周軍，邊友，王銳

(1.北京機械設(shè)備研究所，北京 100854;2.中國人民解放軍駐航天科工集團第二研究院206所軍事代表室，北京 100854)

0 引言

低慢小目標，又稱低空、慢速、小型飛行器，主要指航空模型、小型無人機等。隨著近幾年航空科技的發(fā)展，低慢小目標擴散速度加快，恐怖分子和敵對勢力利用低慢小目標對重要活動、大型集會和政治場所等實施恐怖襲擊或破壞性活動的可能性逐漸加大。攔截低慢小目標逐漸成為安保、反恐領(lǐng)域的新需求。

低慢小目標攔截系統(tǒng)能夠快速、準確的捕獲各類低慢小目標，此攔截系統(tǒng)中攔截彈是主要的空中戰(zhàn)斗部，而攔截彈正常工作，需要由一種可靠穩(wěn)定的彈上控制裝置給出動作時間，因此迫切需要研制一種抗高過載的彈上控制裝置，這種控制器必須確保在攔截彈的發(fā)射過程中可靠穩(wěn)定運行，可在經(jīng)歷幾千g的發(fā)射過載后，仍穩(wěn)定輸出攔截部件的動作時間，確保攔截系統(tǒng)正常工作。

彈上控制裝置是攔截彈的重要組成部分，是在預定條件下引爆或引燃戰(zhàn)斗部裝藥的控制系統(tǒng)或裝置[1-5]。它是攔截彈的重要組成部分，用于控制戰(zhàn)斗部在相對目標的最佳位置和時機上起爆。其中，彈上控制裝置既要保證使用安全，又能使戰(zhàn)斗部充分發(fā)揮預定功能，特別是對目標發(fā)揮最大毀傷效能[6-9]。

本文中的攔截彈沒有單獨的引信，而是由彈上控制裝置、點火器和彈上安執(zhí)共同完成引信的功能。其中檢測、裝訂和輸出點火電流主要功能是由彈上控制裝置完成[10-12]。

本文主要介紹彈上控制裝置的設(shè)計內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)和研制過程中遇到的問題。其中關(guān)鍵技術(shù)中主要介紹雙環(huán)境力解除保險設(shè)計，即保證運輸過程中攔截彈的安全性，又要確保發(fā)射后的可靠作用。

1 彈上控制裝置總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框圖

彈上控制裝置是攔截彈的重要組成部分，實現(xiàn)與瞄具的實時信息交互，可靠地對發(fā)射過載與出筒斷電信號進行檢測，在滿足發(fā)射條件后按預定時間完成開傘、開網(wǎng)動作。

彈上控制裝置由膠體、慣性保險機構(gòu)、儲能電容、通信電路、檢測電路與執(zhí)行電路組成。彈上控制裝置的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 彈上控制裝置組成框圖Fig.1 Block diagram of control device on missile

1.2 工作原理流程

攔截彈發(fā)射前，筒外瞄具通過充電電路為彈上控制裝置內(nèi)部儲能電容進行充電，并通過485通信給彈上控制裝置裝訂開傘時間參數(shù)t1和開網(wǎng)時間參數(shù)t2，彈上控制裝置回復裝訂成功后處于待發(fā)狀態(tài)。

發(fā)射時，發(fā)射過載會使彈上控制裝置內(nèi)部的慣性保險機構(gòu)閉合，MCU檢測到慣性保險機構(gòu)閉合后，如果在窗口時間內(nèi)檢測到斷電信號，則彈上控制裝置確認攔截彈已發(fā)射，電路開始計時，定時到t1時刻輸出一路點火信號，定時到t2輸出另一路點火信號。如果彈上控制裝置先檢測到斷電信號，也開啟時間窗口，在時間窗口內(nèi)檢測到過載信號，同樣開始點火計數(shù)。

當MCU檢測到斷電信號后，在窗口時間內(nèi)沒有檢測到過載信號，則說明攔截彈取消發(fā)射。此時彈上控制裝置需對儲能電容進行放電，耗散掉電容能量。

如果MCU檢測到慣性保險機構(gòu)閉合后，在窗口時間內(nèi)沒有檢測到斷電信號，則引信判斷攔截彈沒有發(fā)射，不執(zhí)行定時，程序返回重新檢測過載。

1.3 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

彈上控制裝置的工作儲能電容用于提供攔截彈發(fā)射后電路的運行所需能量和輸出點火信號所需的能量。儲能電容選擇小了無法提供足夠的能量保證攔截彈的正常工作；儲能電容選擇大了會影響整體的體積，所以儲能電容的選擇至關(guān)重要。

