趙明，王雷

(北京電子工程總體研究所，北京　100854)

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測試、發(fā)控技術(shù)

地(艦)空導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)安全性設(shè)計*

趙明，王雷

(北京電子工程總體研究所，北京100854)

摘要：地(艦)空導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)作為導(dǎo)彈發(fā)射控制過程的核心裝備，安全性是一個非常重要的質(zhì)量特性。分析了發(fā)控系統(tǒng)存在的典型危險源，從系統(tǒng)總體設(shè)計、電氣設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟件設(shè)計等方面給出了安全性設(shè)計的要求和建議，并闡述了安全性設(shè)計和可靠性設(shè)計的辯證關(guān)系。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)彈；發(fā)控系統(tǒng)；危險源；系統(tǒng)安全性；電氣安全性；結(jié)構(gòu)安全性；軟件安全性

0引言

在工程上為了評價安全，常用“安全性”指標來度量安全的程度。航天產(chǎn)品安全性是指產(chǎn)品在使用、儲運、銷售等過程中，不發(fā)生導(dǎo)致人員死亡、健康惡化或設(shè)備財產(chǎn)損失的意外事件的能力[1-2]。對于安全性風險而言，控制風險方法的優(yōu)選順序是消除、替代、降低、限制和個人防護[3]，而安全性設(shè)計是從源頭降低安全性風險最經(jīng)濟、最本質(zhì)的手段。

地(艦)空導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)是地(艦)空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的重要組成部分，通過有線或者無線方式接收上級指(武)控系統(tǒng)的指令完成對多枚箱彈加電管理、射擊諸元參數(shù)裝訂、發(fā)射控制、發(fā)射裝置起豎調(diào)轉(zhuǎn)以及緊急情況處理等任務(wù)[4-5]。

導(dǎo)彈作為威力巨大的殺傷性武器，關(guān)系到設(shè)備與人員的安危。發(fā)射過程中的任何一個環(huán)節(jié)考慮不細致、設(shè)計不周全，都有可能導(dǎo)致非常嚴重的安全事故。2000年，俄制S-300導(dǎo)彈彈射后未及時打開發(fā)動機，從半空中砸回發(fā)射車；但是萬幸的是，該導(dǎo)彈并未爆炸。2013年，俄制“辛杜拉克沙克”潛艇的爆炸原因是由于潛艇人員錯誤裝載“俱樂部”導(dǎo)彈而造成的短路使?jié)撏П?，?dǎo)致18名船員全部死亡。

本文著重針對地(艦)空導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)的安全性設(shè)計進行論述。

1典型的系統(tǒng)危險分析

對于發(fā)控系統(tǒng)而言，分析和辨識發(fā)射控制過程中存在的危險源，從而確立發(fā)控系統(tǒng)的安全性關(guān)鍵項目，是有效進行發(fā)控系統(tǒng)安全性設(shè)計工作的前提。

導(dǎo)彈發(fā)射流程中，包含了系統(tǒng)自檢和初始狀態(tài)檢查、設(shè)置工作模式、導(dǎo)彈加電、發(fā)射裝置起豎調(diào)轉(zhuǎn)、參數(shù)裝訂和發(fā)射等各項具體工作。通過對各項工作內(nèi)容的進一步細化分解，辨識并確認了發(fā)控系統(tǒng)典型的安全性關(guān)鍵項目，如表1所示。

表1　安全性關(guān)鍵項目

2系統(tǒng)安全性總體設(shè)計

在進行發(fā)控系統(tǒng)安全性總體設(shè)計時，通常需要關(guān)注幾個重點：

2.1工作模式設(shè)計

通常系統(tǒng)會設(shè)置多種工作模式，以用于不同的工作場景。對于不同的工作模式，發(fā)射單元的連接狀態(tài)(真彈/模擬器)均有不同的要求，示例如表2所示。

表2　工作模式

發(fā)控系統(tǒng)應(yīng)能正確識別所屬發(fā)射單元的連接狀態(tài)(真彈/模擬器)，只有連接狀態(tài)與工作模式匹配正確時，方可允許讓系統(tǒng)進入該工作模式，以免出現(xiàn)在錯誤模式下誤發(fā)射導(dǎo)彈的安全事故。同時，連接狀態(tài)識別時應(yīng)采用不少于2種類型的識別方式進行識別和校驗，確保識別的正確性。

2.2射界范圍設(shè)計

對于某些特殊發(fā)射場景的系統(tǒng)而言，在發(fā)射時應(yīng)對導(dǎo)彈射界限制范圍進行判斷，只有在安全射界范圍內(nèi)時才構(gòu)成發(fā)射條件，確保導(dǎo)彈發(fā)射的安全性。

