陳海峰，聶偉榮

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094）

0 引言

實(shí)現(xiàn)高效毀傷是信息化條件下常規(guī)彈藥的主要發(fā)展目標(biāo)之一，這要求引信能夠根據(jù)彈目交會(huì)特征及目標(biāo)特性，自動(dòng)選擇起爆方式和起爆時(shí)機(jī)，以便將戰(zhàn)斗部的毀傷能量盡可能多地拋向目標(biāo)，進(jìn)而提高彈藥對(duì)目標(biāo)的毀傷效率［1-3］。引信多用途起爆電路是集近炸、觸發(fā)、延時(shí)等多種功能起爆于一體，其功能是接收前級(jí)電路發(fā)送來(lái)的多用途引炸信號(hào)，可靠輸出滿足起爆器能量要求的發(fā)火信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)彈藥對(duì)目標(biāo)的高效毀傷。

起爆電路作為控制起爆器工作的關(guān)鍵部分，其可靠性要求極高；同時(shí)，它應(yīng)該擁有良好的抗干擾性能，保證接收到起爆指令后，既能可靠起爆，又不誤起爆。本文設(shè)計(jì)了一種引信多用途起爆電路，對(duì)起爆電路的安全性、抗干擾性進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)并完成印制線路板，并對(duì)起爆電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 起爆電路原理設(shè)計(jì)

鎳-鉻橋微起爆器具有體積小、起爆能量?。尚≈? mJ）、作用時(shí)間較短的特點(diǎn)［4］。通常情況下，在鎳-鉻橋絲上施加幾安培的電流后，可在很短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)起爆。由于起爆器的激活主要要求電流和功率，其動(dòng)作瞬間完成。大容量電容器的儲(chǔ)能及瞬間放電能力可完全滿足電起爆器點(diǎn)火的電流及功率需求。因此，在引信中普遍采用先給電容充電儲(chǔ)能，再控制儲(chǔ)能電容對(duì)起爆器放電的方法。

引信中起爆電路多為模擬電路控制，其缺點(diǎn)在于模擬電路控制方式單一，電路復(fù)雜，且與上位機(jī)信息交換不便；執(zhí)行電路采用可控硅控制，可控硅容易受電磁兼容的影響，導(dǎo)通后狀態(tài)是鎖定的，不利于電路調(diào)試［5］。本文采用STM32控制方式，內(nèi)嵌多種通訊單元，控制形式靈活，可方便地完成對(duì)起爆器的多用途控制，且與上位機(jī)通訊方便。起爆電路采用電容充放電，場(chǎng)效應(yīng)管方式，其體積小、可靠性高。場(chǎng)效應(yīng)管方式起爆原理電路見圖1所示。

圖1 中二極管D1、限流電阻R1、儲(chǔ)能電容C1構(gòu)成充電回路，C1與場(chǎng)效應(yīng)管K2、微起爆器構(gòu)成放電回路，C1、R2構(gòu)成泄能回路。電路工作過(guò)程是：當(dāng)電源激活后，電能經(jīng)D1、R1給儲(chǔ)能電容C1充電至滿電荷。當(dāng)起爆控制指令來(lái)到時(shí)，K2閉合，由于導(dǎo)通后的K2與微起爆器內(nèi)阻較小，因此，儲(chǔ)能電容C1通過(guò)該回路快速放電，當(dāng)起爆元件內(nèi)部集聚的能量超過(guò)其點(diǎn)火能量時(shí)即被引爆。如果未能正常起爆，則C1的能量可以經(jīng)泄能電阻R2慢慢放掉，從而保證瞎火彈藥經(jīng)過(guò)安全周期后不會(huì)再發(fā)火，保證了瞎火彈處理的安全性。由于R2＞＞R1，在電源電壓維持正常的情況下，經(jīng)R2泄放掉的能量會(huì)從電源及時(shí)獲得補(bǔ)充，因此，R2的存在不會(huì)影響發(fā)火電路的正常工作。二極管D1起方向截止作用，防止C1通過(guò)電阻R1放電。限流電阻R1的作用是控制C2的充電速度。

2 多用途起爆電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示，該系統(tǒng)包括STM32、充電控制電路、多用途起爆電路3個(gè)部分。STM32作為多用途起爆電路控制的核心，具有與上位機(jī)通訊、發(fā)出控制指令等功能；充電控制電路起到控制儲(chǔ)能電容充電的功能；多用途起爆電路的功能為接收不同功能的起爆指令，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理，輸出起爆信號(hào)。

