譚正一+安豐增

摘要： 針對整體式固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)級試驗(yàn)需求， 設(shè)計(jì)了一套點(diǎn)火控制系統(tǒng)， 用以模擬彈載控制系統(tǒng)功能。 根據(jù)固沖發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)級技術(shù)特點(diǎn)， 明確了系統(tǒng)的功能和設(shè)計(jì)要求， 對系統(tǒng)的工作原理、 硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)等內(nèi)容做了詳細(xì)描述。 該系統(tǒng)充分考慮了不同轉(zhuǎn)級方式和異常應(yīng)急等情況， 具備地面轉(zhuǎn)級試驗(yàn)?zāi)芰Γ?為產(chǎn)品轉(zhuǎn)級性能評定和可靠性驗(yàn)證提供了有效的試驗(yàn)平臺。

關(guān)鍵詞： 固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)； 轉(zhuǎn)級； 點(diǎn)火控制； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號： V435文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 1673-5048（2016）04-0058-05

Abstract： For the requirement of transition test on integral solid propellant ducted rocket， an ignition control system is designed to simulate the control system on missile. According to the characteristics of solid propellant ducted rocket transition technology， the function and design requirements of the system are defined， and working principle， hardware structure and software design of the system are described in detail. The system has fully considered the different tranfer modes and the abnormal emergency response， and has the ability of ground transition test， which provides an effective test platform for the transition of rocket performance and reliability.

Key words： solid propellant ducted rocket； transition； ignition control； system design

0引言

整體式固沖發(fā)動機(jī)主要由助推-沖壓補(bǔ)燃室、 燃?xì)獍l(fā)生器、 進(jìn)氣道以及點(diǎn)火系統(tǒng)和轉(zhuǎn)級裝置等組成。 采用這種發(fā)動機(jī)的導(dǎo)彈在發(fā)射時(shí)， 首先由助推器產(chǎn)生的推力在較短的時(shí)間內(nèi)將導(dǎo)彈加速至沖壓發(fā)動機(jī)能夠正常工作的馬赫數(shù)， 通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)級控制系統(tǒng)， 將進(jìn)氣道入口和出口堵蓋打開， 空氣通過進(jìn)氣道減速增壓后進(jìn)入沖壓補(bǔ)燃室， 同時(shí)點(diǎn)燃燃?xì)獍l(fā)生器， 沖壓發(fā)動機(jī)開始工作[1-2]。

轉(zhuǎn)級裝置是固沖發(fā)動機(jī)的重要組成部分， 關(guān)系著發(fā)動機(jī)能否實(shí)現(xiàn)從助推向沖壓的成功轉(zhuǎn)換， 是保證固沖發(fā)動機(jī)正常工作的先決條件[3]。

轉(zhuǎn)級裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 在研制初期， 需在地面進(jìn)行大量轉(zhuǎn)級試驗(yàn)。 在地面試驗(yàn)中， 轉(zhuǎn)級裝置的起爆則由地面轉(zhuǎn)級點(diǎn)火控制系統(tǒng)完成。 根據(jù)轉(zhuǎn)級試驗(yàn)需求， 本文設(shè)計(jì)了一套地面點(diǎn)火控制系統(tǒng)， 用以模擬彈載計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)級控制功能。 系統(tǒng)使用NI公司高性能控制器配備高精度數(shù)據(jù)采集卡及D/A板， 運(yùn)用LabVIEW RT軟件， 開發(fā)了一個(gè)經(jīng)濟(jì)、 可靠的基于PC機(jī)和PXI嵌入式控制器的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

1轉(zhuǎn)級試驗(yàn)控制條件

轉(zhuǎn)級裝置的驅(qū)動一般采用火工品點(diǎn)火/起爆方式來進(jìn)行， 轉(zhuǎn)級方式采用程控方式， 利用傳感器感知過載或助推-沖壓補(bǔ)燃室壓強(qiáng)， 當(dāng)參數(shù)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)級條件時(shí)， 點(diǎn)火系統(tǒng)通過程序控制起爆轉(zhuǎn)級執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 完成轉(zhuǎn)級[4-6]。