2.3發(fā)控時序設(shè)計

通常應(yīng)按照不同準備階段和發(fā)射階段分階段設(shè)計發(fā)控時序。

首先,需要保障導(dǎo)彈在發(fā)射前處于正常和安全狀態(tài)，進行各種射前檢查，一般包括發(fā)控系統(tǒng)初始狀態(tài)檢查、筒(箱)彈初始狀態(tài)檢查(含火工品點爆通路檢查)等，以確保進入發(fā)射程序時發(fā)控系統(tǒng)和導(dǎo)彈狀態(tài)正常，確保系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。

其次，應(yīng)定義一種發(fā)射的安全狀態(tài)，包括地面電源斷電、發(fā)控軟件狀態(tài)復(fù)位、導(dǎo)彈狀態(tài)復(fù)位等步驟，一旦導(dǎo)彈發(fā)射故障時，發(fā)控系統(tǒng)應(yīng)自動轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)，中止發(fā)射流程，確保導(dǎo)彈未離架時的安全。

3電氣安全性設(shè)計

在發(fā)控系統(tǒng)的電氣設(shè)計時，除一些常規(guī)的通用安全性設(shè)計外，結(jié)合發(fā)控系統(tǒng)的特點，還需要著重關(guān)注幾個方面：

3.1發(fā)射通道

一般針對每個發(fā)射通道設(shè)計獨立、隔離的電氣控制檢測通道，提高導(dǎo)彈發(fā)射的安全性，防止由于某一個發(fā)射通道出現(xiàn)故障導(dǎo)致整個發(fā)控系統(tǒng)癱瘓的情況出現(xiàn)。

3.2供電電源

供電電源一般應(yīng)進行輸入保護，如采取過壓、欠壓保護措施，發(fā)生過壓、欠壓時電源應(yīng)正常輸出。同時也應(yīng)具有輸出電壓過壓、輸出電流過流保護功能，通常保護方式為切斷輸出保護。保護點的設(shè)置需要綜合考慮，既不能過于靈敏，抑制高頻的脈沖干擾，確保不出現(xiàn)虛警；也不能過于遲緩，失去保護的實際意義。

電源設(shè)計時應(yīng)采取機箱外殼安全接地、輸入與輸出隔離、絕緣設(shè)計等有效設(shè)計措施，避免輸入/輸出對機殼短路、機殼帶電、輸入干擾影響輸出等危險因素。

此外，為防止彈上電池激活供電后電壓倒灌至地面電源，因此地面電源應(yīng)具有反向保護功能，防止彈上電池電壓倒灌。圖1為反向保護設(shè)計示意圖，V1為防倒灌二極管。

圖1　反向保護設(shè)計Fig.1　Protecting design for power supply

3.3火工品

火工品是一類小型、較敏感、裝有火炸藥的爆炸元件?；鸸て肥菍?dǎo)彈武器系統(tǒng)中最敏感的部分，因此，它的安全性直接影響著武器系統(tǒng)的安全性。其意外作用將可能引起整個武器系統(tǒng)的作用而帶來重大損失。

發(fā)控系統(tǒng)在射前會檢查火工品點爆通路狀態(tài)，在發(fā)射過程中會點爆火工品。一旦出現(xiàn)意外作用，將可能帶來重大損失。因此，設(shè)計時必須滿足各類火工品的安全性要求。

(1) 火工品點爆通路狀態(tài)檢查

對火工品點爆通路進行檢測時應(yīng)施加一個安全測試電流和測試時間[6]。安全測試電流由檢測激勵電源的電壓、限流電阻阻值和火工品內(nèi)阻等參數(shù)決定。通常安全測試電流應(yīng)控制在10mA以下，測試時間不大于1min；對于1A，1W，5min不發(fā)火的鈍感類電火工品，安全測試電流允許不超過50mA[7-8]。

其中，限流電阻應(yīng)設(shè)計為多個電阻串聯(lián)的形式，而且連接檢測激勵電源輸出正端必須有限流電阻。

(2) 火工品安全保險

對火工品激活電爆電路在保證可靠性的前提下，盡量采用容錯設(shè)計保證安全性，如發(fā)動機點火電路、電池激活電路一般應(yīng)具有多級串聯(lián)保險、防靜電、防電磁感應(yīng)等防誤起爆的措施。多級串聯(lián)保險應(yīng)由多種實現(xiàn)方式組成，電氣、機械、軟件方式聯(lián)鎖，例如圖2所示的軟件控制開關(guān)K1、發(fā)射裝置位置到位信號控制開關(guān)K2、人工控制保險插頭等。

