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摘 要：针对防空导弹使用环境，提出适用于防空导弹的电子安全系统方案，并对其工作原理、功能和解保过程进行阐述，重点对保险解除的激勵环境信号进行分析和设计。
关键词：电子安全与发火装置 过载传感器 解保时序 安全性
1 前言
电子安全系统的传爆序列可直接对正，传爆序列由电子开关实现电能隔断，系统在保险未解除之前不会给高压电容充电，因而冲击片雷管无起爆能量，整个系统是安全的。系统加电后依靠弹上至少两个独立的、唯一的环境信号的“阀值+时间窗+顺序”进行逻辑控制，实现电子安全系统的保险与解除保险控制。全电子安全系统主要建立在冲击片雷管技术的支撑之上，冲击片雷管只含有钝感猛炸药，通过使金属箔电爆驱动飞片高速撞击钝感炸药的方式起爆，见图1。
起爆冲击片雷管需要2kV以上电压对金属箔迅速放电，数十纳秒内产生约3kA左右电流方可使金属箔发生电爆，这种起爆能量在自然界条件下几乎不可能形成，所以冲击片雷管具有极高的安全性。与桥丝雷管相比，冲击片雷管可靠性高、安全性高、瞬发性能好，在面对恶劣的电磁环境（电磁脉冲干扰）和作战环境（撞击、枪击、火烧等）的适用性好，典型的冲击片雷管和桥丝雷管的起爆条件比较见表1所示。
自冲击片雷管与全电子安全系统概念提出后，美、英等国开始对全电子安全系统在武器系统上应用进行了广泛的研究，如PATTRIOT爱国者反导导弹、JAVELIN标枪地空导弹、AIM-9X空空导弹、AGM-114K反主动装甲的串联战斗部、德国的IRES-T空空导弹和南非的ADATER空空导弹等等。
国内相关单位自上世纪九十年代开始对全电子安全系统相关技术进行跟踪研究。经过多年的研究，在理论和实践方面突破许多关键技术，为多种类型的导弹研制了原理样机，部分配套产品已经完成定型，进入实际作战应用阶段。
2 适用于防空导弹的全电子安全系统方案设计
2.1 功能和组成
电子安全系统应具备如下功能：保险功能：为导弹提供保险，保证导弹在总装、测试、运输以及飞行初始段处于安全状态；保险解除功能：保证在导弹作战飞行过程中，根据设定的环境条件有序可靠地解除保险，接通无线电引信与战斗部之间的电路通道，使其处于待发状态；故障保险功能：在任意单独的解保条件、不满足设计的解保条件和紊乱的解保时序条件下，都不应解除保险，并使其处于故障保险状态；作战功能：在导弹保险解除后，当接收到引信动作电压、直接起爆/销毁信号时，通过引爆冲击片雷管引爆战斗部，完成导弹起爆、直接起爆/销毁；定时自毁功能：实现导弹定时自毁。
电子安全系统主要由加速度传感器组件、逻辑控制电路、自检电路、高压转换电路、触发电路、起爆电路、引爆组件等组成。加速度传感器组件敏感导弹发射时的过载，并导通过载开关；逻辑控制电路主要完成保险解除逻辑及时序控制；自检电路完成系统加电后的初始化和功能自检；高压转换电路在接收到逻辑控制电路的充电指令后将弹上供电转换为高压；触发电路在逻辑控制电路接收到起爆指令时，触发起爆电路放电，从而引爆冲击片雷管；起爆电路为高压转换电路的能量贮存电路；引爆组件为战斗部的初级起爆源，主要包括冲击片雷管和传爆药柱。
2.2 工作原理
全电子安全系统工作原理见图2所示。
全电子安全系统由两大部分组成，一部分是安全与解除保险的逻辑控制部分，第二部分是发火装置，逻辑控制部分包括两个分离的含有独立时钟的集成电路块、两个静态开关、一个动态开关，输入信号为两路环境信号，一路目标信号。电源电压为15V～32V。发火装置包括电压转换器、发火电路、高压起爆器等器件和线路。
