李 平,黃耀華,李歡麗,藺子存,荊 廣

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065)

0 引言

智能彈藥等武器系統(tǒng)中的點(diǎn)火回路檢測(cè)是武器系統(tǒng)測(cè)試的重要環(huán)節(jié)之一,點(diǎn)火回路的性能和健康狀態(tài)關(guān)系著彈藥發(fā)射、工作的安全性和可靠性。

目前武器系統(tǒng)在聯(lián)試聯(lián)調(diào)過(guò)程中所使用的點(diǎn)火回路檢測(cè)方法是連接一個(gè)與電點(diǎn)火具直流電阻相當(dāng)?shù)墓潭娮?并利用示波器等測(cè)試設(shè)備觀測(cè)和記錄點(diǎn)火脈沖信號(hào)的幅值、脈寬等參數(shù),進(jìn)而評(píng)估點(diǎn)火回路的性能和健康狀態(tài)。但該方法并不能完全模擬電點(diǎn)火具的特性,如點(diǎn)火脈沖寬度是否能使電點(diǎn)火具可靠作用、電點(diǎn)火具作用后點(diǎn)火回路是斷路且懸空狀態(tài)等。而直接采用將電點(diǎn)火具接入武器系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試,又因其成本高、無(wú)法重復(fù)使用、對(duì)火工品試驗(yàn)場(chǎng)所有要求等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,不宜用于武器系統(tǒng)聯(lián)試聯(lián)調(diào)中。

為了更加真實(shí)的模擬武器系統(tǒng)點(diǎn)火過(guò)程,滿足低成本、可重復(fù)使用、安全性等需求,文中提出一種電點(diǎn)火具模擬器的設(shè)計(jì)方法,用于模擬電點(diǎn)火具作用機(jī)理,能較全面的驗(yàn)證武器系統(tǒng)點(diǎn)火脈寬、幅值、回路隔離度等輸出性能,通過(guò)電路仿真與實(shí)物測(cè)試結(jié)果,進(jìn)一步驗(yàn)證了電點(diǎn)火具模擬器的功能及性能。

1 原理設(shè)計(jì)

目前智能彈藥使用較多的點(diǎn)火具為橋絲式電點(diǎn)火具,主要由管殼、電極塞、電極引線、橋絲以及起爆藥等組成。電點(diǎn)火具的作用過(guò)程為通電后的橋絲發(fā)熱,傳遞給火藥,當(dāng)熱量積累到大于活化分子所需的最小熱量時(shí),引燃火藥,橋絲熔斷,完成點(diǎn)火過(guò)程。文中研究的電點(diǎn)火具模擬器主要用于模擬電點(diǎn)火具的能量積累過(guò)程及橋絲熔斷過(guò)程。

電點(diǎn)火具模擬器通過(guò)采集武器系統(tǒng)輸出的點(diǎn)火脈沖信號(hào),判斷點(diǎn)火脈沖信號(hào)是否能夠使電點(diǎn)火具作用,當(dāng)滿足點(diǎn)火作用條件時(shí),由觸發(fā)模塊切斷點(diǎn)火回路,模擬電點(diǎn)火具橋絲熔斷,完成一次點(diǎn)火過(guò)程試驗(yàn);而當(dāng)無(wú)法滿足點(diǎn)火作用條件時(shí),則無(wú)法切斷點(diǎn)火回路,即實(shí)現(xiàn)模擬電點(diǎn)火具橋絲未被熔斷的過(guò)程。

圖1 電點(diǎn)火具模擬器功能模塊

如圖1所示，電點(diǎn)火具模擬器具有三大功能模塊:用于采集點(diǎn)火脈沖信號(hào)的點(diǎn)火脈沖檢測(cè)模塊,用于判斷點(diǎn)火脈沖的判斷模塊以及切斷點(diǎn)火回路的執(zhí)行模塊。電點(diǎn)火具模擬器原理圖如圖2所示。