(3) 火工品激活點爆

火工品能否正常激活點爆，取決于2個因素：激活時間和激活電流。在激活時間設(shè)計上應(yīng)滿足I級降額要求。激活電流通過點火電源串接限流電阻來實現(xiàn)，限流電阻值根據(jù)線路和火工品的內(nèi)阻進行選擇(禁止并聯(lián)方式實現(xiàn))，限流電阻功率也應(yīng)進行適應(yīng)性選擇，能夠承受瞬時大電流的反復(fù)多次沖擊。

在導(dǎo)彈轉(zhuǎn)彈上電池供電設(shè)計時，應(yīng)保證彈上電池和地面電源有一定時間的重合供電時間，確保彈上電池電壓正常后再切斷地面電源，使彈上設(shè)備在轉(zhuǎn)電過程中不受電源切換波動影響。

3.4熱發(fā)射方式下的短路防護

當導(dǎo)彈采用熱發(fā)射方式時，發(fā)動機尾焰從發(fā)射箱(筒)體尾部噴出，會造成發(fā)射箱(筒)內(nèi)部發(fā)控電纜燒蝕。發(fā)控電纜燒蝕會造成發(fā)控系統(tǒng)電路非正常短路，可能會引起整個發(fā)控系統(tǒng)過流保護、發(fā)控系統(tǒng)掉電，進而使得發(fā)射車癱瘓，武器系統(tǒng)無法對未離架導(dǎo)彈進行發(fā)射控制。

因此，為防止上述情況的出現(xiàn)，發(fā)控系統(tǒng)必須對電路燒蝕引發(fā)的短路采取防護措施。

圖2　火工品安全保險電路Fig.2　Circuit for protecting pyrotechnics

3.5應(yīng)急投擲

應(yīng)急投擲是導(dǎo)彈發(fā)射的一種特殊方式，是在危險情況下為保證人員和設(shè)備安全而對導(dǎo)彈進行的投放[9]。

其設(shè)計應(yīng)遵循幾個原則：

(1) 應(yīng)急投放所用組件應(yīng)與發(fā)控系統(tǒng)中的其他組件相互獨立；

(2) 應(yīng)急投放控制火工品激活應(yīng)有2級以上控制電路，確?；鸸て房刂瓢踩?；

(3) 應(yīng)急投放應(yīng)根據(jù)上級給出的專用命令進行控制；

(4) 應(yīng)急投放電路應(yīng)具備抗干擾能力。

4結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計

發(fā)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計除主要結(jié)構(gòu)的強度、剛度、抗振動、抗沖擊設(shè)計外，應(yīng)考慮如下幾個方面：

(1) 整個系統(tǒng)應(yīng)合理布局，盡量降低重心，且使安裝結(jié)構(gòu)均勻承重。

(2) 應(yīng)充分考慮吊裝、轉(zhuǎn)運的方便性和安全性，吊點設(shè)置合理、標識清晰。

(3) 功能不同的板卡、模塊應(yīng)具有防插錯功能，電氣接口連接部位應(yīng)有明顯的標識和防誤插的措施，如不同信號采用不同型號或不同鍵位的接插件，防止插錯對設(shè)備造成損害，以確保產(chǎn)品的安全性。

(4) 現(xiàn)場可更換單元應(yīng)保證拆裝方便并預(yù)留合理的拆裝維護空間，避免在周圍設(shè)計有銳角、突出部位和銳邊等危險結(jié)構(gòu)。

(5) 結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)進行去銳角、去毛刺處理，防止由于摩擦導(dǎo)致導(dǎo)線絕緣皮破損；電線、電纜的走線應(yīng)固定、定位，不應(yīng)在振動、沖擊下產(chǎn)生位移、摩擦或碰撞。

(6) 若安裝有風機，則應(yīng)設(shè)計風機保護罩，防止異物落入或防止人員操作時不慎將手深入風機內(nèi)部，導(dǎo)致人員受傷。

5軟件安全性設(shè)計

發(fā)控軟件作為發(fā)控系統(tǒng)的核心控制軟件，運行在發(fā)控系統(tǒng)的主控計算機內(nèi)。發(fā)控軟件的安全性設(shè)計水平直接決定了整個發(fā)控系統(tǒng)的安全性。

發(fā)控軟件安全性設(shè)計的主要目標是為軟件各個模塊定義一系列的策略，通過策略的運用能夠盡可能的降低軟件乃至系統(tǒng)失效的概率。通常發(fā)控軟件可以采用軟件自檢測、多版本非相似設(shè)計、故障封鎖區(qū)域、冗余體系結(jié)構(gòu)以及防御性程序設(shè)計等安全性設(shè)計策略[10-13]。