导弹发射后，引信接通电源，两个集成块中的独立时钟开始工作，程序控制器提供不同的延时信号。静态开关1和静态开关2只有在检测到正常的发射信息时，才会分别接通。所谓正常发射信息，指的是信号幅值、持续时间及逻辑关系均符合预定的特征值。当目标传感器检测到目标信号时，并被控制电路确认后，动态开关启动，开始由低压向高压转换，并随时给发火电路中的电容器充电。充电过程即解除保险的过程。控制电路随时检测充电情况。当充到预定的电压时，引信即处于待发状态，高压转换及电容器充电随即停止，发火信号由触发电路给出。
为确保安全，两个控制电路块中的任何一个，都不能独立地使引信解除保险，动态开关与高压转换器被设计在一起，任何静态失效，如短路、断线等，都无法使高压转换器工作。
2.3 保险解除逻辑设计
根据防空导弹飞行环境，电子安全系统解除保险可以利用的激励条件包括：
a） 第1级保险解除激励——导弹脱落信号。导弹脱落信号为弹上比较重要的环境信号，该信号可以为做为逻辑控制组件的时钟基点，也可以作为保险解除过程中接通一道静态开关的信号。在实际工程设计当中，该信号为脱落插头上两个形成回路的无源触点，电子安全系统通过自加电的方式检测该信号的通断情况，当该信号为导通时，导弹未脱落，信号无效；当该信号由导通变为断开时，表示导弹脱落，信号有效，电子安全系统的逻辑控制组件开始工作，并接通一道保险开关。
b） 第2级保险解除激励——导弹飞行过载及持续时间。该信号是防空导弹飞行环境中的关键信号，不论是机电式安全系统，还是全电子安全系统，该信号是保险解除所必须利用的信号，因为该信号真实地、唯一地表征了防空导弹的飞行特征。某防空导弹在高温高海拔条件下进入杀伤区前的轴向飞行过载和飞抵低近界点的时间见图2所示，从图可以看出，导弹飞抵杀伤区低近界点的时间不小于T，则电子安全系统保险解除的时间不大于T。根据导弹在低温状态下的过载曲线和解保过载持续时间的需求，电子安全系统解除保险的门限过载可以设计为G，过载的持续时间可选合适的工程经验值，其余时间可用于解除第三级保险。
c） 第3级保险解除激励——安全距离信号。在导弹飞抵杀伤区近界之前，需要确保导弹足够的飞行距离，在该距离之外，战斗部即使爆炸也不会对人员和阵地产生影响，因此，将该距离定义为安全距离。导弹作战时，要求安全系统在安全距离和最小遭遇斜距之间解除保险，电子安全系统自身不具备判断导弹飞行距离的条件，可以利用中心信息处理器的导弹飞行距离大于某一个设计值的判断条件作为3级解保的信号，为了强化该解保信号，在判断导弹飞行距离的同时增加中心信息处理器对导弹轴向加速度进行若干时间长度的判断，为了显著地将该信号区别于弹上别的信号，将该信号定义为高压变换控制信号。 全电子安全系统保险解除逻辑见图所示。脱落信号、惯性过载及持续时间和高压转换控制信号为解除三级保险的三个约束条件。静态开关1、静态开关2和动态开关为通过硬件实现的硬开关，K1、K2、K3和K4为通过软件功能实现的软开关，K1表示静态开关1导通时，才对惯性过载及持续时间的信号进行采集及处理，△T1限定了过载及持续时间的时间点约束范围，当满足△T1时间窗要求时，导通开关K2。静态开关2导通条件下，执行△T2延迟时间，并导通K3开关，△T2为保证导弹飞行距离而增加的延迟时间窗，△T3为高压转换控制信号的输入时间窗，在该时间范围内接收到高压变换控制信号时导通K4开关。静态开关1、静态开关2和动态开关依次导通条件下，系统给高压组件充电，系统解除保险完毕，系统处于待发状态。