STM32選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8T6，主頻為72 MHz、32位RISC內(nèi)核，它基于哈佛體系，擁有多重總線，可以進(jìn)行并行處理，以保證信號(hào)處理的快速性和實(shí)時(shí)性［6］。其包含GPIO口、通用定時(shí)器及 USART等模塊接口［7］，STM32F103C8T6的GPIO用來(lái)進(jìn)行多用途起爆控制，USART內(nèi)部外設(shè)用來(lái)與上位機(jī)通信。

STM32接收到上位機(jī)指令信息后，經(jīng)內(nèi)部信息處理后，通過(guò)GPIO1發(fā)出電容充電指令，輸出到充電控制電路，GPIO1為高電平有效；GPIO2-GPIO6作為多選擇起爆電路的控制端口，GPIO3和GPIO4輸出延期/觸發(fā)指令1和延期/觸發(fā)指令2到延期/觸發(fā)起爆電路上，GPIO3為高電平有效，GPIO4為低電平有效；GPIO5和GPIO6輸出近炸指令1和近炸指令2到近炸起爆電路上，GPIO5為高電平有效，GPIO6為低電平有效。GPIO2為碰合開關(guān)閉合信號(hào)輸入端口，GPIO2為高電平表示碰合開關(guān)閉合。

電容充電指令經(jīng)過(guò)由電阻R3、電容C2組成的阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后，輸出到場(chǎng)效應(yīng)管K1后。當(dāng)GPIO1為高電平時(shí)，K1導(dǎo)通，電源通過(guò)限流電阻R1向儲(chǔ)能電容C1充電至滿電荷。

通過(guò)對(duì)GPIO3-GPIO6的不同配置可實(shí)現(xiàn)近炸、觸發(fā)、延期等多選擇起爆功能。當(dāng)配置GPIO5為高電平、GPIO6為低電平時(shí)，近炸指令1和近炸指令2經(jīng)過(guò)由電阻R6和R7、電容C5和C6組成的阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后，輸入到場(chǎng)效應(yīng)管K6，K6導(dǎo)通，電源經(jīng)R10分壓后作用到場(chǎng)效應(yīng)管K3上的電平為低電平，進(jìn)而K3導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容C1快速對(duì)微起爆器放電，微起爆器內(nèi)部集聚的能量超過(guò)其點(diǎn)火能量時(shí)即被引爆。當(dāng)配置GPIO3為高電平、GPIO4為低電平時(shí)，觸發(fā)指令1和觸發(fā)指令2經(jīng)電阻R4和R5、電容C3和C4作用到場(chǎng)效應(yīng)管K5時(shí)，K5導(dǎo)通，電源經(jīng)R8分壓后作用到場(chǎng)效應(yīng)管K2上的電平為低電平，進(jìn)而K2導(dǎo)通，彈藥碰擊到目標(biāo)時(shí)，碰合開關(guān)閉合，儲(chǔ)能電容C1快速對(duì)微起爆器放電，引爆起爆器。延期起爆電路與觸發(fā)起爆電路共用一個(gè)放電回路，但兩者實(shí)現(xiàn)過(guò)程不同。當(dāng)彈藥碰擊目標(biāo)時(shí)，碰合開關(guān)閉合，此時(shí)GPIO2端口為高電平。STM32一旦檢測(cè)到GPIO2為高電平即開始延時(shí)，當(dāng)延時(shí)時(shí)間到達(dá)后，配置GPIO5為高電平、GPIO6為低電平，控制K5、K2導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容C1快速對(duì)微起爆器放電，引爆起爆器，實(shí)現(xiàn)延期起爆功能。

3 起爆電路安全性設(shè)計(jì)

隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的日益復(fù)雜，干擾因素日益增多，如靜電干擾、電磁干擾等［8］。而本文設(shè)計(jì)的安全與起爆控制電路的控制信號(hào)電壓較低，開關(guān)開啟電壓低至1 V，電路易受干擾產(chǎn)生誤導(dǎo)通。因此，電路安全性設(shè)計(jì)是必須要考慮的因素。

3.1 阻容濾波網(wǎng)絡(luò)

在起爆控制指令輸入端設(shè)計(jì)阻容濾波網(wǎng)絡(luò)，可以有效濾掉線路上的尖峰干擾。如圖3所示，R2和C2組成阻容濾波網(wǎng)絡(luò)，對(duì)起爆控制端指令低通濾波，防止因尖峰干擾而使開關(guān)K2導(dǎo)通，造成電路誤發(fā)火。

3.2 防差錯(cuò)設(shè)計(jì)

