一種星用火工品遙測電路故障分析及思考

火工品控制電路負責衛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據的判讀與分析，特別是當火工品所屬設備在軌發(fā)生故障時(shí)（比如太陽(yáng)帆板展開(kāi)失?。?，由于火工品遙測數據的缺失或錯誤，將會(huì )給后續在軌故障分析造成非常被動(dòng)的影響。

本文通過(guò)對星上一種火工品遙測電路故障的詳細分析，并對其設計進(jìn)行針對性的改進(jìn)，以此來(lái)說(shuō)明星上設備電路設計中不同屬性、地線(xiàn)隔離和接地的重要性。

1 星上常用火工品遙測電路

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

繼電器開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)遙測通過(guò)將火工品控制電路中正端起爆控制開(kāi)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，供星上綜電系統采集。

起爆電流遙測通過(guò)在火工品控制電路回線(xiàn)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，供綜電系統采集。

綜上，由于火工品起爆持續時(shí)間極短（一般幾毫秒），達不到星上綜電系統采集要求，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(kāi)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確值，具有直觀(guān)性。

鑒于起爆電流遙測電路的優(yōu)點(diǎn)，除繼承性型號外，當前衛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

某型號衛星火工品控制電路正、負端均采用繼電器進(jìn)行控制，其中正端點(diǎn)火控制采用電磁繼電器，負端地線(xiàn)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進(jìn)行鎖定，只有當星箭分離后負端繼電器才能接通），該火工品控制電路遙測采用了繼電器開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)遙測方式。

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

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

火工品地線(xiàn)接通指令鎖定電磁繼電器（通過(guò)星箭分離實(shí)現加斷電，詳見(jiàn)圖4 中K3、K4）線(xiàn)包負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(xiàn)上產(chǎn)生的干擾信號通過(guò)內部線(xiàn)路（下圖4 中標紅線(xiàn)段）直接耦合到展寬電路中觸發(fā)器CC4013 Set 端，達到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），導致火工品控制電路出現誤遙測故障。

為驗證上述分析的正確性，通過(guò)示波器對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(xiàn)抖動(dòng)范圍-3.8 ～ 2.0 V，時(shí)間80 ns，為高頻干擾信號。

為獲取展開(kāi)電路輸入端受干擾數據，測量了展開(kāi)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2.5 V，160 ns 的干擾信號，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(xiàn)干擾

圖7 CC4013 Set端和Q輸出端波形

圖8 地線(xiàn)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(xiàn)包供電負端在單機內部直接連接，繼電器線(xiàn)包斷電瞬間產(chǎn)生的反電勢將對地線(xiàn)形成干擾，該干擾將耦合到觸發(fā)器CC4013 Set 端，會(huì )對其產(chǎn)生干擾，可能導致CC4013 Q 端誤觸發(fā)現象。

3 火工品遙測電路改進(jìn)

針對上述故障，對火工品遙測電路設計進(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(xiàn)接通指令鎖定電磁繼電器（K3、K4）線(xiàn)包負線(xiàn)與展寬遙測地隔離設計，電磁繼電器K3、K4 負線(xiàn)直接連接到28 V 功率地（分流器功率輸出負線(xiàn)）上，2 個(gè)地線(xiàn)匯合點(diǎn)由配電器內部移至分流器中（分流器負端為整星基準地引出端），在整星基準地處匯合，減小電磁繼電器（K3、K4）斷電瞬間對地線(xiàn)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。

為驗證上述更改的可行性，在初樣配電器中對火工品遙測展寬電路實(shí)施更改，并對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執行了50 次模擬分離指令，均未在觸發(fā)器CC4013 Q 端發(fā)現火工品遙測誤觸發(fā)現象，說(shuō)明改進(jìn)后的電路抗干擾能力更強，能夠滿(mǎn)足衛星使用要求。

地線(xiàn)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(xiàn)隔離后CC4013測試波形

4 問(wèn)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）供配電系統中一次母線(xiàn)負端在電源控制器（分流器）內匯合在一起形成衛星接地基準，再通過(guò)接地線(xiàn)就近連接到星上接地樁，作為整星基準地；

2）直接使用一次母線(xiàn)的設備，其供電都必須有專(zhuān)用的回線(xiàn)，回線(xiàn)不能通過(guò)星體結構返回，需通過(guò)星上電纜網(wǎng)回到供配電單元；

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

4）除射頻單機二次地外，星上設備一、二次地需和單機機殼隔離，一、二次地之間也需隔離設計，功率地和遙測地在設備內部盡量不共地，通過(guò)電纜網(wǎng)將匯合點(diǎn)放到靠近基準地附近的單機中（比如電源控制器），減小功率地和遙測地之間串擾；

5）高壓母線(xiàn)體制，采取在基準地和高壓母線(xiàn)回線(xiàn)間串接一個(gè)隔離電阻。為減小母線(xiàn)共模噪聲，可以在隔離電阻兩端并接旁路電容來(lái)改善，還可以在隔離電阻兩端并接熔斷絲，這樣在衛星正常工作時(shí)處于硬接地狀態(tài)，降低共模噪聲；當發(fā)生母線(xiàn)正端和星體結構搭接時(shí)，熔斷絲斷路，衛星處于軟接地狀態(tài)。

理想情況下，如果星上設備一、二次嚴格和機殼隔離且地線(xiàn)未就近接結構地，整星地電流測試時(shí)，基準接地線(xiàn)上（電源控制器和結構上基準接地樁間的接地線(xiàn)）地電流近乎為0，但星上存在射頻等設備二次地和機殼連接、二次地就近接區域地情況，所以實(shí)際測得的地電流不是理想狀態(tài)。根據以往多個(gè)型號測試情況，SAST1000 平臺和SAST3000 平臺在整星最大功率情況下，基準接地線(xiàn)上存在約1.2 A、2.3 A 左右的地電流，而基準接地線(xiàn)上的電流大于基準接地樁上其他接地線(xiàn)上地電流之和，說(shuō)明結構上存在地電流（地電流的大小取決于二次地機殼及二次地就近接地單機數量）。所以整星接地設計時(shí)，應盡量遵循上述5 條最基本原則，減小不同設備地線(xiàn)間串擾和結構上的地電流，提高整星接地安全性和可靠性。

5 結束語(yǔ)

近些年，我國航天事業(yè)迅速發(fā)展，為滿(mǎn)足各種任務(wù)需求，星載設備接地方式越來(lái)越復雜，如果接地不當將會(huì )引發(fā)許多問(wèn)題。接地的合理性直接影響整星安全性和可靠性，已經(jīng)成為衛星供配電系統設計的重要環(huán)節?；谏鲜霈F狀，本文以某型號衛星火工品遙測電路故障作為切入點(diǎn)，對其故障原因進(jìn)行分析及驗證，進(jìn)而對其設計進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)此來(lái)說(shuō)明星上設備接地的重要性，以期引起航天工程師對這方面更多的關(guān)注。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）