航空兵器2016年第4期譚正一等： 固沖發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)級試驗(yàn)點(diǎn)火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)級條件一般由發(fā)動機(jī)助推器信號特征與工作時(shí)間等條件共同決定， 條件全部滿足時(shí)才能進(jìn)行轉(zhuǎn)級。 選取轉(zhuǎn)級信號源時(shí)， 通常要選擇容易辨別、 測試、 記錄和處理的參數(shù)。 助推器工作結(jié)束主要表現(xiàn)為燃燒室壓強(qiáng)、 發(fā)動機(jī)推力、 導(dǎo)彈軸向過載迅速下降等[7]。 地面轉(zhuǎn)級試驗(yàn)一般通過判斷助推補(bǔ)燃室實(shí)測壓強(qiáng)與工作時(shí)間兩個(gè)條件來控制轉(zhuǎn)級程序， 轉(zhuǎn)級控制條件示意圖如圖1所示。

轉(zhuǎn)級判斷條件中， 重要的特征參數(shù)有： 試驗(yàn)前預(yù)設(shè)助推器工作初始壓強(qiáng)P1； 峰值預(yù)估值Pmax； 轉(zhuǎn)級壓強(qiáng)P2； 發(fā)動機(jī)助推器工作時(shí)間預(yù)估值ta（一般根據(jù)產(chǎn)品特性決定）。

試驗(yàn)時(shí)， 轉(zhuǎn)級點(diǎn)火控制系統(tǒng)發(fā)出助推器點(diǎn)火信號， 為時(shí)間零點(diǎn)； 當(dāng)壓強(qiáng)超過P1時(shí)， 表示助推器成功點(diǎn)火并開始工作， 時(shí)間為t1； 當(dāng)壓強(qiáng)升高并超過Pmax， 接著壓強(qiáng)開始下降的過程， 表示助推器正常工作； 當(dāng)壓強(qiáng)低于轉(zhuǎn)級點(diǎn)設(shè)定值P2時(shí)， 表示助推器工作完畢， 準(zhǔn)備轉(zhuǎn)入沖壓工作段， 時(shí)間為t2； 為避免測量信號干擾引起的誤觸發(fā)， 同時(shí)要判斷助推器工作時(shí)間Δt是否大于ta， 條件均滿足， 點(diǎn)火控制系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)級動作： 轉(zhuǎn)級控制系統(tǒng)分別在t2， t3， t4時(shí)刻完成進(jìn)氣道入口堵蓋打開、 出口堵蓋打開、 燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火。

在助推器工作完畢沒有正常轉(zhuǎn)級時(shí)， 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了超時(shí)強(qiáng)制轉(zhuǎn)級功能， 超時(shí)時(shí)間由ta及試驗(yàn)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)功能

完成固沖發(fā)動機(jī)助推器點(diǎn)火， 同時(shí)采集燃燒室壓強(qiáng)（2路）， 并按轉(zhuǎn)級條件或時(shí)序完成進(jìn)氣道入口堵蓋（2路）、 出口堵蓋（2路）、 燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火， 點(diǎn)火方式采用恒流源點(diǎn)火， 即能保障6路點(diǎn)火電流可程控輸出的要求。 系統(tǒng)同時(shí)具備點(diǎn)火參數(shù)測量、 顯示、 記錄和分析功能。

2.2系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)級點(diǎn)火控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場條件采用上下位機(jī)形式， 上位機(jī)為一臺高性能工控機(jī)， 下位機(jī)為一臺PXI嵌入式控制器， 數(shù)據(jù)通訊采用光纖以太網(wǎng)。 系統(tǒng)按功能主要由控制模塊、 點(diǎn)火模塊、 測量模塊和人機(jī)交互模塊組成。

控制模塊主要由PXI嵌入式控制器、 定時(shí)計(jì)數(shù)板、 D/A板、 A/D板及控制電路組成； 點(diǎn)火模塊主要由恒流源及點(diǎn)火電路組成； 測量模塊主要由信號感應(yīng)傳感器、 測量電路及調(diào)理單元組成； 人機(jī)交互模塊主要由上位機(jī)應(yīng)用軟件和控制臺面板兩部分組成， 分別對相關(guān)狀態(tài)信息做顯示監(jiān)控， 如圖2所示。

2.3模塊設(shè)計(jì)

2.3.1主控臺

主控臺用于遠(yuǎn)程控制， 由點(diǎn)火控制柜配備一臺高性能工業(yè)控制機(jī)組成， 控制柜安裝點(diǎn)火控制按鈕、 應(yīng)急按鈕、 安全鎖控開關(guān)以及部分狀態(tài)指示燈。 主控計(jì)算機(jī)選用一臺高性能研華工控機(jī)， 內(nèi)嵌Intel四核CPU， 4G內(nèi)存， 通過光纖以太網(wǎng)與下位機(jī)連接。

