橋絲電點火器的驅(qū)動電路設(shè)計*

張憲國,曹紅松,趙捍東,白 松

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

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橋絲電點火器的驅(qū)動電路設(shè)計*

張憲國,曹紅松,趙捍東*,白 松

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

用于飛行器姿態(tài)控制的脈噴發(fā)動機常采用火藥包裹的橋絲電點火器進行點火,電點火器需要短時脈沖電流驅(qū)動。本文針對微小型橋絲電點火器驅(qū)動需求,設(shè)計了光耦隔離恒流源方式及電容儲能脈沖放電驅(qū)動電路,均實現(xiàn)了對阻值波動橋絲電點火器的點火驅(qū)動。試驗證明,光耦隔離恒流源方式可靠性高,安全穩(wěn)定,電容儲能放電方式效率高、作用迅速。該兩種設(shè)計方法可為脈噴發(fā)動機的工程實踐提供參考。

電火工品;恒流源;電容放電;點火電路設(shè)計

脈噴發(fā)動機工作時可直接產(chǎn)生作用力改變飛行器的姿態(tài),經(jīng)常被小衛(wèi)星、彈箭用來作姿態(tài)控制,從而改變飛行軌跡。脈噴發(fā)動機一般靠裝填的火藥作用產(chǎn)生推力,工作時間短,在幾十微秒級,需要點火裝置適時點火[1]。目前電點火器經(jīng)常用到可變阻值橋絲電點火器,橋絲上包裹火藥,當給橋絲接通瞬時大電流時,橋絲發(fā)熱,點燃火藥,火藥驅(qū)動脈噴發(fā)動機點火工作。對于采用橋絲電點火器作為脈沖發(fā)動機的點火能源,需要設(shè)計快速、穩(wěn)定起爆的點火驅(qū)動電路,其直接影響姿態(tài)控制系統(tǒng)的響應(yīng)[2]。本文針對火工品作用機理,建立了橋絲電熱升溫模型及含能材料絕對超臨界化學反應(yīng)模型,計算最大點火溫度、點火時間,作為驅(qū)動電路的脈寬控制設(shè)計參數(shù)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了光耦隔離恒流源、儲能電容脈沖放電兩種起爆電路,考慮工程適應(yīng)性完成硬件設(shè)計制作,并通過試驗驗證了電路設(shè)計方案合理可行,這為可變阻值橋絲電點火器在脈噴發(fā)動機上的工程應(yīng)用提供驅(qū)動電路的設(shè)計方法。

1 脈沖發(fā)動機作用過程

脈沖助推器陣列裝配在火箭彈質(zhì)心前的制導部位,沿圓周方向均勻分布[3-4]。陣列排布見圖1。

脈沖發(fā)動機作用包括電熱過程、點火、持續(xù)燃燒、膜破裂、氣體動力學過程[5]。其中針對橋絲電火工品,電能傳遞到橋絲激活脈沖發(fā)動機,實現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)換。點火、持續(xù)燃燒過程中電阻橋絲傳遞熱量到固體火藥,火藥引燃后形成氣體,增加脈沖腔內(nèi)壓力,導致覆層破裂,燃氣噴發(fā)形成側(cè)向噴流反作用于載體實現(xiàn)修正。

圖1 姿態(tài)控制發(fā)動機布局

2 橋絲電點火器升溫及放熱模型

橋絲電火工品能在大電流作用下極短時間內(nèi)起爆,瞬間發(fā)火功率高,常被用于槍炮發(fā)射用火藥的點火。目前脈噴發(fā)動機主要也是采用火藥作用產(chǎn)生推力,因此點火選用橋絲電點火器,但脈噴發(fā)動機對其起爆時間要求較高,需要驅(qū)動電路瞬間提供大電流。本文選用兩種驅(qū)動電源原理進行驅(qū)動電路的設(shè)計:恒定直流電源與儲能電容,前者是通過恒定電流加熱橋絲,后者則是電容放電過程中變化電流通過橋絲。

2.1 電點火橋絲初步設(shè)計

根據(jù)工程經(jīng)驗與工藝要求,橋絲直徑一般選取在0.01 mm～0.04 mm,橋絲長度2 mm～4 mm。在藥劑一定時,橋絲直徑越細,橋絲溫度越高,而且橋絲越長越有利于發(fā)火,對于藥劑,燃速越大越利于發(fā)火作用。選取鎳鉻絲(65%Ni+20%Fe+15%Cr)橋絲,半徑r=0.02 mm,長度l=3 mm,含能材料為LTNR,參數(shù)如表1和表2所示。