2.4 保险解除过程设计
适用于防空导弹的全电子安全系统保险解除过程设计：电子安执加电后，一定时间内自检完成，自检信息通过自检输出口传给中处器；电子安執完成自检后，当检查到电气系统脱落控制信号回路断开时，静态开关1导通；电子安执自脱落信号开始计时，执行T1感应导弹发射过载时间窗，当检测到导弹轴向过载大于G，且持续时间不小于一定值时，静态开关2导通，解除二级保险；电子安执执行T2延迟时间窗后，执行T3高压变换时间窗，当接收到中处器送来的高压变换控制信号时（发送时刻为导弹脱落后某时刻），动态开关开始工作，完成高压变换，三级保险解除，电子安执处于待爆状态；三级保险正常解除条件下，当电子安执收到引信动作电压或直接起爆/销毁信号时，电子安执利用该信号触发起爆组件引爆战斗部；三级保险正常解除条件下，飞行时间达到预定时间时，若电子安执未收到引信动作电压、直接起爆/销毁信号时，电子安执内部产生自毁信号，触发起爆组件引爆战斗部；在任意单独的解保条件、不满足设计的解保条件和解保时序紊乱等条件下，都不允许电子安执解除保险；电子安执断电一定时间后，安执恢复保险状态。
根据全电子安全系统的保险解除设计和工作原理，绘制全电子安全系统的保险解除时序见图所示。
2.5 电气接口及测试性设计
电子安执插座接口定义见表2。
产品性能测试要求如下：电子安执的起爆组件可拆卸，方便产品测试；单元测试项目覆盖产品全部功能节点的测试；综合测试免测试；
遥测项目覆盖产品解保时序的主要/关键功能节点的测试，遥测项目包括27V供电信号、脱落控制信号、一级保险解除信号、二级保险解除信号、高压变换控制信号、三级保险解除信号，信号变化范围为0V～5V，参数形式为TTL，采样周期不大于5ms。遥测信号脉宽根据实际需要确定。
关键词：电子安全与发火装置 过载传感器 解保时序 安全性
1 前言
电子安全系统的传爆序列可直接对正，传爆序列由电子开关实现电能隔断，系统在保险未解除之前不会给高压电容充电，因而冲击片雷管无起爆能量，整个系统是安全的。系统加电后依靠弹上至少两个独立的、唯一的环境信号的“阀值+时间窗+顺序”进行逻辑控制，实现电子安全系统的保险与解除保险控制。全电子安全系统主要建立在冲击片雷管技术的支撑之上，冲击片雷管只含有钝感猛炸药，通过使金属箔电爆驱动飞片高速撞击钝感炸药的方式起爆，见图1。
起爆冲击片雷管需要2kV以上电压对金属箔迅速放电，数十纳秒内产生约3kA左右电流方可使金属箔发生电爆，这种起爆能量在自然界条件下几乎不可能形成，所以冲击片雷管具有极高的安全性。与桥丝雷管相比，冲击片雷管可靠性高、安全性高、瞬发性能好，在面对恶劣的电磁环境（电磁脉冲干扰）和作战环境（撞击、枪击、火烧等）的适用性好，典型的冲击片雷管和桥丝雷管的起爆条件比较见表1所示。
自冲击片雷管与全电子安全系统概念提出后，美、英等国开始对全电子安全系统在武器系统上应用进行了广泛的研究，如PATTRIOT爱国者反导导弹、JAVELIN标枪地空导弹、AIM-9X空空导弹、AGM-114K反主动装甲的串联战斗部、德国的IRES-T空空导弹和南非的ADATER空空导弹等等。
国内相关单位自上世纪九十年代开始对全电子安全系统相关技术进行跟踪研究。经过多年的研究，在理论和实践方面突破许多关键技术，为多种类型的导弹研制了原理样机，部分配套产品已经完成定型，进入实际作战应用阶段。
