李奕新

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500)

1 引言

所謂彈用發(fā)動(dòng)機(jī)[1]，即巡航導(dǎo)彈、靶機(jī)和無人機(jī)所用的小型渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。無人機(jī)常用作高空偵察，靶機(jī)要模擬敵機(jī)的飛行和攻擊性能，而巡航導(dǎo)彈的主要用途是迅速攻擊目標(biāo)，突破敵人防區(qū)。故彈用發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)必須從起動(dòng)和加速快、可靠性高、使用壽命短、成本低、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)等方面進(jìn)行全面考慮。

彈用發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電氣系統(tǒng)[2]需要突破一般渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念，依據(jù)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)特的研制、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，突出一次性使用發(fā)動(dòng)機(jī)短壽命、低成本的要求，做到：①系統(tǒng)尺寸小，重量輕，可靠性高，可長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，維護(hù)和使用方便，發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間短，野戰(zhàn)機(jī)動(dòng)性好；②對(duì)各系列型號(hào)都使用的零、組件實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，研制時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)選用；③將系統(tǒng)分成若干功能模塊，每個(gè)模塊按預(yù)定的接口關(guān)系及特定的功能進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足各模塊接口要求，并在發(fā)動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分考慮模塊化的要求，以便通過更換輔件，使同一發(fā)動(dòng)機(jī)用于不同任務(wù)。因此，在開展小推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證的同時(shí)，需要同步研制出滿足彈用發(fā)動(dòng)機(jī)要求的起動(dòng)電氣系統(tǒng)，并完成系統(tǒng)關(guān)鍵附件和總體設(shè)計(jì)的技術(shù)驗(yàn)證。

2 彈用發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)電氣系統(tǒng)特點(diǎn)

彈用發(fā)動(dòng)機(jī)一般有地面壓縮空氣起動(dòng)、空中二次起動(dòng)和制式起動(dòng)等起動(dòng)方式，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是解決埋入式進(jìn)氣方式下的快速可靠起動(dòng)問題。要達(dá)到快速起動(dòng)就要向發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子額外輸入大功率的起動(dòng)扭矩，同時(shí)提供大能量點(diǎn)火源，以保證燃燒室內(nèi)燃油-空氣混合氣能可靠點(diǎn)燃，使發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)并加速到所需巡航狀態(tài)。對(duì)于小推力量級(jí)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火方式一般為煙火點(diǎn)火＋電點(diǎn)火，點(diǎn)火器選擇煙火點(diǎn)火器。因?yàn)闊熁瘘c(diǎn)火器具有能量大、點(diǎn)火可靠、重量較輕、成本較低等優(yōu)勢(shì)，但缺點(diǎn)是起動(dòng)機(jī)會(huì)只有一次。為保證動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性，必須制定合理可行的起動(dòng)電氣系統(tǒng)總體方案，為各起動(dòng)附件提供電源和制定準(zhǔn)確的起動(dòng)控制邏輯，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和點(diǎn)火要求。

3 起動(dòng)電氣系統(tǒng)組成

彈用發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)電氣系統(tǒng)主要由電源供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、電氣管路系統(tǒng)和電爆閥等組成，用于完成發(fā)動(dòng)機(jī)制式起動(dòng)、空中二次起動(dòng)等任務(wù)，同時(shí)向其它系統(tǒng)或?qū)椞峁╇娫春蛯?shí)現(xiàn)與其它系統(tǒng)的電信號(hào)聯(lián)系。其組成框圖見圖1。

圖1 起動(dòng)電氣系統(tǒng)組成框圖Fig.1 The start electrical system

4 設(shè)計(jì)方案

4.1 總體思路

彈用發(fā)動(dòng)機(jī)的制式起動(dòng)常用于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，這類發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)功率比較大，各轉(zhuǎn)子之間還有轉(zhuǎn)差的相互干擾，因此采用火藥起動(dòng)器較為可靠，可快速帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