表1 Ni-Cr橋絲材料基本參數(shù)[7]

表2 斯蒂芬酸鹽基本參數(shù)[7]

表中:

橋絲質(zhì)量:m=πr2lσw

(1)

(2)

橋絲火工品電發(fā)火過程中的基本時間結(jié)構(gòu)大致可分為橋絲的升溫過程和點火藥爆發(fā)遲滯期(主要為吸熱分解和燃燒過程)[6]。兩個過程連續(xù)進行,并無明顯界限。橋絲材料根據(jù)焦耳定律升溫,含能材料根據(jù)阿倫尼烏斯定律發(fā)生反應(yīng)。

2.2 橋絲電熱升溫模型

電熱過程橋絲輸入電功率:

P(t)=I2RΩ{1+α[T(t)-Ta]}

(3)

式中:P為功率,W;I為電流,A;RΩ為橋絲常溫下電阻,Ω;α為橋絲材料電阻溫度系數(shù),K-1;T(t)為橋絲溫度,K;Ta為環(huán)境溫度,K。

2.2.1 恒定電流電熱升溫時間

恒流源作為能量源進行點火,在快速通電中,橋絲加熱速率遠高于冷卻效率[8]。輸入能量只用于加熱橋絲,忽略熱損失,根據(jù)能量守恒定律:

(4)

求得溫度T(t)與通電時間t之間關(guān)系如下:

(5)

2.2.2 儲能電容放電電熱升溫時間

由于電容供電效率高,發(fā)火時間較短,忽略電阻隨溫度變化,則電容放電過程中電壓U(t),電流I(t),橋絲輸入功率P(t)分別為:

(6)

(7)

P(t)=I2(t)RΩ

(8)

式中:U0為電容充電電壓,V。因橋溫上升時間比冷卻時間小得多,忽略熱損失,則能量守恒方程式為:

(9)

求得電容點火時溫度與時間關(guān)系為:

(10)

(11)

輸入橋絲能量為:

(12)

電容剩余能量為:

(13)

2.3 電點火器放熱模型

電點火器橋絲上包裹的含能材料依靠橋絲升溫點火,根據(jù)文獻[9]關(guān)于超臨界化學反應(yīng)闡述,定義熱點火溫度為橋絲點熱升溫速率和含能材料化學升溫速率相等時溫度。設(shè)定點火溫度為Tf,升溫時間tf,在Tf時含能材料化學放熱均溫絕熱系統(tǒng)能量守恒方程與橋絲電熱系統(tǒng)中升溫速率相等,以此溫度作為系統(tǒng)溫度。均溫系統(tǒng)能量守恒方程:

(14)

由于爆炸時間在微秒級別,忽略熱損失χS(T-Ta);非均溫系統(tǒng)能量守恒方程:

(15)

由于加熱層很薄,厚度相當于熱點直徑,約在微米級別,所以忽略溫度分布k2T。根據(jù)絕對超臨界條件下,化學放熱系統(tǒng)可以近似為均溫絕熱系統(tǒng):

(16)

由于電阻溫度系數(shù)較小,忽略電阻RΩ隨溫度變化,求解恒流電熱升溫Tf:

(17)

將式(7)代入上式得

(18)

與式(11)聯(lián)立求解點火溫度滿足:

(19)

根據(jù)熱爆炸理論,絕對超臨界化學反應(yīng)放熱系統(tǒng)近似為均溫絕熱系統(tǒng)[9],發(fā)生爆炸時間為絕熱爆炸延滯期,初始溫度為點火溫度Tf,將Tf代入即可求解爆炸時間。

(20)

電起爆火工品作用總時間為升溫時間與含能材料爆炸遲滯期,即為:

ts=tf+tad

(21)

3 光耦隔離恒流源驅(qū)動電路設(shè)計

3.1 光耦隔離恒流源驅(qū)動原理

利用恒定直流源作為橋絲電熱轉(zhuǎn)換能源,加熱橋絲實現(xiàn)點火管起爆。起爆系統(tǒng)由以下幾部分組成:譯碼電路、光耦隔離掃描控制電路、執(zhí)行電路。每具點火執(zhí)行部分由肖特基勢壘整流器、點火管組成,整流器形成單向?qū)娐?。光耦隔離恒流源系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖2所示。系統(tǒng)工作原理框如圖3所示。

圖2 恒流源光耦隔離硬件電路系統(tǒng)