2.3.2控制模塊

控制模塊為系統(tǒng)“大腦”， 控制核心為一臺高性能PXI嵌入式控制器， 型號為PXI-8110， 是基于Intel Core 2 Quad Q9100的高性能嵌入式控制器， 其可靠的性能非常適合高性能模塊化儀器與數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。 同時(shí)， 8110內(nèi)嵌Real-Time Embedded SW模塊， 配備八槽PXI機(jī)箱PXI-1042， 16通道隔離型A/D板PXI-6232， 8通道定時(shí)計(jì)數(shù)器板PXI-6602， 16路電壓/電流輸出D/A板PXI-6704等附件， 滿足了6路點(diǎn)火電流控制及2路壓強(qiáng)信號采集需求， 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)級點(diǎn)火時(shí)序精確控制。

2.3.3點(diǎn)火模塊

點(diǎn)火模塊是執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 由點(diǎn)火電源、 點(diǎn)火時(shí)序控制電路、 點(diǎn)火安全保護(hù)電路、 點(diǎn)火參數(shù)測量電路等組成。

（1） 點(diǎn)火電源

系統(tǒng)點(diǎn)火方式為恒流點(diǎn)火， 按使用要求， 選用供電精度高、 穩(wěn)定性好、 易于控制的TDK-Lambda直流電源。

（2） 點(diǎn)火時(shí)序控制電路

點(diǎn)火時(shí)序控制是系統(tǒng)的關(guān)鍵， 由點(diǎn)火控制程序控制PXI板卡的I/O輸出產(chǎn)生， 控制點(diǎn)火線路上的三個(gè)繼電器動作， 完成點(diǎn)火。 點(diǎn)火時(shí)， I/O口輸出信號由低電平變?yōu)楦唠娖剑?經(jīng)驅(qū)動， 控制固態(tài)繼電器K7動作， 然后控制供電主回路固態(tài)繼電器K1和K11動作， 實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載斷電和點(diǎn)火電阻供電， 同時(shí)輸出點(diǎn)火時(shí)統(tǒng)信號。 點(diǎn)火控制電路及安全保護(hù)電路原理圖如圖3所示。

點(diǎn)火時(shí)序控制電路通過PXI的定時(shí)計(jì)數(shù)器板卡來實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制， 利用其定時(shí)器實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火延遲時(shí)間的程控設(shè)置和不同時(shí)序的組合點(diǎn)火。

點(diǎn)火控制繼電器選擇固態(tài)繼電器， 其主要優(yōu)點(diǎn)是動作時(shí)間快、 觸點(diǎn)功率大。 固態(tài)繼電器選用漏電流小、 動作時(shí)間短的產(chǎn)品。 每路點(diǎn)火繼電器數(shù)量為2個(gè)， 1個(gè)用于控制加電點(diǎn)火， 另外1個(gè)用于控制恒流源外接負(fù)載。

（3） 點(diǎn)火安全保護(hù)電路

點(diǎn)火安全保護(hù)是系統(tǒng)的重要功能， 點(diǎn)火控制系統(tǒng)一旦失效或點(diǎn)火產(chǎn)生誤動作， 會危及到試驗(yàn)測試人員的生命， 且直接經(jīng)濟(jì)損失巨大[8]。

由圖3可見， 鎖控開關(guān)和應(yīng)急開關(guān)是保障點(diǎn)火安全的兩道屏障。 鎖控開關(guān)為三組觸點(diǎn)， 其中兩組串接控制固態(tài)繼電器K7供電， 另一組控制兩個(gè)電磁繼電器供電。 點(diǎn)火電流輸出線路由繼電器控制， 鎖控開關(guān)和應(yīng)急開關(guān)在點(diǎn)火回路串接后， 控制繼電器電源5 V供電， 在正常使用時(shí)必須打開安全鎖控開關(guān)才能夠加電， 出現(xiàn)異常時(shí)， 按下應(yīng)急開關(guān)可切斷繼電器電源供電， 實(shí)現(xiàn)切斷恒流源輸出的目的。 兩處安全保護(hù)開關(guān)均采用兩級開關(guān)冗余設(shè)計(jì)， 確保系統(tǒng)不會因故障或意外出現(xiàn)短路情況。

