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精確延時(shí)微爆轟再傳遞控制器設(shè)計(jì)

?；矍伲?茹，李 婧

（西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院，陜西 西安，710124）

針對新一代微爆轟型彈射救生系統(tǒng)在彈射通道清理過程中因機(jī)艙內(nèi)外氣壓不平衡而可能引起彈射事故問題，設(shè)計(jì)了一種基于直列式點(diǎn)火的精確延時(shí)微爆轟再傳遞控制器。該控制器采用MLVDS總線實(shí)時(shí)接收機(jī)載計(jì)算機(jī)發(fā)送的飛行高度與艙內(nèi)外氣壓差編碼數(shù)據(jù)，并嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)交互協(xié)議與數(shù)據(jù)間的關(guān)系確定泄壓平衡時(shí)間，接收到泄壓窗口開啟爆轟信號(hào)時(shí)執(zhí)行氣壓平衡延時(shí)點(diǎn)火功能，使艙內(nèi)外氣壓達(dá)到平衡后再引爆爆炸箔點(diǎn)火器，將執(zhí)行彈射任務(wù)的爆轟信號(hào)再傳遞，有效降低彈射救生事故發(fā)生可能性。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，控制器的數(shù)據(jù)交互模塊運(yùn)行正常，安全控制模塊精密執(zhí)行了500ms與1.1s程控延時(shí)，且控制高壓點(diǎn)火模塊在觸發(fā)后215ns處達(dá)到峰值電壓2.4kV，對應(yīng)的爆發(fā)電壓為2.3kA，可靠引爆內(nèi)嵌爆炸箔點(diǎn)火器的爆轟邏輯傳遞器。

直列式點(diǎn)火；控制器；彈射救生；通道清理；微爆轟傳遞

彈射救生系統(tǒng)是飛機(jī)、航天器等裝備在高速飛行過程中遇到故障、人為失誤和環(huán)境因素等導(dǎo)致飛機(jī)不能正常飛行，以及致使飛機(jī)不可挽回的情況下，確保飛行員迅速彈射離機(jī)并安全獲救的必不可少的關(guān)鍵裝備，其對最大限度地發(fā)揮飛機(jī)的作戰(zhàn)效能、增強(qiáng)飛行員的信心及保護(hù)飛行員生命起著非常重要的作用[1-3]。在彈射救生過程中由于艙內(nèi)外氣壓不平衡將可能造成彈射救生失敗[4]，因此本文針對新一代微爆轟型彈射救生系統(tǒng)裝置對具有本質(zhì)安全、精確延時(shí)及可靠傳爆控制模塊的需求[5-9]，設(shè)計(jì)了一種基于直列式點(diǎn)火的具備本質(zhì)安全性的氣壓平衡與微爆轟再傳遞控制器。其實(shí)時(shí)采集機(jī)載計(jì)算機(jī)發(fā)送的飛機(jī)飛行高度與艙內(nèi)外氣壓差數(shù)據(jù)信號(hào)，并根據(jù)飛行高度與艙內(nèi)外氣壓差之間的關(guān)系，確定泄壓平衡時(shí)間，待接收到彈射救生系統(tǒng)中泄壓窗口開啟爆轟觸發(fā)信號(hào)后，控制器啟動(dòng)精確延時(shí)，在確保艙內(nèi)外氣壓達(dá)到平衡后立即觸發(fā)高壓點(diǎn)火模塊，使執(zhí)行彈射救生通道清理與彈射功能的爆轟信號(hào)可靠地傳爆下去，順利完成彈射救生。

1 控制器關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 總體設(shè)計(jì)

本文采用模塊化、集成化設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了基于直列式點(diǎn)火技術(shù)的集安全控制模塊與高壓點(diǎn)火模塊于一體，具備本質(zhì)安全特性的精確延時(shí)微爆轟再傳遞控制器。安全控制模塊由電源管理模塊、FPGA微處理器、數(shù)據(jù)交互模塊、爆轟觸發(fā)模塊構(gòu)成，其中爆轟觸發(fā)模塊接受艙蓋泄壓孔開啟微爆轟信號(hào)，采用煙火開關(guān)將微爆轟信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)；高壓點(diǎn)火模塊由升壓電路、高壓點(diǎn)火電路、高壓觸發(fā)電路、采樣電路構(gòu)成?？刂破髟O(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 控制器設(shè)計(jì)原理