圖3 光耦隔離恒流源方式執(zhí)行原理

MPU計算脈噴點火參數(shù),向譯碼器DECODER發(fā)出指令,譯碼完成輸出選路信號完成行列掃描導通,在經(jīng)過定時后進行電源導通,完成點火管起爆。光耦繼電器實現(xiàn)了控制信號與點火作用電源進行隔離[10]。恒流源作為點火執(zhí)行的能量來源,其穩(wěn)定輸出性能提供可靠且足夠電流進行點火[11]。在允許范圍內(nèi)采用大電流點火,延遲時間短。

執(zhí)行級電路使用12 V～36 V直流電源供電,為了保證系統(tǒng)的安全,在未接收到點火準備指令前,點火執(zhí)行級處于斷電狀態(tài)[12]。在點火指令輸出后,首先進行選路導通,通過短定時后執(zhí)行供電指令,執(zhí)行起爆。

3.2 恒流源驅(qū)動電路設(shè)計

在行控制CLM_CNT、列控制ROW_CNT信號下,實現(xiàn)矩陣方式選擇導通實現(xiàn)低導通電阻放電回路。在行列掃描導通基礎(chǔ)上,脈寬控制取決于導通控制SWT_CNT信號。起爆電路陣列控制原理如圖5所示。成熟橋絲電火工產(chǎn)品存在一定阻值波動,選取其阻值在2.3 Ω～3.5 Ω范圍內(nèi)。起爆總時間包括升溫時間與爆炸時間,恒流源起爆方式中,升溫時間比遲滯時間高出一到兩個數(shù)量級,認為遲滯時間在點火溫度一定變化范圍內(nèi)近似相等,發(fā)火時間近似于升溫時間。恒流源作為點火能量來源,發(fā)火時間與電流成反比,與電阻成反比,即發(fā)火時間隨電流增大而減小,隨橋絲阻值增大而減小。發(fā)火時間隨恒定電流、橋絲電阻變化如圖5所示。

根據(jù)式(21)計算ts作為脈寬控制參考。

圖4 陣列掃描控制導通矩陣

圖5 發(fā)火時間ts隨恒定電流I、橋絲電阻RΩ變化曲線

4 電容儲能放電驅(qū)動電路設(shè)計

4.1 電容儲能放電驅(qū)動原理

電容式脈沖修正電路通過電容儲能,在接受觸發(fā)信號后儲能電容快速放電,加熱橋絲,起爆EED陣列中某點火管放電起爆。工作原理框圖如6所示。

圖6 儲能電容放電方式工作原理

MPU初始化完成后,通過信號CHARGE_EN控制儲能電容充電,在檢測到修正信號后通過以譯碼器(DECODER)輸出選路信號,儲能電容通過選擇通路對EED陣列某路點火管起爆。EED陣列由總線控制,總線方式實現(xiàn)對單個點火管直接控制。

4.2 硬件電路設(shè)計

充電電路為包含充電電源Vcc,充電控制開關(guān)SWT,充電回路電阻R,儲能電容C。儲能電容采用恒壓充電方式充電,充電電阻R決定電容充電所需時間,同時決定充電電流對電源影響。放電回路由單個EED,選路控制開關(guān)Qx組成,簡化為RΩC回路,其中RΩ為簡化電路后橋絲火工品阻值。

主控運行正常后,發(fā)送充電控制信號SWT,實現(xiàn)儲能電容充電控制。在主控解算完成之后,發(fā)送命令至譯碼器,譯碼完成后控制信號通過總線實現(xiàn)單路導通。單路原理示意圖見圖7。選路原理如圖8所示,其中Q1等為單路控制開關(guān),控制放電回路導通。

圖7 單路點火具充放電電路

圖8 總線方式控制選路原理

充放電過程中分別用τc,τr表征充、放電常數(shù),其中τc=RC,τr=RΩC。

放電回路電阻近似于橋絲電阻RΩ,因放電電流大,應(yīng)使能量集中于橋絲實現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)換。選取Power MOSFET系列開關(guān)控制管,其導通電阻RDS(ON)最大值為0.075 Ω。電容式儲能放電修正點火主要集中在3方面問題:點火量,充放電時間,動態(tài)阻抗匹配[13]。電容具有快速放電,慢速充電特點,充電時間為(3～5)τc時,電容電壓達到(95%～99%)U0。放電過程中,在經(jīng)過一個時間常數(shù)τr后,儲能電容電壓降為0.37U0。電容充放電電壓變化示波器采集如圖9所示。

圖9 儲能電容重復放充電電壓變化曲線

在計算電容放電點火溫度、點火時間時,避免進行復雜數(shù)值計算,可采用恒流方式所計算點火溫度作為參考,結(jié)合含能材料LTNR爆發(fā)點為543.15 K～553.15 K反算得到[7]。系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖10所示。