儲能電容分為2個點火電容和系統(tǒng)工作電容，3個儲能電容彼此隔離，不會互相充放電，以保證各模塊的正常工作。

點火電容分為開傘點火電容和開網(wǎng)點火電容，根據(jù)點火器廠家提供指標，開傘、開網(wǎng)電容選用27 V，68 μF的電容即可可靠點火，實際應(yīng)用中選取了50 V，100 μF的高分子固體電解質(zhì)鉭電容。

攔截彈發(fā)射后彈上控制裝置工作由系統(tǒng)工作電容提供，由于工作時間指標要求并考慮到儲存時間的條件，彈上控制裝置選用了高能鉭電容，儲存期限可以到達15年且電容器性能不下降。

根據(jù)實際測量，在輸入值35 V時，消耗功率為7 mA，由此計算彈上控制裝置工作1.5 s所需能量為0.357 J，具體計算過程為

E1=U1I1t1，

(1)

式中：E1為彈上控制裝置工作電路所需能量；U1為彈上控制裝置工作電路電壓；I1為彈上控制裝置平均工作電路電流；t1為彈上控制裝置工作時間，為1.5 s。

電路儲能電容需要提供維持彈上控制裝置工作所需能量，計算儲能電容總?cè)葜狄恍∮?07 μF，故選取1 000 μF/63 V電容。具體計算過程為

(2)

式中：E1為彈上控制裝置工作電路所需能量，0.357 J；WC為充電電容儲存能量；U為充電電壓，35 V；Umin為最小工作電壓，7 V；C為電容總?cè)葜怠?/p>

2 硬件電路設(shè)計

彈上控制裝置硬件電路主要包括電容充電電路、電起爆執(zhí)行電路、MCU電路和通信電路。

2.1 電容充電電路設(shè)計

充電回路由筒外電池，開關(guān)S1，電阻R1，R2，R3，儲能電容C1，C2，C3和保護二極管D1，D2，D3組成。其電路圖如圖2所示。

開關(guān)S1控制充電電路的通斷，當S1閉合時，能同時也給儲能電容C1，C2，C3充電。

C1，C2為點火電容，根據(jù)點火頭參數(shù)，選用100 μF/50 V電容；C3為系統(tǒng)供電電容，選用1 000 μF/63 V的電容。

D1,D2,D3為保護二極管，即保證三電容之間不互相充放電，同時當充電線纜發(fā)射后短接可保護儲能電容不被短路而放電，通過檢查D3正端電壓即可判斷充電電源線是否斷開。

2.2 電起爆執(zhí)行電路設(shè)計

在電起爆執(zhí)行電路中，起爆控制器件是電容放電起爆電路的關(guān)鍵元器件之一，要求起爆控制器件具有開關(guān)迅速、可通過大電流沖擊等工作性能。

放電電路控制器件主要有可控硅、三極管和MOS管3種。考慮到三極管功耗大，不選擇三極管為放電電路控制器件。因此，重點考慮可控硅和MOS管這2種控制器件。參考工程研制的成功經(jīng)驗，選擇PMOS為放電電路控制器件，可以控制點火器的正向開關(guān)。

MOS管能在高電壓、大電流條件下工作，導通速率極高，具有耐壓高、容量大的特點。放電回路由點火電容V_UMB，MOS管Q1，控制器件NPN管Q2，火工品R5,穩(wěn)壓管D1和電阻R1,R2,R3,R4組成。其功能是接收放電起爆控制指令，處理器控制NPN導通，此時由于R1,R2分壓，Vsg>4 V，即可選通Q1，使得電容器對電起爆器R5進行放電起爆。電容放電起爆電路如圖3所示。

2.3 MCU電路設(shè)計

彈上控制裝置的控制電路是通過MCU檢查發(fā)射過載信號與充電回路彈動信號，經(jīng)延時后控制兩路電容放電起爆電路，引爆開傘、開網(wǎng)點火頭；選擇MCU具有64 kbytes的FLASH存儲能力，能夠在掉電情況下保存記錄的各個關(guān)鍵時刻的參數(shù)(儲能電容電壓、裝訂時間、點火執(zhí)行情況等)。