制式起動(dòng)[3]利用火藥起動(dòng)器產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)庵苯哟祫?dòng)高壓渦輪葉片，帶動(dòng)高壓轉(zhuǎn)子，并在帶轉(zhuǎn)高壓轉(zhuǎn)子過程中點(diǎn)火，使發(fā)動(dòng)機(jī)在很短時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到預(yù)定的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。其特點(diǎn)是：高壓轉(zhuǎn)子的加速度非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靠起動(dòng)耦合的低壓轉(zhuǎn)子；煙火點(diǎn)火器和火藥起動(dòng)器的工作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它起動(dòng)方式的工作時(shí)間；起動(dòng)機(jī)會(huì)只有一次，要求燃燒室必須在煙火點(diǎn)火器工作期間被點(diǎn)燃，否則起動(dòng)失敗。為保證動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性，發(fā)動(dòng)機(jī)要有防止各種意外情況發(fā)生的設(shè)計(jì)措施，用于彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電氣系統(tǒng)必須為各起動(dòng)附件提供電源和制定準(zhǔn)確的起動(dòng)控制邏輯。起動(dòng)電氣系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的各種起動(dòng)控制，滿足導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)序要求；能適時(shí)、正確、安全、可靠地為發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)用電設(shè)備提供電能和傳輸信號(hào)；在導(dǎo)彈發(fā)射過程中，起動(dòng)電氣系統(tǒng)協(xié)同地面電源、測(cè)試設(shè)備等共同完成供電和射前檢查等發(fā)射前準(zhǔn)備工作；完成電源轉(zhuǎn)換，實(shí)施對(duì)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)；在彈用發(fā)動(dòng)機(jī)的研制、生產(chǎn)、儲(chǔ)存、使用過程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的火工品進(jìn)行測(cè)試檢查，以確保其性能和品質(zhì)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠地起動(dòng)。

根據(jù)這一特殊要求，彈用發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要在充分利用國(guó)內(nèi)已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)內(nèi)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)火工品技術(shù)，根據(jù)導(dǎo)彈控制時(shí)序和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)特征參數(shù)制定出起動(dòng)控制時(shí)序，通過試驗(yàn)驗(yàn)證和適度調(diào)整來確定時(shí)序的時(shí)間搭接量，實(shí)現(xiàn)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)的各種起動(dòng)控制，達(dá)到導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)序要求，保證其在各種規(guī)定環(huán)境條件和起動(dòng)方式下可靠工作。

4.2 起動(dòng)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.2.1 起動(dòng)控制方案

彈用發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)電氣系統(tǒng)的主要控制部件是起動(dòng)控制箱，它能可靠實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的制式起動(dòng)、空中起動(dòng)以及發(fā)電機(jī)電源與蓄電池之間的供電切換等邏輯與時(shí)序控制，其主要功能是在接收到數(shù)字電子控制器的相關(guān)指令時(shí)進(jìn)行電源切換，對(duì)火工品和高能點(diǎn)火器進(jìn)行供電，并向數(shù)字電子控制器返回各種工作信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能并滿足可靠性、控制精度等要求，起動(dòng)控制箱在火工品及高能點(diǎn)火器的控制設(shè)計(jì)上要求采用硬件雙余度備份的繼電器控制，上電工作時(shí)，雙路控制繼電器和輸出線路均為并行工作。繼電器的控制時(shí)序應(yīng)滿足其三種工作模式下的時(shí)序要求和控制精度。

根據(jù)起動(dòng)控制箱的功能特點(diǎn)，將其分成電源切換電路、繼電器執(zhí)行電路、火藥起動(dòng)器控制電路、高能點(diǎn)火器控制電路和2個(gè)煙火點(diǎn)火器控制電路等6個(gè)單獨(dú)的功能模塊，把強(qiáng)電和弱電分別獨(dú)立設(shè)計(jì)，有效減少了系統(tǒng)內(nèi)部的相互干擾，同時(shí)具有更高的可靠性和維修性。通過功能細(xì)化和控制邏輯組合各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。起動(dòng)控制箱原理框圖如圖2所示。