2 适用于防空导弹的全电子安全系统方案设计
2.1 功能和组成
电子安全系统应具备如下功能：保险功能：为导弹提供保险，保证导弹在总装、测试、运输以及飞行初始段处于安全状态；保险解除功能：保证在导弹作战飞行过程中，根据设定的环境条件有序可靠地解除保险，接通无线电引信与战斗部之间的电路通道，使其处于待发状态；故障保险功能：在任意单独的解保条件、不满足设计的解保条件和紊乱的解保时序条件下，都不应解除保险，并使其处于故障保险状态；作战功能：在导弹保险解除后，当接收到引信动作电压、直接起爆/销毁信号时，通过引爆冲击片雷管引爆战斗部，完成导弹起爆、直接起爆/销毁；定时自毁功能：实现导弹定时自毁。
电子安全系统主要由加速度传感器组件、逻辑控制电路、自检电路、高压转换电路、触发电路、起爆电路、引爆组件等组成。加速度传感器组件敏感导弹发射时的过载，并导通过载开关；逻辑控制电路主要完成保险解除逻辑及时序控制；自检电路完成系统加电后的初始化和功能自检；高压转换电路在接收到逻辑控制电路的充电指令后将弹上供电转换为高压；触发电路在逻辑控制电路接收到起爆指令时，触发起爆电路放电，从而引爆冲击片雷管；起爆电路为高压转换电路的能量贮存电路；引爆组件为战斗部的初级起爆源，主要包括冲击片雷管和传爆药柱。
2.2 工作原理
全电子安全系统工作原理见图2所示。
全电子安全系统由两大部分组成，一部分是安全与解除保险的逻辑控制部分，第二部分是发火装置，逻辑控制部分包括两个分离的含有独立时钟的集成电路块、两个静态开关、一个动态开关，输入信号为两路环境信号，一路目标信号。电源电压为15V～32V。发火装置包括电压转换器、发火电路、高压起爆器等器件和线路。
导弹发射后，引信接通电源，两个集成块中的独立时钟开始工作，程序控制器提供不同的延时信号。静态开关1和静态开关2只有在检测到正常的发射信息时，才会分别接通。所谓正常发射信息，指的是信号幅值、持续时间及逻辑关系均符合预定的特征值。当目标传感器检测到目标信号时，并被控制电路确认后，动态开关启动，开始由低压向高压转换，并随时给发火电路中的电容器充电。充电过程即解除保险的过程。控制电路随时检测充电情况。当充到预定的电压时，引信即处于待发状态，高压转换及电容器充电随即停止，发火信号由触发电路给出。
为确保安全，两个控制电路块中的任何一个，都不能独立地使引信解除保险，动态开关与高压转换器被设计在一起，任何静态失效，如短路、断线等，都无法使高压转换器工作。
2.3 保险解除逻辑设计
根据防空导弹飞行环境，电子安全系统解除保险可以利用的激励条件包括：
a） 第1级保险解除激励——导弹脱落信号。导弹脱落信号为弹上比较重要的环境信号，该信号可以为做为逻辑控制组件的时钟基点，也可以作为保险解除过程中接通一道静态开关的信号。在实际工程设计当中，该信号为脱落插头上两个形成回路的无源触点，电子安全系统通过自加电的方式检测该信号的通断情况，当该信号为导通时，导弹未脱落，信号无效；当该信号由导通变为断开时，表示导弹脱落，信号有效，电子安全系统的逻辑控制组件开始工作，并接通一道保险开关。
b） 第2级保险解除激励——导弹飞行过载及持续时间。该信号是防空导弹飞行环境中的关键信号，不论是机电式安全系统，还是全电子安全系统，该信号是保险解除所必须利用的信号，因为该信号真实地、唯一地表征了防空导弹的飞行特征。某防空导弹在高温高海拔条件下进入杀伤区前的轴向飞行过载和飞抵低近界点的时间见图2所示，从图可以看出，导弹飞抵杀伤区低近界点的时间不小于T，则电子安全系统保险解除的时间不大于T。根据导弹在低温状态下的过载曲线和解保过载持续时间的需求，电子安全系统解除保险的门限过载可以设计为G，过载的持续时间可选合适的工程经验值，其余时间可用于解除第三级保险。