1.2 數(shù)據(jù)交互模塊設(shè)計(jì)

采用多點(diǎn)低電壓查分信號(hào)（MLVDS）數(shù)據(jù)傳輸方式作為機(jī)載計(jì)算機(jī)與氣壓平衡與微爆轟再傳遞控制器之間串行數(shù)據(jù)交互總線，并采用Xilinx FPGA器件與verilog HDL語言設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交互模塊以及氣壓平衡與微爆轟再傳遞控制器中確保安全的邏輯控制部分，串行數(shù)據(jù)交互模塊包含波特率發(fā)生器、串行數(shù)據(jù)接收模塊、高壓自檢模塊、同步FIFO和串行數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，如圖2所示。

為了保證機(jī)載計(jì)算機(jī)與氣壓平衡與微爆轟再傳遞控制器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，除了采用抗干擾能力強(qiáng)的MLVDS總線，還必須設(shè)計(jì)一個(gè)合理的通信協(xié)議，通信雙方必須按照協(xié)議的規(guī)范收發(fā)數(shù)據(jù)，才能保證系統(tǒng)通信順暢，準(zhǔn)確實(shí)施各項(xiàng)操作，本文設(shè)計(jì)采用的數(shù)據(jù)交互幀格式如圖3所示。串行數(shù)據(jù)接收模塊接收機(jī)載計(jì)算機(jī)發(fā)送的飛行高度和機(jī)艙內(nèi)外氣壓差的數(shù)據(jù)幀，將每個(gè)數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成1個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)在同步FIFO中，并進(jìn)行奇偶校驗(yàn)和CRC32校驗(yàn)，如果校驗(yàn)不正確丟包并向機(jī)載計(jì)算機(jī)發(fā)送重傳指令，如果校驗(yàn)正確則計(jì)算當(dāng)前飛行高度和機(jī)艙內(nèi)外氣壓差條件下的延時(shí)時(shí)間。相應(yīng)的有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)如圖4所示。

圖2 頂層模塊圖

圖3 數(shù)據(jù)交互幀格式

注：狀態(tài)機(jī)包含6個(gè)狀態(tài)， IDLE(初始狀態(tài))、FIRST (判斷初始位)、ALTITUDE(接收飛機(jī)飛行高度)、PRESSURE(接收機(jī)艙內(nèi)外氣壓差)、CRCRE CEIVE(接收CRC32數(shù)據(jù))、CRC_ CHECK(CRC32校驗(yàn))。

圖5為串行數(shù)據(jù)接收模塊接收數(shù)據(jù)幀并把數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成字節(jié)存儲(chǔ)在同步FIFO中，其中rxd為機(jī)載中央計(jì)算機(jī)發(fā)送的串行數(shù)據(jù)，realtime為數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成的字節(jié)。機(jī)載計(jì)算機(jī)發(fā)送了8個(gè)數(shù)據(jù)幀，分別為8`HFF、8`H23、8`H28、8`HFF、8`HAD、8`HF0、8`HD2。根據(jù)數(shù)據(jù)交互協(xié)議第1個(gè)字節(jié)為初始位、第2和第3字節(jié)為飛機(jī)飛行高度、第4個(gè)字節(jié)為機(jī)艙內(nèi)外氣壓差、最后4個(gè)字節(jié)為CRC32校驗(yàn)碼。

圖5 串行數(shù)據(jù)接收和同步FIFO存儲(chǔ)

圖6 有限狀態(tài)機(jī)計(jì)算延時(shí)時(shí)間

圖6為計(jì)算延時(shí)時(shí)間的波形，當(dāng)同步FIFO存儲(chǔ)的字節(jié)個(gè)數(shù)為8個(gè)，即機(jī)載計(jì)算機(jī)發(fā)送給泄壓平衡控制1個(gè)完整的數(shù)據(jù)包時(shí)，有限狀態(tài)機(jī)開始讀取同步FIFO中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并根據(jù)飛機(jī)飛行高度和機(jī)艙內(nèi)外氣壓差計(jì)算延時(shí)時(shí)間。有限狀態(tài)機(jī)state的時(shí)序?yàn)椋撼跏紶顟B(tài)→判斷初始位是否是8`HFF→確定飛機(jī)飛行高度→確定機(jī)艙內(nèi)外氣壓差→確定CRC32校驗(yàn)碼→CRC32校驗(yàn)是否正確→計(jì)算延時(shí)時(shí)間→返回初始狀態(tài)等待下1個(gè)完整數(shù)據(jù)包。

