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        零長(zhǎng)發(fā)射方式無(wú)人機(jī)點(diǎn)火器設(shè)計(jì)

        2023-09-11 07:59:58沈曉兵孫亮葉宏高洪波邊文昆沈驊
        電子制作 2023年15期
        關(guān)鍵詞:點(diǎn)火器檢測(cè)時(shí)間阻值

        沈曉兵,孫亮,葉宏,高洪波,邊文昆,沈驊

        (1.空軍預(yù)警學(xué)院,湖北武漢,430019;2.93110部隊(duì),北京,100843;3.新昌技師學(xué)院,浙江紹興,312500)

        0 引言

        無(wú)人機(jī)的發(fā)射方式可分為手拋發(fā)射、零長(zhǎng)發(fā)射、彈射發(fā)射、滑跑起飛、母機(jī)空中發(fā)射、容器式發(fā)射裝置發(fā)射和垂直起飛等類型[1]。其中,零長(zhǎng)發(fā)射是保證無(wú)人機(jī)起飛的一種重要發(fā)射方式,發(fā)射過(guò)程為將無(wú)人機(jī)安裝在發(fā)射架上,先對(duì)無(wú)人機(jī)的助推火箭點(diǎn)火,在助推火箭的推力下,使無(wú)人機(jī)起飛并達(dá)到一定的速度后,無(wú)人機(jī)將助推火箭丟掉,主發(fā)動(dòng)機(jī)完成飛行任務(wù)。這種發(fā)射方式主要應(yīng)用于中、小型無(wú)人機(jī),如英國(guó)的ASAT/“小鷹”(Merline)[2]、德國(guó)的RT-900 “巨嘴鳥(niǎo)”、意大利的“奎宿九星”(Mirach)、伊朗的卡拉爾以及國(guó)際合作的CL-289[3]等。要完成無(wú)人機(jī)的零長(zhǎng)發(fā)射,最核心的部件為助推火箭,如圖1 所示。助推火箭內(nèi)裝有藥柱,藥柱的燃燒需要由電爆火頭點(diǎn)火提供初始能量,電爆火頭點(diǎn)火依靠點(diǎn)火器提供的電能實(shí)現(xiàn)。在助推火箭點(diǎn)火時(shí),火箭會(huì)發(fā)出大量的熱能,人不能靠近,因此需要遠(yuǎn)距離點(diǎn)火,針對(duì)這種情況,需進(jìn)行助推火箭的點(diǎn)火器設(shè)計(jì)。

        圖1 伊朗卡拉爾無(wú)人機(jī)和機(jī)上的助推火箭

        1 整體設(shè)計(jì)要求

        對(duì)于零長(zhǎng)發(fā)射方式無(wú)人機(jī)點(diǎn)火器,具體設(shè)計(jì)要求如圖2所示。

        圖2 點(diǎn)火器設(shè)計(jì)要求

        (1)點(diǎn)火功能

        為保證點(diǎn)火器對(duì)助推火箭的點(diǎn)火,要求點(diǎn)火器能夠輸出一定的電壓、電流,對(duì)于無(wú)人機(jī)助推火箭,要求點(diǎn)火電流不小于0.5A,測(cè)得助推火箭的電爆火頭阻值為8Ω ~12Ω,助推火箭與點(diǎn)火器連接的導(dǎo)線為長(zhǎng)導(dǎo)線,阻值為2Ω ~4Ω。

        (2)檢測(cè)功能

        在助推火箭點(diǎn)火前要求檢測(cè)點(diǎn)火器的電源電壓和電爆火頭的阻值,以確定點(diǎn)火器是否能為助推火箭提供足夠的點(diǎn)火電流,并確認(rèn)電爆火頭的好壞。對(duì)于電爆火頭阻值檢測(cè),要求不能使用指針式萬(wàn)用表。

        (3)安全保護(hù)

        點(diǎn)火器需要重點(diǎn)做好兩個(gè)防護(hù),即防電池短路和防電爆火頭檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。電池防短路需防止電池在為點(diǎn)火器提供點(diǎn)火電流時(shí)短路以及電池充電時(shí)的短路。在檢測(cè)電爆火頭電阻時(shí),如果檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),可能會(huì)導(dǎo)致電爆火頭因熱量積累而誤點(diǎn)火。對(duì)電爆火頭測(cè)試時(shí)間要求不大于15s。