圖2 電容充電電路圖Fig.2 Capacitor charging circuit diagram

圖3 電容放電起爆電路圖Fig.3 Schematic diagram of capacitance discharge initiation circuit

2.4 通信電路設(shè)計

彈上控制裝置通過通信電路與外部瞄具進行通信，接收攔截目標信息。通信電路包括瞬態(tài)抑制二極管、限流電阻、上下拉電阻和電平轉(zhuǎn)換芯片D1，具體電路如圖4所示。瞬態(tài)抑制二極管V5～V7用于防止高電壓干擾導致電平轉(zhuǎn)換芯片D1燒毀，導致電起爆控制器不能正常工作。

圖4 通信電路圖Fig.4 Communication circuit diagram

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件CSCI設(shè)計

彈上控制軟件的外部接口為與瞄具的RS485總線通訊接口、與彈上控制裝置內(nèi)部慣性保險機構(gòu)的開關(guān)量信號接口、與彈上控制裝置內(nèi)部點火的控制信號接口、與彈上控制裝置內(nèi)部AD模塊的輸入信號接口。彈上控制軟件的外部接口框圖如圖5所示。

圖5 彈上控制裝置外部接口框圖Fig.5 Block diagram of external interface of control device on missile

3.2 雙環(huán)境力軟件流程設(shè)計

彈上控制裝置應(yīng)用于攔截系統(tǒng)，攔截系統(tǒng)為在城市環(huán)境下應(yīng)用的單兵肩扛式武器系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計時必須充分考慮操作人員的安全性、城市復雜環(huán)境中周邊人員和設(shè)施的安全性。因此彈上控制裝置也得充分進行安全性設(shè)計，主要進行了雙環(huán)境力解保設(shè)計[13-15]。

彈上控制裝置內(nèi)部設(shè)計有慣性保險機構(gòu)，用于敏感發(fā)射過載；同時在設(shè)定的窗口時間內(nèi)檢測到斷電信號，則彈上控制裝置才確認攔截彈已發(fā)射，電路開始作戰(zhàn)計時。

如圖6所示，當彈上控制裝置檢測到斷電信號后，在設(shè)定的窗口時間內(nèi)沒有檢測到發(fā)射過載信號，則說明系統(tǒng)取消發(fā)射。此時彈上控制裝置需對彈上控制裝置內(nèi)部儲能電容進行泄放電，耗散掉電容能量，保證安全性。

如果彈上控制裝置檢測到發(fā)射過載信號后，在設(shè)定的窗口時間內(nèi)沒有檢測到斷電信號，則判斷攔截彈沒有發(fā)射，不執(zhí)行作戰(zhàn)計時，而是將此故障信息上報瞄具，進行分析處理。

圖6 雙保險檢測軟件流程框圖Fig.6 Flow chart of double insurance detection software

4 試驗驗證

彈上控制裝置自開始研制起，前后出現(xiàn)2個問題，均已解決。且從問題解決開始，又進行各種發(fā)射試驗125發(fā)，所有試驗產(chǎn)品中出現(xiàn)均為成功。且所有運輸、發(fā)射過程中均未出現(xiàn)過安全問題。表明此彈上控制裝置設(shè)計合理，其中雙環(huán)境力設(shè)計方法既保證了運輸過程中的安全性，又確保了攔截彈發(fā)射時的可靠性，能夠滿足系統(tǒng)使用要求。

參考GJB376—87《火工品可靠性評估方法》的表A2，抗高過載彈上控制器在置信度0.9情況下，其實際點火可靠度為98.18%，大于98%，滿足任務(wù)書要求。

彈上控制裝置在研制過程中經(jīng)過了一系列的功能性能驗證試驗和環(huán)境可靠性試驗，具體的試驗情況見表1，2所示。

表1 功能性能試驗Table 1 Functional performance tests

表2 環(huán)境適應(yīng)性試驗Table 2 Environmental adaptation tests

經(jīng)以上試驗證明，彈上控制裝置不僅功能性能滿足使用要求，而且能夠適用各環(huán)境使用要求，具備實戰(zhàn)型。

5 結(jié)論

目前彈上控制裝置設(shè)計雖然能夠滿足系統(tǒng)使用要求，但仍有一些不足，下一步可以從下面這幾個方面開展工作：

(1) 目前彈上控制裝置與點火器連接是通過導線直接連接，存在裝配不方便，容易壓線，可能導致連接錯誤等不足，下一步需要對連接方式進行改進，研究簡單、快捷的連接方式。

(2) 目前彈上控制裝置點火時間是由瞄具裝訂，而由于攔截彈的發(fā)射初速誤差，導致攔截概率的下降，下一步開展彈上控制裝置對發(fā)射初速的測量，根據(jù)發(fā)射初速與目標位置計算得點火時間，增大攔截概率。