（4） 點(diǎn)火參數(shù)測量電路

點(diǎn)火電阻測量采用兩線制方式測量， 通過測量線路電流與電壓值間接計(jì)算出電阻值。 測試需要的電流利用D/A板塊提供的電流輸出， D/A板塊型號為PXI-6704， 16路電流輸出在0～20 mA的范圍內(nèi)可任意設(shè)定。 系統(tǒng)按安全要求設(shè)定板卡輸出不超過10 mA， 確保了點(diǎn)火電路的安全可靠。 點(diǎn)火電阻兩端電壓通過A/D板卡進(jìn)行采集。

點(diǎn)火電流測量采用非接觸式測量方法， 電流傳感器選用霍爾電流傳感器， 被測電流穿心輸入， 輸入和輸出隔離， 輸出響應(yīng)速度快， 測量精度高。

點(diǎn)火電阻、 電流、 補(bǔ)燃室壓強(qiáng)以及應(yīng)急信號通過數(shù)據(jù)測量模塊采集， 各種信號首先通過調(diào)理單元， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換、 光電隔離、 信號放大等功能， 然后由M系列多功能采集板PXI-6232進(jìn)行采集。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件分為兩部分， 即上位機(jī)的人機(jī)界面軟件和下位機(jī)實(shí)時(shí)控制軟件。 上位機(jī)軟件的功能是控制參數(shù)輸入、 數(shù)據(jù)顯示及處理、 故障報(bào)警顯示等； 下位機(jī)實(shí)時(shí)控制軟件完成參數(shù)測量、 數(shù)據(jù)存儲、 點(diǎn)火時(shí)序執(zhí)行、 點(diǎn)火電流實(shí)時(shí)控制等。

上位機(jī)軟件在Windows XP平臺下， 利用LabVIEW編程， LabVIEW是一種基于圖形開發(fā)、 調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境， 是第一個(gè)借助于虛擬面板用戶界面和方框圖建立虛擬儀器的圖形程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)， 編程方便， 人機(jī)交互界面直觀友好， 是面向測試工程師的軟件平臺[9]。

下位機(jī)實(shí)時(shí)控制軟件是在Windows XP平臺下進(jìn)行LabVIEW RT編程， 然后下載到嵌入式控制器中。 在LabVIEW RT系統(tǒng)中通過軟件總體結(jié)構(gòu)的合理布局， 利用一個(gè)實(shí)時(shí)控制器， 可以完成多個(gè)實(shí)時(shí)控制任務(wù)， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對多通道數(shù)據(jù)采集、 存儲， 降低了成本又節(jié)省了開發(fā)時(shí)間[10-11]。

3.1軟件模塊功能

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)， 以增加軟件的靈活性， 提高軟件的整體效率。 上位機(jī)程序按功能分為主界面、 系統(tǒng)自檢、 參數(shù)設(shè)置、 通道配置、 文件傳輸、 數(shù)據(jù)分析等子模塊。

（1） 主界面

主界面是完成系統(tǒng)功能的主要模塊， 具有點(diǎn)火參數(shù)與輔助系統(tǒng)狀態(tài)自動采集和顯示、 電阻檢測、 點(diǎn)火啟動等功能， 軟件主界面如圖4所示。

（2） 系統(tǒng)自檢

軟件運(yùn)行時(shí)， 用戶可選擇系統(tǒng)自檢， 自檢程序讀取各模塊的自檢反饋信號并顯示， 主要用于監(jiān)視系統(tǒng)各模塊運(yùn)行狀態(tài)和故障定位， 在出現(xiàn)故障時(shí)能直接定位故障位置。

（3） 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置主要根據(jù)試驗(yàn)需求， 對點(diǎn)火方式、 轉(zhuǎn)級方式、 轉(zhuǎn)級條件、 點(diǎn)火時(shí)序等進(jìn)行設(shè)置。

（4） 通道配置

通道配置模塊用于對各測量通道進(jìn)行命名， 便于數(shù)據(jù)監(jiān)視及分析， 試驗(yàn)前根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置。 通道配置使用動態(tài)事件的方法， 可以交互式創(chuàng)建、 修改配置文件。

（5） 文件傳輸

點(diǎn)火參數(shù)由下位機(jī)完成測量及存儲， 上位機(jī)在試驗(yàn)完畢后需從下位機(jī)讀取， 以便于對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理。