圖2 電點(diǎn)火具模擬器原理圖

1.1 點(diǎn)火脈沖檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

點(diǎn)火脈沖檢測(cè)模塊主要是采集飛行控制器等彈上部件或者地面發(fā)控裝置所輸出的點(diǎn)火脈沖信號(hào)。作為測(cè)試設(shè)備,應(yīng)不干擾整個(gè)系統(tǒng)的正常功能,因此,在電點(diǎn)火具模擬器設(shè)計(jì)中進(jìn)行了隔離設(shè)計(jì)。綜合考慮,選擇光耦作為采集隔離器件;另一方面,為使模擬器具有更強(qiáng)的通用性,同時(shí)避免因人為接線錯(cuò)誤導(dǎo)致設(shè)備損壞,在點(diǎn)火脈沖檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)中采用雙向采集設(shè)計(jì)。

1.2 判斷模塊設(shè)計(jì)

電點(diǎn)火具橋絲熔斷原理上是熱量積累的過(guò)程,因此通過(guò)RC積分電路對(duì)點(diǎn)火信號(hào)進(jìn)行積分,當(dāng)點(diǎn)火信號(hào)脈沖寬度和幅值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí),可以觸發(fā)后級(jí)電路作用,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量積累過(guò)程的模擬。判斷模塊主要用于判斷點(diǎn)火信號(hào)脈沖寬度及幅值能否觸發(fā)后級(jí)電路動(dòng)作。

本設(shè)計(jì)采用RC一階零狀態(tài)響應(yīng)電路,采集到的點(diǎn)火脈沖經(jīng)過(guò)電阻R和電容C輸出到三極管的基極。RC一階零狀態(tài)響應(yīng)的電路原理圖如圖3所示。

圖3 RC一階零狀態(tài)響應(yīng)電路

求解微分方程,得到

在文中設(shè)計(jì)中,uc(t)=0.7 V,U(t)=1,求解得到時(shí)間常數(shù):

1.3 執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)

執(zhí)行模塊用于切斷點(diǎn)火回路。

為增加測(cè)試直觀性,在電路設(shè)計(jì)中增加LED指示燈顯示輸出點(diǎn)火結(jié)果;為使點(diǎn)火測(cè)試便于快速重復(fù)進(jìn)行,在電路設(shè)計(jì)中增加復(fù)位開(kāi)關(guān)對(duì)原有狀態(tài)清零,即將切斷的點(diǎn)火回路重新接通,實(shí)現(xiàn)可快速重復(fù)測(cè)試點(diǎn)火過(guò)程的功能。

當(dāng)點(diǎn)火脈沖寬度、幅值滿足電點(diǎn)火具要求時(shí),執(zhí)行模塊正常動(dòng)作,并且指示燈D1熄滅,代表點(diǎn)火成功,通過(guò)復(fù)位按鈕S1可以復(fù)位狀態(tài),可進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

1.4 工作過(guò)程

電點(diǎn)火具模擬器初始化后,K1處于常閉狀態(tài),此時(shí)點(diǎn)火負(fù)載電阻接入點(diǎn)火回路,K2處于閉合狀態(tài),指示燈D1點(diǎn)亮。當(dāng)點(diǎn)火回路有點(diǎn)火脈沖輸出時(shí), 光耦U2或U3導(dǎo)通,VCC-1通過(guò)R4和R1給C1充電,經(jīng)過(guò)時(shí)間T后,C1兩端電壓達(dá)到0.7 V,三極管Q1導(dǎo)通,繼電器U1動(dòng)作,K1斷開(kāi),切斷點(diǎn)火回路,K3接通,Q1維持導(dǎo)通,D2點(diǎn)亮,實(shí)現(xiàn)對(duì)橋絲熔斷模擬。

2 電路仿真

根據(jù)某型智能彈藥中所采用的電點(diǎn)火具參數(shù),熔斷橋絲所需的脈寬約為5 ms,點(diǎn)火回路模擬負(fù)載約為2 Ω;其點(diǎn)火脈沖由飛行控制器輸出,脈寬為50 ms。利用Multisium電路仿真軟件進(jìn)行搭建電點(diǎn)火具模擬器仿真電路并進(jìn)行電路參數(shù)調(diào)試。根據(jù)微分求解得到時(shí)間常數(shù)τ的值,進(jìn)而得到R1與C1的值。其中,R1=1 kΩ,C1=50 μF。