c） 第3级保险解除激励——安全距离信号。在导弹飞抵杀伤区近界之前，需要确保导弹足够的飞行距离，在该距离之外，战斗部即使爆炸也不会对人员和阵地产生影响，因此，将该距离定义为安全距离。导弹作战时，要求安全系统在安全距离和最小遭遇斜距之间解除保险，电子安全系统自身不具备判断导弹飞行距离的条件，可以利用中心信息处理器的导弹飞行距离大于某一个设计值的判断条件作为3级解保的信号，为了强化该解保信号，在判断导弹飞行距离的同时增加中心信息处理器对导弹轴向加速度进行若干时间长度的判断，为了显著地将该信号区别于弹上别的信号，将该信号定义为高压变换控制信号。 全电子安全系统保险解除逻辑见图所示。脱落信号、惯性过载及持续时间和高压转换控制信号为解除三级保险的三个约束条件。静态开关1、静态开关2和动态开关为通过硬件实现的硬开关，K1、K2、K3和K4为通过软件功能实现的软开关，K1表示静态开关1导通时，才对惯性过载及持续时间的信号进行采集及处理，△T1限定了过载及持续时间的时间点约束范围，当满足△T1时间窗要求时，导通开关K2。静态开关2导通条件下，执行△T2延迟时间，并导通K3开关，△T2为保证导弹飞行距离而增加的延迟时间窗，△T3为高压转换控制信号的输入时间窗，在该时间范围内接收到高压变换控制信号时导通K4开关。静态开关1、静态开关2和动态开关依次导通条件下，系统给高压组件充电，系统解除保险完毕，系统处于待发状态。
2.4 保险解除过程设计
适用于防空导弹的全电子安全系统保险解除过程设计：电子安执加电后，一定时间内自检完成，自检信息通过自检输出口传给中处器；电子安執完成自检后，当检查到电气系统脱落控制信号回路断开时，静态开关1导通；电子安执自脱落信号开始计时，执行T1感应导弹发射过载时间窗，当检测到导弹轴向过载大于G，且持续时间不小于一定值时，静态开关2导通，解除二级保险；电子安执执行T2延迟时间窗后，执行T3高压变换时间窗，当接收到中处器送来的高压变换控制信号时（发送时刻为导弹脱落后某时刻），动态开关开始工作，完成高压变换，三级保险解除，电子安执处于待爆状态；三级保险正常解除条件下，当电子安执收到引信动作电压或直接起爆/销毁信号时，电子安执利用该信号触发起爆组件引爆战斗部；三级保险正常解除条件下，飞行时间达到预定时间时，若电子安执未收到引信动作电压、直接起爆/销毁信号时，电子安执内部产生自毁信号，触发起爆组件引爆战斗部；在任意单独的解保条件、不满足设计的解保条件和解保时序紊乱等条件下，都不允许电子安执解除保险；电子安执断电一定时间后，安执恢复保险状态。
根据全电子安全系统的保险解除设计和工作原理，绘制全电子安全系统的保险解除时序见图所示。
2.5 电气接口及测试性设计
电子安执插座接口定义见表2。
产品性能测试要求如下：电子安执的起爆组件可拆卸，方便产品测试；单元测试项目覆盖产品全部功能节点的测试；综合测试免测试；
遥测项目覆盖产品解保时序的主要/关键功能节点的测试，遥测项目包括27V供电信号、脱落控制信号、一级保险解除信号、二级保险解除信号、高压变换控制信号、三级保险解除信号，信号变化范围为0V～5V，参数形式为TTL，采样周期不大于5ms。遥测信号脉宽根据实际需要确定。