一種智能彈藥用電點火具模擬器設計*

李 平,黃耀華,李歡麗,藺子存,荊 廣

(西安現代控制技術研究所, 西安 710065)

0 引言

智能彈藥等武器系統中的點火回路檢測是武器系統測試的重要環節之一,點火回路的性能和健康狀態關系著彈藥發射、工作的安全性和可靠性。

目前武器系統在聯試聯調過程中所使用的點火回路檢測方法是連接一個與電點火具直流電阻相當的固定電阻,并利用示波器等測試設備觀測和記錄點火脈沖信號的幅值、脈寬等參數,進而評估點火回路的性能和健康狀態。但該方法并不能完全模擬電點火具的特性,如點火脈沖寬度是否能使電點火具可靠作用、電點火具作用后點火回路是斷路且懸空狀態等。而直接采用將電點火具接入武器系統中進行測試,又因其成本高、無法重復使用、對火工品試驗場所有要求等現實問題,不宜用于武器系統聯試聯調中。

為了更加真實的模擬武器系統點火過程,滿足低成本、可重復使用、安全性等需求,文中提出一種電點火具模擬器的設計方法,用于模擬電點火具作用機理,能較全面的驗證武器系統點火脈寬、幅值、回路隔離度等輸出性能,通過電路仿真與實物測試結果,進一步驗證了電點火具模擬器的功能及性能。

1 原理設計

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

電點火具模擬器通過采集武器系統輸出的點火脈沖信號,判斷點火脈沖信號是否能夠使電點火具作用,當滿足點火作用條件時,由觸發模塊切斷點火回路,模擬電點火具橋絲熔斷,完成一次點火過程試驗;而當無法滿足點火作用條件時,則無法切斷點火回路,即實現模擬電點火具橋絲未被熔斷的過程。

圖1 電點火具模擬器功能模塊

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

圖2 電點火具模擬器原理圖

1.1 點火脈沖檢測模塊設計

點火脈沖檢測模塊主要是采集飛行控制器等彈上部件或者地面發控裝置所輸出的點火脈沖信號。作為測試設備,應不干擾整個系統的正常功能,因此,在電點火具模擬器設計中進行了隔離設計。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的通用性,同時避免因人為接線錯誤導致設備損壞,在點火脈沖檢測模塊設計中采用雙向采集設計。

1.2 判斷模塊設計

電點火具橋絲熔斷原理上是熱量積累的過程,因此通過RC積分電路對點火信號進行積分,當點火信號脈沖寬度和幅值達到預設值時,可以觸發后級電路作用,從而實現對熱量積累過程的模擬。判斷模塊主要用于判斷點火信號脈沖寬度及幅值能否觸發后級電路動作。

本設計采用RC一階零狀態響應電路,采集到的點火脈沖經過電阻R和電容C輸出到三極管的基極。RC一階零狀態響應的電路原理圖如圖3所示。

圖3 RC一階零狀態響應電路

求解微分方程,得到

在文中設計中,uc(t)=0.7 V,U(t)=1,求解得到時間常數:

1.3 執行模塊設計

執行模塊用于切斷點火回路。

為增加測試直觀性,在電路設計中增加LED指示燈顯示輸出點火結果;為使點火測試便于快速重復進行,在電路設計中增加復位開關對原有狀態清零,即將切斷的點火回路重新接通,實現可快速重復測試點火過程的功能。

當點火脈沖寬度、幅值滿足電點火具要求時,執行模塊正常動作,并且指示燈D1熄滅,代表點火成功,通過復位按鈕S1可以復位狀態,可進行下一次試驗。

1.4 工作過程

電點火具模擬器初始化后,K1處于常閉狀態,此時點火負載電阻接入點火回路,K2處于閉合狀態,指示燈D1點亮。當點火回路有點火脈沖輸出時, 光耦U2或U3導通,VCC-1通過R4和R1給C1充電,經過時間T后,C1兩端電壓達到0.7 V,三極管Q1導通,繼電器U1動作,K1斷開,切斷點火回路,K3接通,Q1維持導通,D2點亮,實現對橋絲熔斷模擬。

2 電路仿真

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

在仿真過程中,電點火具模擬器電路建模結果如圖4所示。

圖4 電點火具仿真電路圖

2.1 正常點火脈沖下的仿真結果

仿真開始后,點火回路接通,紅色LED指示燈打開,表示點火回路已接通。仿真結果如圖5所示。

在仿真開始5 ms后,點火過程結束,綠色LED指示燈打開,表示一次點火過程結束。仿真結果見圖6所示。

圖5 點火回路接通

圖6 點火過程結束

監測點火過程中點火電壓以及電點火具模擬負載處的電流,可以看到,點火脈沖寬度為50 ms,模擬負載處電流持續時間為5 ms。仿真結果如圖7所示。

圖7 輸入點火電壓及模擬負載處電流

2.2 窄脈沖干擾下仿真結果

在武器系統聯試過程中,可能會在系統中引入窄脈沖干擾信號,這種窄脈沖脈寬小于點火脈沖寬度,理論上不應進行誤點火。

為了研究電點火具模擬器在這種窄脈沖干擾下是否會做出誤判,對此情況進行仿真,設置窄脈沖干擾信號脈寬為2 ms,仿真結果如圖8所示,監測到點火輸入脈沖寬度與模擬負載兩端脈沖寬度一致;在仿真過程中只有紅色指示燈亮,綠色指示燈未點亮,即未進行誤判。

圖8 窄脈沖干擾下仿真結果

3 測試驗證

將電點火具模擬器直接接入某型智能彈藥武器系統中參與部件桌面聯試,分別用示波器監測點火脈沖信號以及模擬負載兩端脈沖信號。

飛行控制器輸出的某路點火脈沖寬度為50 ms,點火回路模擬負載為2 Ω。

在聯試過程中,當點火回路接通后,紅色指示燈點亮,如圖9(a)所示;當點火結束后,點火回路斷開,同時綠色指示燈點亮,如圖9(b)所示。表明一次點火過程結束,點火回路正常。

圖9 接入聯試系統測試結果

圖10 監測波形結果

示波器上監測的波形結果如圖10所示。飛行控制器輸出的點火脈沖寬度為50 ms,電點火具模擬負載兩端的脈沖持續時間為5 ms。

4 結論

提出了一種用于智能彈藥的電點火具模擬器設計方法,利用Multisium電路仿真軟件進行正常點火信號以及窄脈沖干擾信號下的電點火具模擬器的功能仿真,驗證電路設計合理可靠;并通過接入某型智能彈藥武器系統中多次參與桌面聯試,充分驗證電點火具模擬器的功能及性能。