對(duì)起爆控制指令進(jìn)行防差錯(cuò)設(shè)計(jì)，以防止控制電路誤動(dòng)作，這有利于提高電路系統(tǒng)在上、下電以及惡劣的電磁環(huán)境中的工作安全性，如圖3中的控制指令應(yīng)為組合指令，只有組合指令同時(shí)有效時(shí)才能使K2導(dǎo)通，如圖4所示。

圖4 中的控制指令1為高電平，控制指令2為低電平時(shí)才能使K3導(dǎo)通，進(jìn)而控制K2導(dǎo)通完成起爆?？刂浦噶?和2應(yīng)來(lái)自同一個(gè)控制器件的同一類型端口，這樣在系統(tǒng)上電或下電時(shí)，其狀態(tài)均為高或均為低，從而不會(huì)使K3導(dǎo)通。另外，意外的電磁干擾一般為共模干擾，也不會(huì)造成K3的意外導(dǎo)通，確保了起爆安全。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 起爆功能實(shí)驗(yàn)

依據(jù)圖2設(shè)計(jì)印制電路板，如圖5所示，儲(chǔ)能電容選用鉭電解電容，規(guī)格為470 μF。使用圖6所示實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行起爆實(shí)驗(yàn)，鎳鉻橋電雷管的內(nèi)阻約為4 Ω，本實(shí)驗(yàn)中用阻值為4 Ω電阻代替。圖7為示波器存儲(chǔ)的近炸起爆波形圖。STM32輸出組合近炸指令，1通道為起爆指令1，2通道為起爆指令2，3通道為近炸起爆信號(hào)。只有1通道為低電平，2通道為高電平時(shí)，才能輸出近炸起爆信號(hào)。

圖8為示波器存儲(chǔ)的觸發(fā)起爆波形圖。STM32輸出組合觸發(fā)指令，1通道為觸發(fā)起爆指令1，2通道為觸發(fā)起爆指令2，4通道為碰合開關(guān)閉合信號(hào)，3通道為觸發(fā)起爆信號(hào)。當(dāng)彈藥碰擊目標(biāo)時(shí)，碰合開關(guān)閉合，起爆電路導(dǎo)通，電路輸出觸發(fā)起爆信號(hào)。

圖9為示波器存儲(chǔ)的延期起爆波形圖。1通道為延期起爆指令1，2通道為延期起爆指令2，4通道為碰合開關(guān)閉合信號(hào)，3通道為延期起爆信號(hào)。當(dāng)彈藥碰擊目標(biāo)時(shí)，碰合開關(guān)閉合，此時(shí)通道4為高電平，STM32開始延時(shí)，延時(shí)500 ms后，STM32輸出組合延期起爆指令1、2，輸出延期起爆信號(hào)。

4.2 起爆可靠性實(shí)驗(yàn)

起爆可靠性是指控制信號(hào)到來(lái)后，觸發(fā)電路應(yīng)該可靠觸發(fā)，開關(guān)導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容輸出足夠能量，激發(fā)起爆元件。本實(shí)驗(yàn)中用電阻代替鎳鉻橋起爆器，圖9為起爆信號(hào)到來(lái)后，電阻兩端的電壓值，根據(jù)歐姆定律可以得到流過(guò)電阻的電流值大小。根據(jù)鎳鉻橋起爆器的最小起爆電流，根據(jù)圖10可以得到電流大于最小起爆電流的時(shí)間約2 ms，可以確保鎳鉻橋微起爆器可靠起爆。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種集近炸、觸發(fā)、延期等功能于一體的引信多用途起爆電路。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，具備數(shù)字控制功能，也具備與上位機(jī)通訊方便、控制方式靈活等特點(diǎn)，并且具有較高的起爆安全性、抗電磁干擾性、起爆可靠性，可以應(yīng)用于靈巧武器、智能彈藥中。

參考文獻(xiàn)：

［1］汪儀林.智能化引信［C］//北京：中國(guó)兵工學(xué)會(huì)第十九屆引信學(xué)術(shù)年會(huì)，2015.

［2］韓克華，周俊.引信電子安全定向多點(diǎn)起爆控制電路設(shè)計(jì)［J］.控制工程，2016，23（4）：570-575.

［3］馮澤琴，朱素英.一種引信執(zhí)行級(jí)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.航空兵器，2011，48（2）：44-46.

［4］葉迎華.火工品技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014.

［5］張合，李豪杰.引信機(jī)構(gòu)學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2014.

［6］蒙博宇.STM32自學(xué)筆記［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

［7］張洋，劉軍，嚴(yán)漢宇.原子教你玩 STM32（庫(kù)函數(shù)版）［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

［8］黃少波，沈欣，李秋菊.空空導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)［J］.航空兵器，2008，45（1）：26-30.