（6） 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析模塊是對試驗(yàn)后期數(shù)據(jù)的再現(xiàn)和分析， 實(shí)現(xiàn)了曲線顯示、 濾波、 曲線移動、 局部放大縮小、 單雙光標(biāo)讀數(shù)等功能。

3.2軟件流程

試驗(yàn)前， 運(yùn)行上、 下位機(jī)程序， 使程序處于等待狀態(tài)。

上位機(jī)程序運(yùn)行后自動讀取配置文件， 然后進(jìn)入主界面， 在主界面可以根據(jù)試驗(yàn)需求完成以下操作： 系統(tǒng)自檢、 系統(tǒng)校準(zhǔn)、 參數(shù)設(shè)置、 通道配置、 文件傳輸及數(shù)據(jù)分析。 參數(shù)設(shè)置是針對本次試驗(yàn)需求進(jìn)行操作的重要步驟， 設(shè)置完畢即可進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)； 下位機(jī)程序運(yùn)行后讀取上位機(jī)設(shè)定的點(diǎn)火信息， 然后進(jìn)入待命狀態(tài)。

試驗(yàn)中， 系統(tǒng)接收各輔助系統(tǒng)準(zhǔn)備狀態(tài)， 當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)， 即可進(jìn)入點(diǎn)火程序， 此時(shí)上位機(jī)程序向下位機(jī)下達(dá)點(diǎn)火指令， 下位機(jī)按點(diǎn)火設(shè)置逐項(xiàng)執(zhí)行并向上位機(jī)發(fā)送點(diǎn)火信息。 下位機(jī)首先判斷是否帶助推器點(diǎn)火， 在有助推器點(diǎn)火的情況下， 先完成助推器點(diǎn)火， 然后判斷轉(zhuǎn)級方式， 若為按條件轉(zhuǎn)級， 則點(diǎn)火單元按所測補(bǔ)燃室壓強(qiáng)進(jìn)行判斷， 條件滿足， 進(jìn)行轉(zhuǎn)級點(diǎn)火； 若為按時(shí)序轉(zhuǎn)級， 則按設(shè)定時(shí)序完成轉(zhuǎn)級點(diǎn)火； 在沒有助推器情況下， 直接按設(shè)定時(shí)序完成轉(zhuǎn)級點(diǎn)火。 上位機(jī)在整個(gè)點(diǎn)火過程中處于監(jiān)視狀態(tài)， 不斷接收點(diǎn)火信息， 并進(jìn)行判斷， 當(dāng)點(diǎn)火完畢， 完成本次試驗(yàn)， 即可退出， 同時(shí)向下位機(jī)發(fā)送退出指令， 下位機(jī)按指令完成退出， 軟件詳細(xì)流程見圖5。

4系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)已完成全狀態(tài)測試并成功應(yīng)用于固沖發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)級點(diǎn)火試驗(yàn)。 在全狀態(tài)測試時(shí)， 采用給定模擬壓強(qiáng)曲線輔助轉(zhuǎn)級點(diǎn)火的方式考核系統(tǒng)的轉(zhuǎn)級功能， 試驗(yàn)結(jié)果見圖6， 圖6中顯示了給定壓強(qiáng)曲線以及點(diǎn)火電流輸出情況。 試驗(yàn)設(shè)定了4路電流輸出， 分別為助推器點(diǎn)火、 進(jìn)氣道入口和出口堵蓋打開點(diǎn)火、 燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火， 電流為5 A， 轉(zhuǎn)級壓強(qiáng)設(shè)定為0.8 MPa。 由圖6可知， 系統(tǒng)通過判斷壓強(qiáng)參數(shù)， 按預(yù)設(shè)條件完成了轉(zhuǎn)級功能， 系統(tǒng)延時(shí)小、 響應(yīng)快， 電流上升時(shí)間短， 控制準(zhǔn)確， 超調(diào)小， 指標(biāo)符合使用要求。 5結(jié)論

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)， 便于使用與維護(hù)， 選用的PXI實(shí)時(shí)控制器和LabVIEW RT實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使多個(gè)控制任務(wù)得到了很好的協(xié)調(diào)和運(yùn)行。 同時(shí)， 通過合理的安全性、 可靠性設(shè)計(jì)， 固沖發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)級點(diǎn)火控制穩(wěn)定可靠， 滿足了產(chǎn)品研制過程中進(jìn)行大量地面試驗(yàn)的控制需求。

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