4.2.1.1 起動(dòng)控制邏輯的確定

圖2 起動(dòng)控制箱原理框圖Fig.2 The principle chart of the start control box

根據(jù)總體性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和起動(dòng)電氣系統(tǒng)的要求，首先應(yīng)確定發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中的控制邏輯，以便與數(shù)字電子控制器一道共同保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常起動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)制式起動(dòng)流程如圖3所示。

4.2.1.2 起動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

起動(dòng)控制箱的起動(dòng)控制電路包括火藥起動(dòng)器控制電路、高能點(diǎn)火器控制電路和2個(gè)煙火點(diǎn)火器控制電路?？刂葡鋵?duì)外輸出的控制指令(控制火工品及高能點(diǎn)火器)，在設(shè)計(jì)上采用雙路控制的輸電線路，雙路并行工作，實(shí)現(xiàn)雙余度控制；內(nèi)部控制電路以多種固體繼電器為核心，搭配關(guān)鍵邏輯控制電路來實(shí)現(xiàn)不同的功能?？刂葡鋬?nèi)每個(gè)模塊的輸入輸出信號(hào)分別連接到不同的航空連接器上，使各種不同的信號(hào)隔離，避免相互干擾。

4.2.1.3 起動(dòng)過程中供電/供電切換控制

起動(dòng)控制箱中設(shè)置供電切換接觸器，對(duì)應(yīng)控制電源正極，為常開狀態(tài)，由控制箱中專用固體繼電器控制。當(dāng)繼電器控制接觸器吸合時(shí)，起動(dòng)-發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈中的勵(lì)磁電流由發(fā)電機(jī)自身提供，并為其它負(fù)載設(shè)備供電，此時(shí)起動(dòng)-發(fā)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)；反之，接觸器脫開時(shí)，起動(dòng)-發(fā)電機(jī)停止為其它負(fù)載設(shè)備供電。

4.2.2 發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)常常通過電壓調(diào)節(jié)器[4]來改變其激磁，穩(wěn)定電壓。為了能在發(fā)動(dòng)機(jī)供電負(fù)載發(fā)生變化時(shí)保持發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)定，采用了碳片調(diào)壓器，把阻值可變的碳片電阻串聯(lián)在發(fā)動(dòng)機(jī)的并激繞組中，自動(dòng)調(diào)整激磁電流，如圖4所示。結(jié)構(gòu)上，碳片電阻除承受調(diào)定壓力的彈簧作用力外，還受有隨電機(jī)電壓改變的磁拉力。當(dāng)加在電磁鐵工作線圈上的電壓升高或降低時(shí)，流過電磁鐵線圈的電流隨之升降，碳片電阻兩端所承受的總壓力隨之減小或增大，碳片電阻的阻值也隨之增大或減小，使得發(fā)電機(jī)激磁繞組中的激磁電流發(fā)生變化，從而將發(fā)電機(jī)的輸出電壓調(diào)整到額定值。此外，電路中還采用了溫度補(bǔ)償電路和穩(wěn)壓器，以減小溫度變化對(duì)調(diào)壓裝置性能的影響。

4.2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電氣設(shè)備均采用金屬機(jī)殼結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上滿足以下要求：

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)制式起動(dòng)流程圖Fig.3 Flow chart of cartridge start

圖4 起動(dòng)-發(fā)電機(jī)調(diào)壓器電氣原理圖Fig.4 The principle chart of booster for starter/generator