在仿真過(guò)程中,電點(diǎn)火具模擬器電路建模結(jié)果如圖4所示。

圖4 電點(diǎn)火具仿真電路圖

2.1 正常點(diǎn)火脈沖下的仿真結(jié)果

仿真開(kāi)始后,點(diǎn)火回路接通,紅色LED指示燈打開(kāi),表示點(diǎn)火回路已接通。仿真結(jié)果如圖5所示。

在仿真開(kāi)始5 ms后,點(diǎn)火過(guò)程結(jié)束,綠色LED指示燈打開(kāi),表示一次點(diǎn)火過(guò)程結(jié)束。仿真結(jié)果見(jiàn)圖6所示。

圖5 點(diǎn)火回路接通

圖6 點(diǎn)火過(guò)程結(jié)束

監(jiān)測(cè)點(diǎn)火過(guò)程中點(diǎn)火電壓以及電點(diǎn)火具模擬負(fù)載處的電流,可以看到,點(diǎn)火脈沖寬度為50 ms,模擬負(fù)載處電流持續(xù)時(shí)間為5 ms。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 輸入點(diǎn)火電壓及模擬負(fù)載處電流

2.2 窄脈沖干擾下仿真結(jié)果

在武器系統(tǒng)聯(lián)試過(guò)程中,可能會(huì)在系統(tǒng)中引入窄脈沖干擾信號(hào),這種窄脈沖脈寬小于點(diǎn)火脈沖寬度,理論上不應(yīng)進(jìn)行誤點(diǎn)火。

為了研究電點(diǎn)火具模擬器在這種窄脈沖干擾下是否會(huì)做出誤判,對(duì)此情況進(jìn)行仿真,設(shè)置窄脈沖干擾信號(hào)脈寬為2 ms,仿真結(jié)果如圖8所示,監(jiān)測(cè)到點(diǎn)火輸入脈沖寬度與模擬負(fù)載兩端脈沖寬度一致;在仿真過(guò)程中只有紅色指示燈亮,綠色指示燈未點(diǎn)亮,即未進(jìn)行誤判。

圖8 窄脈沖干擾下仿真結(jié)果

3 測(cè)試驗(yàn)證

將電點(diǎn)火具模擬器直接接入某型智能彈藥武器系統(tǒng)中參與部件桌面聯(lián)試,分別用示波器監(jiān)測(cè)點(diǎn)火脈沖信號(hào)以及模擬負(fù)載兩端脈沖信號(hào)。

飛行控制器輸出的某路點(diǎn)火脈沖寬度為50 ms,點(diǎn)火回路模擬負(fù)載為2 Ω。

在聯(lián)試過(guò)程中,當(dāng)點(diǎn)火回路接通后,紅色指示燈點(diǎn)亮,如圖9(a)所示;當(dāng)點(diǎn)火結(jié)束后,點(diǎn)火回路斷開(kāi),同時(shí)綠色指示燈點(diǎn)亮,如圖9(b)所示。表明一次點(diǎn)火過(guò)程結(jié)束,點(diǎn)火回路正常。

圖9 接入聯(lián)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

圖10 監(jiān)測(cè)波形結(jié)果

示波器上監(jiān)測(cè)的波形結(jié)果如圖10所示。飛行控制器輸出的點(diǎn)火脈沖寬度為50 ms,電點(diǎn)火具模擬負(fù)載兩端的脈沖持續(xù)時(shí)間為5 ms。

4 結(jié)論

提出了一種用于智能彈藥的電點(diǎn)火具模擬器設(shè)計(jì)方法,利用Multisium電路仿真軟件進(jìn)行正常點(diǎn)火信號(hào)以及窄脈沖干擾信號(hào)下的電點(diǎn)火具模擬器的功能仿真,驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)合理可靠;并通過(guò)接入某型智能彈藥武器系統(tǒng)中多次參與桌面聯(lián)試,充分驗(yàn)證電點(diǎn)火具模擬器的功能及性能。