5.1軟件自檢測

軟件自檢測是指建立在軟件內(nèi)部的、主動性的故障管理和診斷，通常是針對系統(tǒng)或組件的某項功能開展的[10]。通過軟件自檢測，無需外接測試設(shè)備，能夠快速的判定發(fā)控軟件及整個發(fā)控系統(tǒng)的狀態(tài)是否滿足工作需求。

發(fā)控軟件中比較典型的軟件自檢測如下：

(1) 現(xiàn)場可更換單元的自檢測；

(2) 軟件運行過程中的實時監(jiān)測，監(jiān)控發(fā)控系統(tǒng)和導(dǎo)彈的狀態(tài)并實時報警；

(3) 利用箱彈模擬器能否正確完成發(fā)射流程測試。

5.2多版本非相似設(shè)計

多版本非相似設(shè)計是一種典型的實現(xiàn)容錯性的軟件設(shè)計方法。其運行模式是：多個獨立版本的軟件或者軟件模塊同時運行，如果運行結(jié)果一致則執(zhí)行后續(xù)操作；如果結(jié)果不一致則采取某種表決的方法來決定哪個結(jié)果是正確的[10]。其具有兩大特點：不同版本程序設(shè)計之間的獨立性、表決的合理性。

對于發(fā)控軟件的某些核心功能模塊，可以采用該方法。但需要注意的是，需要確保各版本的軟件是真正獨立的，通常情況下推薦僅在小而簡單的功能中使用多版本相似設(shè)計技術(shù)。

然后這種設(shè)計技術(shù)也有局限性，比如多版本增加了軟件的復(fù)雜度，直接導(dǎo)致軟件出錯概率的增加。因此多版本非相似設(shè)計技術(shù)在特定的場合能夠發(fā)揮很好的作用，但在應(yīng)用前需要認真做好評估工作。

5.3故障封鎖區(qū)域

阻止故障傳播的有效方法是建立故障封鎖區(qū)域。一種獲得故障封鎖區(qū)域的典型方法就是將不同的軟件模塊置于不同的且獨立的主機和硬件處理器上，或者通過特殊的硬件配置將多個獨立的故障封鎖區(qū)域置于同一個主機中[10]。

例如，發(fā)控軟件將工作過程中的數(shù)據(jù)和重要信息存儲于獨立的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，與程序存儲區(qū)進行物理隔離；同時，數(shù)據(jù)存儲軟件模塊與其他安全性關(guān)鍵模塊相互獨立，沒有耦合關(guān)系。即使數(shù)據(jù)存儲模塊功能出現(xiàn)異常，也不會影響到整個發(fā)控軟件乃至系統(tǒng)的正常工作。

5.4冗余體系結(jié)構(gòu)

冗余體系結(jié)構(gòu)是指有A，B2個版本的運行代碼。這2個版本無需對等運行。A版本軟件可以是一個高性能版本，是常規(guī)的軟件，滿足所有的功能、性能需求；B版本軟件是一個高安全性內(nèi)核，主要強調(diào)的是安全性，功能、性能指標可能有限制[10]。一旦A版本軟件出現(xiàn)異常，特別是出現(xiàn)影響安全性的故障和時效，B版本軟件則接管控制。

發(fā)控軟件在進行體系架構(gòu)設(shè)計時，可以考慮采取此種結(jié)構(gòu)方式，提升軟件及系統(tǒng)的整體安全性。

5.5防御性程序設(shè)計

防御性程序設(shè)計是確保軟件能很好地處理任何輸入的一種技術(shù)，也在發(fā)控軟件中應(yīng)用較為廣泛。它是設(shè)計用來專門阻止錯誤演變?yōu)槭?。錯誤有很多種類型，比如程序內(nèi)部邏輯錯誤、外部信息錯誤、硬件錯誤和操作錯誤等[10]。發(fā)控系統(tǒng)作為核心的作戰(zhàn)裝備，所處的戰(zhàn)場環(huán)境特別嚴酷、復(fù)雜，需要通過軟件設(shè)計保證能夠很好地處理任何情況。

對于射擊諸元參數(shù)的檢查就是防御性程序設(shè)計的一個典型例子，裝訂至導(dǎo)彈的發(fā)射諸元參數(shù)除通信協(xié)議中規(guī)定的校驗和值域判斷外，一般應(yīng)將導(dǎo)彈接收的參數(shù)回傳后與發(fā)送值進行逐一比對，確保裝訂參數(shù)的正確性。