(1)殼體屏蔽

繼電器等電氣元件被裝在金屬罩內(nèi)，目的是抑制或減少外界的干擾和內(nèi)部電磁能量的外泄。設(shè)計(jì)時(shí)采取了以下措施：①磁屏蔽體采用鋼或鐵鎳合金等高導(dǎo)磁率系數(shù)材料，用來隔磁及防止低頻干擾；②電磁屏蔽體采用鋼或鋁等低電阻金屬材料，主要防止高頻干擾，利用屏蔽體內(nèi)的感應(yīng)渦流抵消干擾磁通，對(duì)電磁能量具有吸收損耗和反射損耗兩種屏蔽效果；③屏蔽機(jī)殼不連接處的直流電阻大于2.5 MΩ。

(2)搭接

又稱結(jié)構(gòu)接地，它是導(dǎo)彈各金屬構(gòu)件之間以及彈上設(shè)備殼體與彈體之間的一種專門的低電阻電氣連接。以彈體作為基準(zhǔn)零電位，將設(shè)備殼體搭接在上面。搭接能有效抑制射頻干擾，保證系統(tǒng)電氣性能穩(wěn)定，防止雷擊、靜電放電和電擊對(duì)導(dǎo)彈造成危害。在發(fā)動(dòng)機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，規(guī)定搭鐵電阻一般為300～2000 μΩ。由于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的特殊性，對(duì)搭接有著更嚴(yán)格的要求，搭鐵電阻不大于300 μΩ，且點(diǎn)火電纜的防波套應(yīng)有搭鐵片，搭鐵片各點(diǎn)間距不大于250 mm。

4.2.4 電路抗干擾技術(shù)

(1)濾波

設(shè)計(jì)中采用低通濾波器，其結(jié)構(gòu)為一長(zhǎng)圓柱體，里面將一對(duì)電感線圈裝在一對(duì)鐵氧體磁環(huán)中，線圈兩邊各并聯(lián)1個(gè)圓片形穿心獨(dú)石電容，接電源的一端再并聯(lián)1對(duì)泄放電阻R2(見圖5)。使用時(shí)，點(diǎn)火器的2根發(fā)火線各串聯(lián)1個(gè)π型低通濾波器，呈并聯(lián)狀態(tài)(見圖6)。2個(gè)低通濾波器外還有1個(gè)圓筒形銅片防護(hù)罩作為共用線，且銅片與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體緊密接觸，構(gòu)成屏蔽結(jié)構(gòu)。

(2)接地

接地是為了在電路中建立以彈體為基準(zhǔn)點(diǎn)的導(dǎo)電通路。設(shè)計(jì)時(shí)，將接地系統(tǒng)中的電位減至最小，使接地電流最小，防止地電流在電路間流動(dòng)和相互作用。接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)不好時(shí)可能使寄生電壓或寄生電流耦合到電路和部件中，并降低屏蔽和濾波效果，引起難以隔離和解決的電磁干擾問題。設(shè)計(jì)中將發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、電子控制器機(jī)殼、控制箱殼體和“屏蔽地”四者按國(guó)軍標(biāo)相關(guān)要求進(jìn)行搭接，保證系統(tǒng)屏蔽接地。

圖5 點(diǎn)火器和射頻衰減電路圖Fig.5 The circuit diagram of portfire and radio-attenuator

圖6 低通濾波器使用狀態(tài)Fig.6 The using state of low-pass filter

5 結(jié)束語

本文較為系統(tǒng)地研究了某彈用發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，突破了基于制式起動(dòng)的彈用發(fā)動(dòng)機(jī)特有的關(guān)鍵技術(shù)，制定的起動(dòng)控制方案和起動(dòng)控制箱等關(guān)鍵附件的設(shè)計(jì)方案有效可行。另外，在設(shè)計(jì)中還充分考慮了系統(tǒng)的電磁兼容性和可靠性，在滿足系統(tǒng)功能、性能的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。本設(shè)計(jì)方案能實(shí)現(xiàn)各種工作模式下的時(shí)序要求和控制精度，滿足彈用發(fā)動(dòng)機(jī)使用需要。

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