1.3 高壓點(diǎn)火模塊設(shè)計(jì)

高壓點(diǎn)火模塊是控制器的關(guān)鍵模塊之一，其必須具備很高的安全性與可靠性。為實(shí)現(xiàn)控制器將執(zhí)行拋蓋與彈射功能的爆轟信號(hào)安全可靠地再傳遞，本文設(shè)計(jì)了基于直列式點(diǎn)火的高安全性點(diǎn)火模塊，如圖7所示。圖7中FPGA控制電子安全保險(xiǎn)模塊確保安全，其由2個(gè)靜態(tài)安全保險(xiǎn)開關(guān)與1個(gè)動(dòng)態(tài)安全保險(xiǎn)開關(guān)構(gòu)成，升壓電路由動(dòng)態(tài)開關(guān)、升壓變壓器、整流二極管構(gòu)成。動(dòng)態(tài)安全保險(xiǎn)開關(guān)采用場效應(yīng)晶體管（MOSFET），升壓電路將12V電壓變換為2kV的交流高壓。FPGA輸出動(dòng)態(tài)頻率信號(hào)控制動(dòng)態(tài)開關(guān)MOSFET柵極施加特定的頻率電平信號(hào)，MOSFET導(dǎo)通，12V電源給變壓器原邊電感供電儲(chǔ)能；MOSFET截止，由于變壓器原邊電流無法突變，變壓器原邊極性發(fā)生調(diào)轉(zhuǎn)，且d/d很大，MOSFET漏極電壓可為12V電源的10~20倍，同時(shí)在副邊感應(yīng)出交流高壓。本設(shè)計(jì)中MOSFET截止時(shí)，漏極電壓為100~150V，設(shè)計(jì)變壓比為20，因此，變壓器副邊最高輸出電壓為3kV。采樣電路由采樣電阻及比較器構(gòu)成，采樣電阻跨接在高壓電容器兩端。設(shè)計(jì)參數(shù)1∶2=500∶1，即2kV高壓形成4V取樣電壓，并將該采樣電阻上的電壓采用電壓比較器轉(zhuǎn)換輸入至FPGA，實(shí)時(shí)檢測高壓電容器中的電壓是否達(dá)到點(diǎn)火閾值。高壓觸發(fā)電路由觸發(fā)儲(chǔ)能電容、觸發(fā)線圈、可控硅開關(guān)、光耦、穩(wěn)壓二極管等器件組成，當(dāng)點(diǎn)火信號(hào)到來時(shí)，經(jīng)過穩(wěn)壓二極管和光耦，使閘流管導(dǎo)通，觸發(fā)儲(chǔ)能電容對觸發(fā)線圈原邊放電，觸發(fā)線圈副邊產(chǎn)生2kV觸發(fā)脈沖，該觸發(fā)脈沖施加到高壓開關(guān)的觸發(fā)極，在觸發(fā)脈沖的作用下，高壓開關(guān)導(dǎo)通，發(fā)火電容產(chǎn)生2.3kA左右的強(qiáng)瞬時(shí)電流將爆炸箔點(diǎn)火器引爆，爆炸箔點(diǎn)火器再引爆后續(xù)執(zhí)行通道清理與彈射的功能微導(dǎo)爆索。

圖7 高壓點(diǎn)火模塊設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)模擬機(jī)載中央控制器發(fā)送飛行高度與艙內(nèi)外氣壓差數(shù)據(jù)，采用電子開關(guān)模擬爆轟觸發(fā)煙火開關(guān)，建立了控制器性能測試系統(tǒng)，如圖8所示。該測試系統(tǒng)驗(yàn)證控制器的數(shù)據(jù)交互功能、爆轟觸發(fā)功能、精確延時(shí)功能以及發(fā)火電性能等。