        2 點(diǎn)火器設(shè)計(jì)

        根據(jù)前述點(diǎn)火器設(shè)計(jì)要求,對(duì)點(diǎn)火器進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

        ■2.1 整體設(shè)計(jì)

        根據(jù)整體設(shè)計(jì)要求,繪制點(diǎn)火器組成框圖,如圖3 所示。點(diǎn)火器通過(guò)內(nèi)置充電器可以為電池充電,使用檢測(cè)儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓和電爆火頭阻值檢測(cè)。而點(diǎn)火器主電路則需要為電池充電、助推火箭點(diǎn)火、儀表檢測(cè)提供通路,還應(yīng)有安保電路防止助推火箭誤點(diǎn)火和電池短路,點(diǎn)火器主電路是整個(gè)點(diǎn)火器的核心。

        圖3 點(diǎn)火器組成框圖

        ■2.2 點(diǎn)火器主電路設(shè)計(jì)

        (1)電池及電池接口的選用

        點(diǎn)火器在復(fù)雜的環(huán)境中工作,需要適應(yīng)較寬的溫度范圍,因此電池組采用鎳鎘電池,電池性能穩(wěn)定,高低溫性能良好,安全度高。單個(gè)鎳鎘電池的標(biāo)稱值為1.2V,為了保證輸出電流大于0.5A,電爆火頭和長(zhǎng)導(dǎo)線的阻值之和為16Ω,點(diǎn)火器輸出電壓至少應(yīng)為8V,為保證電爆火頭能可靠點(diǎn)火,采用8 個(gè)SC4500 型鎳鎘電池(4500mAh)串聯(lián),以保證足夠的電流輸出。電池組采用無(wú)人機(jī)通用的XT60 插拔式連接接頭,與點(diǎn)火器其他電路連接,如圖4 所示,提高了點(diǎn)火器的通用性,使點(diǎn)火器可用無(wú)人機(jī)上常用的3S 電池替換。另外,充電器的輸出口也使用XT60 插頭,保證了對(duì)電池的充電。

        圖4 點(diǎn)火器所用電池和XT60 電池插頭

        (2)防短路設(shè)計(jì)

        為了防止點(diǎn)火器短路,在電池輸出線上設(shè)置相應(yīng)的保險(xiǎn)絲,防止電池發(fā)生短路,在充電器輸出端也增加充電保險(xiǎn)絲,防止充電時(shí)的短路,該部分電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。充電保險(xiǎn)絲和電池保險(xiǎn)絲都采用常見(jiàn)的管狀保險(xiǎn)絲,易于更換。

        圖5 點(diǎn)火器防短路電路

        (3)電池電壓檢測(cè)和電爆火頭阻值檢測(cè)

        點(diǎn)火器使用萬(wàn)用表實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓和電爆火頭阻值的檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)用一塊萬(wàn)用表完成對(duì)電池電壓和電爆火頭阻值的檢測(cè),使用鈕子開(kāi)關(guān)作為選測(cè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電池電壓檢測(cè)和電爆火頭阻值檢測(cè)功能的切換。檢測(cè)電路如圖6 所示。

        圖6 電池電壓和電爆火頭阻值檢測(cè)電路

        考慮到電爆火頭的檢測(cè)時(shí)間不能超過(guò)15s,選測(cè)開(kāi)關(guān)采用較大的自恢復(fù)鈕子開(kāi)關(guān),檢測(cè)電池電壓或電爆火頭阻值時(shí)需要扳動(dòng)鈕子開(kāi)關(guān),不檢測(cè)時(shí)鈕子開(kāi)關(guān)自動(dòng)復(fù)位,且扳動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)需要用較大的力,可防止對(duì)電爆火頭阻值的長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)導(dǎo)致電爆火頭誤點(diǎn)火。萬(wàn)用表使用性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、準(zhǔn)確度高的FLUKE15B 型萬(wàn)用表,防止檢測(cè)電爆火頭時(shí)輸出電路過(guò)大。

