾

圖7 CC4013 Set端和Q輸出端波形

圖8 地線干擾和Q輸出端波形

綜上，如果觸發(fā)器CC4013 Set 輸入端遙測地和繼電器線包供電負(fù)端在單機(jī)內(nèi)部直接連接，繼電器線包斷電瞬間產(chǎn)生的反電勢將對(duì)地線形成干擾，該干擾將耦合到觸發(fā)器CC4013 Set 端，會(huì)對(duì)其產(chǎn)生干擾，可能導(dǎo)致CC4013 Q 端誤觸發(fā)現(xiàn)象。

3 火工品遙測電路改進(jìn)

針對(duì)上述故障，對(duì)火工品遙測電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，主要措施如下：

1）改善接地方式。將火工品地線接通指令鎖定電磁繼電器（K3、K4）線包負(fù)線與展寬遙測地隔離設(shè)計(jì)，電磁繼電器K3、K4 負(fù)線直接連接到28 V 功率地（分流器功率輸出負(fù)線）上，2 個(gè)地線匯合點(diǎn)由配電器內(nèi)部移至分流器中（分流器負(fù)端為整星基準(zhǔn)地引出端），在整星基準(zhǔn)地處匯合，減小電磁繼電器（K3、K4）斷電瞬間對(duì)地線的干擾。

2）原展寬電路中觸發(fā)器CC4013 Set 端增加1 組濾波電容，提高觸發(fā)器抗干擾能力。

為驗(yàn)證上述更改的可行性，在初樣配電器中對(duì)火工品遙測展寬電路實(shí)施更改，并對(duì)更改后的火工品遙測電路進(jìn)行測試。

更改后的火工品遙測電路中模分繼電器反復(fù)執(zhí)行了50 次模擬分離指令，均未在觸發(fā)器CC4013 Q 端發(fā)現(xiàn)火工品遙測誤觸發(fā)現(xiàn)象，說明改進(jìn)后的電路抗干擾能力更強(qiáng)，能夠滿足衛(wèi)星使用要求。

地線隔離和增加濾波電路后的火工品遙測電路中觸發(fā)器CC4013 芯片測試波形如圖10 所示。

圖10 地線隔離后CC4013測試波形

4 問題的思考

接地是電路正常工作的基本要求之一，良好的接地可以抑制電磁噪聲；反之，不良的接地是電磁干擾傳播主要途徑，甚至接地本身也成為干擾源，導(dǎo)致電路不能正常工作。目前星上接地主要遵循如下原則：

1）供配電系統(tǒng)中一次母線負(fù)端在電源控制器（分流器）內(nèi)匯合在一起形成衛(wèi)星接地基準(zhǔn)，再通過接地線就近連接到星上接地樁，作為整星基準(zhǔn)地；

2）直接使用一次母線的設(shè)備，其供電都必須有專用的回線，回線不能通過星體結(jié)構(gòu)返回，需通過星上電纜網(wǎng)回到供配電單元；

3）星體各艙體設(shè)置區(qū)域接地樁，各接地樁之間彼此連接，再通過其中一個(gè)接地樁和整星基準(zhǔn)地相連；

4）除射頻單機(jī)二次地外，星上設(shè)備一、二次地需和單機(jī)機(jī)殼隔離，一、二次地之間也需隔離設(shè)計(jì)，功率地和遙測地在設(shè)備內(nèi)部盡量不共地，通過電纜網(wǎng)將匯合點(diǎn)放到靠近基準(zhǔn)地附近的單機(jī)中（比如電源控制器），減小功率地和遙測地之間串?dāng)_；

5）高壓母線體制，采取在基準(zhǔn)地和高壓母線回線間串接一個(gè)隔離電阻。為減小母線共模噪聲，可以在隔離電阻兩端并接旁路電容來改善，還可以在隔離電阻兩端并接熔斷絲，這樣在衛(wèi)星正常工作時(shí)處于硬接地狀態(tài)，降低共模噪聲；當(dāng)發(fā)生母線正端和星體結(jié)構(gòu)搭接時(shí)，熔斷絲斷路，衛(wèi)星處于軟接地狀態(tài)。

理想情況下，如果星上設(shè)備一、二次嚴(yán)格和機(jī)殼隔離且地線未就近接結(jié)構(gòu)地，整星地電流測試時(shí)，基準(zhǔn)接地線上（電源控制器和結(jié)構(gòu)上基準(zhǔn)接地樁間的接地線）地電流近乎為0，但星上存在射頻等設(shè)備二次地和機(jī)殼連接、二次地就近接區(qū)域地情況，所以實(shí)際測得的地電流不是理想狀態(tài)。根據(jù)以往多個(gè)型號(hào)測試情況，SAST1000 平臺(tái)和SAST3000 平臺(tái)在整星最大功率情況下，基準(zhǔn)接地線上存在約1.2 A、2.3 A 左右的地電流，而基準(zhǔn)接地線上的電流大于基準(zhǔn)接地樁上其他接地線上地電流之和，說明結(jié)構(gòu)上存在地電流（地電流的大小取決于二次地機(jī)殼及二次地就近接地單機(jī)數(shù)量）。所以整星接地設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量遵循上述5 條最基本原則，減小不同設(shè)備地線間串?dāng)_和結(jié)構(gòu)上的地電流，提高整星接地安全性和可靠性。

5 結(jié)束語

近些年，我國航天事業(yè)迅速發(fā)展，為滿足各種任務(wù)需求，星載設(shè)備接地方式越來越復(fù)雜，如果接地不當(dāng)將會(huì)引發(fā)許多問題。接地的合理性直接影響整星安全性和可靠性，已經(jīng)成為衛(wèi)星供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)?；谏鲜霈F(xiàn)狀，本文以某型號(hào)衛(wèi)星火工品遙測電路故障作為切入點(diǎn)，對(duì)其故障原因進(jìn)行分析及驗(yàn)證，進(jìn)而對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，通過此來說明星上設(shè)備接地的重要性，以期引起航天工程師對(duì)這方面更多的關(guān)注。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）