另一個防御性程序設(shè)計的例子是導(dǎo)彈發(fā)射前必須設(shè)定一定的限制條件，比如彈上設(shè)備工作正常、射擊諸元參數(shù)裝訂正常、發(fā)射裝置起豎調(diào)轉(zhuǎn)到位等。只有所有的限制條件均滿足后，導(dǎo)彈發(fā)射功能(安全性關(guān)鍵程序)才允許被執(zhí)行。

對于需要人機交互的軟件，在操作員執(zhí)行關(guān)鍵功能時，應(yīng)提示關(guān)鍵注意事項，并采用提示框再次確認方式避免誤操作；要便于操作員用單一行為處理當前事務(wù)，使系統(tǒng)退出潛在不安全狀態(tài)，并恢復(fù)到某一安全狀態(tài)；軟件向操作人員提供的顯示信息、圖標、及其他人機交互方式必須清晰、簡明、且無二義性。

需要注意的是，用以處理缺陷、錯誤和故障的策略必須在軟件設(shè)計階段就要經(jīng)過深思熟慮。不管選擇何種策略，必須要保證一致性。所有的函數(shù)、模塊等都應(yīng)該使用相同的策略，除非有其他充足的理由。

6安全性設(shè)計與可靠性設(shè)計的關(guān)系

可靠性研究的對象是故障，安全性研究的對象是危險[14]。安全性和可靠性同為產(chǎn)品的固有屬性，安全性強調(diào)的是系統(tǒng)不發(fā)生事故的能力，而可靠性強調(diào)的是系統(tǒng)無故障工作的能力。開展安全性工作通常需要采取措施來消除或控制各類危險，而各種措施的可靠性將直接影響到系統(tǒng)的安全性。

另一方面，一個可靠的系統(tǒng)未必就一定安全?？煽啃詢H考慮產(chǎn)品執(zhí)行功能的能力，而安全性既需要考慮產(chǎn)品執(zhí)行規(guī)定功能的能力，還需要考慮在執(zhí)行功能的全過程中是否存在威脅設(shè)備和人員健康、生命的危險因素。

因此，在某些情況下，可靠性與安全性會發(fā)生矛盾。在某些情況下為了提高系統(tǒng)在某一方面的能力而采取相應(yīng)措施后，可能削弱其他方面的能力。例如圖3所示的電路，為了提高可靠性，在控制火工品激活回路通斷時，使用繼電器的2組開關(guān)進行并聯(lián)。2組開關(guān)中只要有一組開關(guān)正常閉合，就能夠點爆火工品，提高了任務(wù)可靠性；但安全性卻有所降低，只有當2組開關(guān)均斷開的情況下，電爆管才處于安全狀態(tài)。

設(shè)計師在開展安全性設(shè)計時，應(yīng)深刻理解和掌握安全性設(shè)計和可靠性設(shè)計的辯證關(guān)系，這樣在系統(tǒng)設(shè)計中才能全局考慮、權(quán)衡利弊，確立最合理的技術(shù)解決方案[15]。

圖3　火工品電路Fig.3　Pyrotechnics circuit

7結(jié)束語

本文從系統(tǒng)總體設(shè)計、電氣設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟件設(shè)計等幾個方面重點論述了地(艦)空導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)安全性設(shè)計內(nèi)容。在安全性設(shè)計的基礎(chǔ)上，需要通過分析、檢查、演示和試驗等安全性驗證方法，來確認其安全性設(shè)計的有效性和正確性；針對發(fā)現(xiàn)的問題和不足，不斷進行迭代完善，最終才能消除系統(tǒng)的危險或?qū)L險降低在可接受的范圍內(nèi)，確保發(fā)控系統(tǒng)壽命期內(nèi)的安全、可靠工作，實現(xiàn)“安全發(fā)射、無誤發(fā)射”。

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Safety Design of Surface (Ship) to Air Missile Launching System

ZHAO Ming，WANG Lei

(Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854,China)

Abstract:As a kernel device in the course of launching missile, safety of surface (ship) to air missile launching system is a very important quality characteristic. The typical dangerous sources of missile launching system are analyzed. In terms of general system design, electrical design, structural design and software design, the requests and advices of safety design are given. The dialectic relation of reliability and safety is expounded.

Key words:missile；launching system；danger source；system safety；electrical safety；structural safety；software safety

*收稿日期：2015-08-18；修回日期：2015-10-08

基金項目：有

作者簡介：趙明(1980-)，男，四川樂山人。高工，碩士，研究方向為導(dǎo)彈測發(fā)控技術(shù)。

通信地址：100854北京142信箱30分箱17號E-mail：buaazm2000@163.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.03.028

中圖分類號：TJ768.3

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2016)-03-0179-07