        (4)防檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

        使用自恢復(fù)鈕子開(kāi)關(guān)可在一定程度上防止對(duì)電爆火頭的檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),但人為差錯(cuò)仍不可完全避免,因此,通過(guò)設(shè)計(jì)防止檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)電路可以進(jìn)一步保證檢測(cè)的安全性。如圖7 所示為設(shè)計(jì)的基于NE555 的保護(hù)電路,電路工作原理為:當(dāng)選測(cè)開(kāi)關(guān)接至阻值檢測(cè)時(shí),圖7 中的開(kāi)關(guān)S1閉合,保護(hù)電路上電。NE555 接成施密特觸發(fā)器[4],在R1和C1組成的充電電路控制電路下工作,上電的初始時(shí)刻,電容C1兩端的電壓為0,即NE555 的2 和6 引腳輸入低電平,NE555 的3 引腳輸出高電平,這時(shí),直流繼電器K1 控制端通電,繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合,萬(wàn)用表可以檢測(cè)電爆火頭的阻值。隨著電容C1的充電,C1兩端電壓逐漸上升,當(dāng)C1兩端電壓UC1上升至NE555 的3 引腳輸出低電平,直流繼電器K1 斷開(kāi),萬(wàn)用表與電爆火頭之間的檢測(cè)通路斷開(kāi),這時(shí)的充電時(shí)間記為t。當(dāng)S1 在任何時(shí)間斷開(kāi)時(shí),都能使NE555 的3 引腳輸出低電平,直流繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi),萬(wàn)用表停止對(duì)電爆火頭的檢測(cè)。電容C1兩端的電壓UC1從0 上升至所用時(shí)間t 為:

        圖7 防檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)電路

        時(shí)間t 即防檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)電路的檢測(cè)限制時(shí)間,當(dāng)選測(cè)開(kāi)關(guān)接至電阻檢測(cè),檢測(cè)時(shí)間超過(guò)t 后,萬(wàn)用表與電爆火頭的通路被切斷,能有效防止因檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致電爆火頭誤點(diǎn)火。

        因?qū)﹄姳痤^測(cè)試時(shí)間要求不大于15s,將檢測(cè)限制時(shí)間t 設(shè)置為12s,選取電容C1為100μF,計(jì)算得R1的理論值為109kΩ,可選取110kΩ 電阻或者電位器,通過(guò)電位器調(diào)節(jié)時(shí)間t。

        (5)整體電路

        設(shè)計(jì)的整體電路如圖8 所示,電路中還使用了一個(gè)點(diǎn)火準(zhǔn)備開(kāi)關(guān)和兩個(gè)自復(fù)位點(diǎn)火開(kāi)關(guān)進(jìn)一步防止點(diǎn)火器的誤點(diǎn)火。點(diǎn)火時(shí)的具體操作為打開(kāi)點(diǎn)火準(zhǔn)備開(kāi)關(guān),按下自復(fù)位點(diǎn)火開(kāi)關(guān)1,再按下自復(fù)位點(diǎn)火開(kāi)關(guān)2,電池為電爆火頭供電,電爆火頭點(diǎn)火,啟動(dòng)無(wú)人機(jī)的助推火箭。同時(shí)將圖6 中的6 腳自復(fù)位開(kāi)關(guān)升級(jí)為9 腳自復(fù)位開(kāi)關(guān),多出的一路開(kāi)關(guān)控制防檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)電路的供電,替代圖7 中的開(kāi)關(guān)S1。

        3 試驗(yàn)驗(yàn)證

        設(shè)計(jì)的點(diǎn)火器如圖9、圖10 所示,點(diǎn)火器實(shí)現(xiàn)了電爆火頭的點(diǎn)火、阻值檢測(cè)以及點(diǎn)火器電池電壓檢測(cè)。并測(cè)得萬(wàn)用表能對(duì)電爆火頭檢測(cè)的最長(zhǎng)時(shí)間為12.2s,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

        圖9 點(diǎn)火器

        圖10 電爆火頭檢測(cè)時(shí)間上限

        4 結(jié)束語(yǔ)

        設(shè)計(jì)的零長(zhǎng)發(fā)射方式無(wú)人機(jī)點(diǎn)火器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)火器內(nèi)電池電壓檢測(cè)、電爆火頭阻值檢測(cè)、電池防短路、電爆火頭點(diǎn)火等功能,并設(shè)計(jì)了基于NE555 接成的施密特觸發(fā)器的防止電爆火頭阻值檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)電路,使點(diǎn)火器在能夠完成助推火箭點(diǎn)火的前提下,具有較高的安全性。

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