零長發射方式無人機點火器設計

沈曉兵，孫亮，葉宏，高洪波，邊文昆，沈驊

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

0 引言

無人機的發射方式可分為手拋發射、零長發射、彈射發射、滑跑起飛、母機空中發射、容器式發射裝置發射和垂直起飛等類型[1]。其中，零長發射是保證無人機起飛的一種重要發射方式，發射過程為將無人機安裝在發射架上，先對無人機的助推火箭點火，在助推火箭的推力下，使無人機起飛并達到一定的速度后，無人機將助推火箭丟掉，主發動機完成飛行任務。這種發射方式主要應用于中、小型無人機，如英國的ASAT/“小鷹”（Merline）[2]、德國的RT-900 “巨嘴鳥”、意大利的“奎宿九星”(Mirach)、伊朗的卡拉爾以及國際合作的CL-289[3]等。要完成無人機的零長發射，最核心的部件為助推火箭，如圖1 所示。助推火箭內裝有藥柱，藥柱的燃燒需要由電爆火頭點火提供初始能量，電爆火頭點火依靠點火器提供的電能實現。在助推火箭點火時，火箭會發出大量的熱能，人不能靠近，因此需要遠距離點火，針對這種情況，需進行助推火箭的點火器設計。

圖1 伊朗卡拉爾無人機和機上的助推火箭

1 整體設計要求

對于零長發射方式無人機點火器，具體設計要求如圖2所示。

圖2 點火器設計要求

（1）點火功能

為保證點火器對助推火箭的點火，要求點火器能夠輸出一定的電壓、電流，對于無人機助推火箭，要求點火電流不小于0.5A，測得助推火箭的電爆火頭阻值為8Ω ～12Ω，助推火箭與點火器連接的導線為長導線，阻值為2Ω ～4Ω。

（2）檢測功能

在助推火箭點火前要求檢測點火器的電源電壓和電爆火頭的阻值，以確定點火器是否能為助推火箭提供足夠的點火電流，并確認電爆火頭的好壞。對于電爆火頭阻值檢測，要求不能使用指針式萬用表。

（3）安全保護

點火器需要重點做好兩個防護，即防電池短路和防電爆火頭檢測時間過長。電池防短路需防止電池在為點火器提供點火電流時短路以及電池充電時的短路。在檢測電爆火頭電阻時，如果檢測時間過長，可能會導致電爆火頭因熱量積累而誤點火。對電爆火頭測試時間要求不大于15s。

2 點火器設計

根據前述點火器設計要求，對點火器進行如下設計。

■2.1 整體設計

根據整體設計要求，繪制點火器組成框圖，如圖3 所示。點火器通過內置充電器可以為電池充電，使用檢測儀表實現對電池電壓和電爆火頭阻值檢測。而點火器主電路則需要為電池充電、助推火箭點火、儀表檢測提供通路，還應有安保電路防止助推火箭誤點火和電池短路，點火器主電路是整個點火器的核心。

圖3 點火器組成框圖

■2.2 點火器主電路設計

（1）電池及電池接口的選用

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

圖4 點火器所用電池和XT60 電池插頭

（2）防短路設計

為了防止點火器短路，在電池輸出線上設置相應的保險絲，防止電池發生短路，在充電器輸出端也增加充電保險絲，防止充電時的短路，該部分電路設計如圖5 所示。充電保險絲和電池保險絲都采用常見的管狀保險絲，易于更換。

圖5 點火器防短路電路

（3）電池電壓檢測和電爆火頭阻值檢測

點火器使用萬用表實現對電池電壓和電爆火頭阻值的檢測。為了實現用一塊萬用表完成對電池電壓和電爆火頭阻值的檢測，使用鈕子開關作為選測開關實現電池電壓檢測和電爆火頭阻值檢測功能的切換。檢測電路如圖6 所示。

圖6 電池電壓和電爆火頭阻值檢測電路

考慮到電爆火頭的檢測時間不能超過15s，選測開關采用較大的自恢復鈕子開關，檢測電池電壓或電爆火頭阻值時需要扳動鈕子開關，不檢測時鈕子開關自動復位，且扳動開關時需要用較大的力，可防止對電爆火頭阻值的長時間檢測導致電爆火頭誤點火。萬用表使用性能穩定、質量可靠、準確度高的FLUKE15B 型萬用表，防止檢測電爆火頭時輸出電路過大。

（4）防檢測時間過長保護電路設計

使用自恢復鈕子開關可在一定程度上防止對電爆火頭的檢測時間過長，但人為差錯仍不可完全避免，因此，通過設計防止檢測時間過長電路可以進一步保證檢測的安全性。如圖7 所示為設計的基于NE555 的保護電路，電路工作原理為：當選測開關接至阻值檢測時，圖7 中的開關S1閉合，保護電路上電。NE555 接成施密特觸發器[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，直流繼電器K1 控制端通電，繼電器的常開觸點閉合，萬用表可以檢測電爆火頭的阻值。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，萬用表與電爆火頭之間的檢測通路斷開，這時的充電時間記為t。當S1 在任何時間斷開時，都能使NE555 的3 引腳輸出低電平，直流繼電器常開觸點斷開，萬用表停止對電爆火頭的檢測。電容C1兩端的電壓UC1從0 上升至所用時間t 為：

圖7 防檢測時間過長保護電路

時間t 即防檢測時間過長保護電路的檢測限制時間，當選測開關接至電阻檢測，檢測時間超過t 后，萬用表與電爆火頭的通路被切斷，能有效防止因檢測時間過長導致電爆火頭誤點火。

因對電爆火頭測試時間要求不大于15s，將檢測限制時間t 設置為12s，選取電容C1為100μF，計算得R1的理論值為109kΩ，可選取110kΩ 電阻或者電位器，通過電位器調節時間t。

（5）整體電路

設計的整體電路如圖8 所示，電路中還使用了一個點火準備開關和兩個自復位點火開關進一步防止點火器的誤點火。點火時的具體操作為打開點火準備開關，按下自復位點火開關1，再按下自復位點火開關2，電池為電爆火頭供電，電爆火頭點火，啟動無人機的助推火箭。同時將圖6 中的6 腳自復位開關升級為9 腳自復位開關，多出的一路開關控制防檢測時間過長電路的供電，替代圖7 中的開關S1。

3 試驗驗證

設計的點火器如圖9、圖10 所示，點火器實現了電爆火頭的點火、阻值檢測以及點火器電池電壓檢測。并測得萬用表能對電爆火頭檢測的最長時間為12.2s，達到設計要求。

圖9 點火器

圖10 電爆火頭檢測時間上限

4 結束語

設計的零長發射方式無人機點火器，實現了對點火器內電池電壓檢測、電爆火頭阻值檢測、電池防短路、電爆火頭點火等功能，并設計了基于NE555 接成的施密特觸發器的防止電爆火頭阻值檢測時間過長電路，使點火器在能夠完成助推火箭點火的前提下，具有較高的安全性。