圖9所示為控制器的爆發(fā)電壓與爆發(fā)電流曲線，高壓點(diǎn)火模塊點(diǎn)火觸發(fā)后215ns時(shí)達(dá)到峰值電壓2.4 kV，對應(yīng)的爆發(fā)電壓為2.3kV，該高壓點(diǎn)火模塊的峰值電流可達(dá)2.5kA，爆發(fā)電流循環(huán)時(shí)間約為1 215ns。典型爆炸箔點(diǎn)火器的最小全發(fā)火電壓為1.8kV，因此，該控制器輸出的爆發(fā)電壓與爆發(fā)電流可激勵(lì)爆炸箔點(diǎn)火器可靠作用。

針對控制器在彈射救生系統(tǒng)中的應(yīng)用問題，建立了控制器與彈射救生系統(tǒng)微爆轟傳遞控制裝置的氣壓平衡微爆轟傳遞控制系統(tǒng)，如圖10所示，重點(diǎn)驗(yàn)證了數(shù)據(jù)交互控制的精確延時(shí)發(fā)火功能。

圖8 控制器性能測試系統(tǒng)

圖9 控制器爆發(fā)電壓與爆發(fā)電流

圖10 氣壓平衡微爆轟傳遞控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)發(fā)送代表某飛行高度與氣壓差的2組編碼數(shù)據(jù)，只有數(shù)據(jù)交互模塊數(shù)據(jù)校驗(yàn)正常的情況下控制器執(zhí)行500ms與1.1s泄壓平衡延時(shí)發(fā)火試驗(yàn)。結(jié)果如圖11所示，控制器分別延時(shí)500ms與1.1s發(fā)火，表明控制器數(shù)據(jù)交互與爆轟觸發(fā)功能正常，且實(shí)現(xiàn)了精確延時(shí)點(diǎn)火，能使飛機(jī)艙內(nèi)外氣壓達(dá)到平衡，提高彈射救生安全性。

圖11 500ms和1.1s延時(shí)點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文采用模塊化設(shè)計(jì)與一體化集成方法，設(shè)計(jì)了基于直列式點(diǎn)火的氣壓平衡與微爆轟再傳遞控制器，該控制器采用直列式點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)微爆轟型彈射救生系統(tǒng)中爆轟信號(hào)的再傳遞，具有本質(zhì)的安全性；經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，控制器可通過MLVDS數(shù)據(jù)交互總線實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交互與精確延時(shí)發(fā)火控制，能夠確保艙內(nèi)外氣壓達(dá)到平衡，降低彈射事故；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了微爆轟型彈射救生系統(tǒng)中執(zhí)行彈射通道清理與座椅彈射微爆轟信號(hào)的再傳遞，極大地提高了新一代微爆轟型彈射救生系統(tǒng)安全性。

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Design on A Precise Delay and Micro-detonation Retransmission Controller

BAO Hui-qin，LI Ru，LI Jing

(Northwestern Polytechnical University Ming De College, Xi’an,710124)

Aiming at the new generation micro-detonation transition model ejection escape system, the accident in the channel cleaning process of ejection escape might happen, due to the air pressure imbalance inside and outside the aircraft cockpit, so a controller was designed to realize precise delay and micro-detonation retransmission based on in-line initiation. The MLVDS bus was used to real-time receive the coded data from onboard computer, which is about flight height and the air pressure difference inside and outside the aircraft cockpit, based on the data interaction protocol and the relationship of data, the time to reach equilibrium for the air pressure inside and outside the cabin was determined. The delay ignition was executed as receiving the detonation signal from the pressure relief window. After the air pressure in the cabin was balanced, the high-security explosion foil initiator was exploded to re-transmit the detonation signal that performs the ejection function, so the possibility of catapult rescue accidents could be avoided. The test results showed that the data interaction module runs normally, safety control module can realize 500ms and 1.1s delay time, and after the high voltage ignition module is triggered for 215ns, the voltage will reach peak value of 2.4kV, corresponding to 2.3kV burst voltage, which can initiate the explosive foil initiator reliabily.

Ejection Escape System：Channel cleaning; Micro-detonation

1003-1480（2019）02-0027-04

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.007

2019-02-05

?；矍伲?986-），女，講師，主要從事電子工程控制技術(shù)研究。