圖10 儲能電容硬件電路系統(tǒng)

圖11 點火時間隨點火溫度,橋絲阻值變化曲線

由圖11知,充電電壓一定,電容量一定時,阻值越大,需要消耗電容儲能越大,即所需放電時間越長,此時選取最長點火時間作為脈寬控制參考。由圖12知,在滿足起爆能量條件下,高電壓、小電容值組合比低電壓,大容量值組合效果明顯,容易起爆點火管。

從圖11、圖12來看,點火時間隨點火溫度升高而降低,點火溫度主要來自橋絲電熱效應(yīng)。因此在保證再次起爆間隔和有效起爆條件下,應(yīng)盡量增加電容放電時間,提高點火溫度。

圖12 點火時間、點火溫度在不同充電電壓,電容組合變化曲線

電容放大方式作用時間短,升溫時間與點火時遲滯時間均在百微秒級,總體作用時間比恒流方式短,電容放電方式起爆具有高效率?？紤]充放電時間,防止瞎火出現(xiàn),電容與充電電阻,放電電阻之間需要進行匹配。橋絲通電時間與電容放電進行到第1個時間常數(shù)時,認為能量充分利用,以此為依據(jù)進行匹配,起爆效果較好。

5 結(jié)論

試驗中采用恒流源(I=1.2 A)與電容放電低電壓大電容組合,高電壓低電壓組合中相比較。采用RΩ=2.3 Ω,含能材料LTNR爆發(fā)點時,恒流源方式用時為1.5 ms(如圖5所示),兩組電容放電用時分別為900 μs、200 μs(如圖12所示)。通過比較發(fā)現(xiàn),電容儲能放電方式因其具有強放電能力,使火工品作用更迅速。在修正執(zhí)行頻率允許范圍內(nèi),恒流源方式同樣能夠穩(wěn)健起爆。

本文在分析橋絲電點火器作用過程基礎(chǔ)上,對橋絲進行了初步設(shè)計,建立了升溫放熱模型,設(shè)計了光耦隔離恒定直流源及儲能電容放電驅(qū)動電路并進行了試驗。試驗表明:光耦隔離恒流方式采用直流電源作為點火能源,通過光耦繼電器實現(xiàn)控制信號與執(zhí)行電路隔離,避免瞬發(fā)電流對控制系統(tǒng)影響,其在電路結(jié)構(gòu)上節(jié)省空間,在嚴苛環(huán)境下貯存時間較長。電容儲能方式采用儲能電容放電作為點火能量來源,因其快速放電特性,脈沖能量輸入橋絲效率高,瞬時功率大,起爆時間短,效率高,對于快速起爆具有重要意義。兩種電路對工程適應(yīng)性較強,可以為相關(guān)設(shè)計提供參考。

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Bridge Wire Electric Ignition Drive Circuits Design*

ZHANGXianguo,CAOHongsong,ZHAOHandong*,BAISong

(School of Mechanical and Electronic Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Pulse jet engines are often ignited by gunpowder wrapped bridge wire electric igniter and widely used in aircraft attitude control. The electric igniter needs short-pulse current driving for rapid initiation. In this paper,opto-isolated constant current source and capacitor discharge mode driving circuits are designed for the demand of micro-bridge wire electric igniter. Two kinds of detonating circuit designs implemente the ignition driving of brige wire electric igniter wtih resistance fluctuations. The constant current source mode is capable of long storage life,compact spatial structure and high safety,and the reservoir capacitor mode demonstrates high energy efficiency and fast-acting for quick initiation. Two methods provide reference designs for the pulse jet engines of different engineering requirements.

electric igniter;constant current source;capacitor discharge;detonating circuit design

張憲國(1988-),男,中北大學在讀碩士研究生,主要研究方向為彈箭飛行控制,xianguo_zh@163.com;

曹紅松(1967-),女,教授,碩士生導師,現(xiàn)為中北大學彈箭模擬仿真研究中心主任,主要研究方向為制導彈藥的彈道理論與技術(shù),彈箭飛行仿真技術(shù),chs@nuc.edu.cn;

趙捍東(1960-),男,教授,碩士生導師,現(xiàn)任中北大學機電工程學院副院長,主要從事彈箭結(jié)構(gòu)與控制、彈道理論與控制,脈沖發(fā)動機控制技術(shù)以及戰(zhàn)斗部毀傷技術(shù)研究。

項目來源:兵科院支撐基金項目(62201070503)

2014-09-04 修改日期:2015-02-13

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.010

TJ413

A

1004-1699(2015)05-0665-06