基于電荷平衡原理的引信模擬自毀電路

吳　奇，李曉晨，柳海斌

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所, 西安　710065)

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基于電荷平衡原理的引信模擬自毀電路

吳奇，李曉晨，柳海斌

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所, 西安710065)

摘要:針對(duì)傳統(tǒng)分立電子元件模擬自毀技術(shù)的功耗高、可靠性較差，提出了一種基于電荷平衡原理的引信模擬自毀電路。該電路利用電荷平衡原理取能，輔以負(fù)電壓計(jì)時(shí)模塊和正電壓起爆模塊完成自毀功能。仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證表明,該電路功耗低、計(jì)時(shí)精度高、體積小、可靠性高。

關(guān)鍵詞：引信；模擬自毀；電荷平衡

Citation format:WU Qi, LI Xiao-chen, LIU Hai-bin.Analog Circuit of Fuze Self-Destruction Based on the Charge Balance Principle[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):102-105.

對(duì)引信增加自毀模塊,提高自毀作用率,是提高子彈藥綜合作用率減少未爆彈藥的主要措施之一,也是世界各國(guó)子彈藥引信技術(shù)的主要發(fā)展方向[1]；實(shí)現(xiàn)子彈藥自毀裝置[2]的技術(shù)方法有機(jī)械自毀技術(shù)、火藥自毀技術(shù)、化學(xué)自毀技術(shù)、模擬自毀技術(shù)、專用IC 集成電路自毀技術(shù)和單片機(jī)( 微處理器) 自毀技術(shù)等。目前引信中的自毀模塊一般采用電子自毀模式，電子自毀一般分為專用IC電路的定時(shí)自毀、單片機(jī)自毀和傳統(tǒng)分立電子元件的模擬定時(shí)自毀3種方式[3]。采用傳統(tǒng)分立電子元件的模擬定時(shí)自毀的電路成本較低，但是功耗較高、自毀延時(shí)精度較差[4]、體積較大等缺點(diǎn)限制在引信自毀電路中的廣泛應(yīng)用。針對(duì)傳統(tǒng)模擬自毀電路的缺點(diǎn)，提出了基于電荷平衡原理的引信模擬自毀電路。

1自毀和電荷平衡

1.1自毀實(shí)現(xiàn)方法

機(jī)械自毀技術(shù)一般采用鐘表定時(shí)自毀，是一種早期的自毀技術(shù)，鐘表自毀機(jī)構(gòu)需要復(fù)雜的工序，體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)已很少使用。

火藥自毀技術(shù)大多數(shù)采用延期藥盤實(shí)現(xiàn)自毀功能，其計(jì)時(shí)精度差，自毀時(shí)間受限，體積大，也已很少使用[5]。

化學(xué)自毀技術(shù)是利用化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)自毀，其發(fā)火時(shí)間較長(zhǎng)、時(shí)間散布大、而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)已不再使用。

專用IC 集成電路自毀技術(shù)是在分立電子元件電路基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[6]，質(zhì)量、體積比分立元件電路小，適合小空間內(nèi)加裝，目前已成功用于智能地雷上。但是成本較高，在低價(jià)值子彈藥引信中應(yīng)用受到一定的限制。

單片機(jī)( 微處理器)[7]自毀技術(shù)是利用現(xiàn)代電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型自毀技術(shù)，通過軟件實(shí)現(xiàn)延時(shí)[8],但是功耗較高，工作電流約為10μA,所以適用環(huán)境受到一定制約。

傳統(tǒng)模擬自毀技術(shù)一般采用分立電子元件組合而成，它的出現(xiàn)使自毀技術(shù)由機(jī)械自毀方式向電子自毀方式轉(zhuǎn)變，組成結(jié)構(gòu)是電路內(nèi)部的各個(gè)模塊與電源共地設(shè)計(jì)，計(jì)時(shí)模塊、發(fā)火模塊和取能模塊并聯(lián)共零電平設(shè)計(jì)，組成框圖，如圖1；采用大電容充放電的方式完成自毀時(shí)間要求，自毀時(shí)間由電容充放電時(shí)間決定，自毀裝置體積較大，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，反應(yīng)慢，影響自毀可靠性。在傳統(tǒng)模擬自毀電路中，取能模塊都是采取負(fù)載并聯(lián)的方法，將發(fā)火電容和和自毀計(jì)時(shí)電容并聯(lián)，由于這種取能方法遵循負(fù)載疊加的原則，所以缺點(diǎn)是發(fā)火電容和計(jì)時(shí)工作電容之間的能量匹配只能靠電容的容值來分配，電源負(fù)載高，所以利用率低，其簡(jiǎn)化等效模型如圖2。

圖1　傳統(tǒng)模擬自毀電路原理框圖

圖2　傳統(tǒng)取能模型圖

1.2電荷平衡

電荷平衡原理是指系統(tǒng)中電荷處于穩(wěn)定狀態(tài)[9]，整個(gè)系統(tǒng)中的正負(fù)電荷數(shù)合計(jì)為零；在取電的過程中將電源電荷分為正電荷、負(fù)電荷兩部分分別存儲(chǔ)起來，兩部分?jǐn)?shù)學(xué)和為零即將取能電容串聯(lián)起來，電容上的電荷數(shù)學(xué)和為零[10]。電荷平衡原理簡(jiǎn)化框圖如圖3所示。

電荷平衡原理遵循的數(shù)學(xué)模型如下

C1×U1=C2×U2

由電荷平衡原理的數(shù)學(xué)模型得到電源負(fù)載為(C1+C2)/C1×C2，即將負(fù)載有效降低，提高了電源利用率。

圖3　電荷平衡原理簡(jiǎn)化框圖

2基于電荷平衡原理的引信模擬自毀電路

本研究提出了基于電荷平衡原理的全新模擬自毀電路架構(gòu)，將計(jì)時(shí)模塊和發(fā)火模塊串聯(lián)浮地設(shè)計(jì)。自毀電路按照功能分為取能模塊、負(fù)電壓計(jì)時(shí)模塊、正電壓起爆模塊和正負(fù)電平轉(zhuǎn)換模塊。組成原理框圖如圖4。該方案適用于直流、交流和脈沖電源，特別應(yīng)用在磁后坐電機(jī)作為電源的引信系統(tǒng)中，可有效提高電源利用率。

圖4　組成框圖

取能模塊負(fù)責(zé)吸收和儲(chǔ)存電源能量并給負(fù)壓計(jì)時(shí)模塊和正壓起爆模塊提供電源，正負(fù)電平轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將起爆信號(hào)轉(zhuǎn)換后傳遞給正電壓起爆模塊，然后輸出起爆信號(hào)。

基于電荷平衡原理的自毀電路取能方式是將發(fā)火電容和和自毀計(jì)時(shí)電容串聯(lián)起來，并輔以過壓保護(hù)和能量分配電路，這樣等效電容值下降，就實(shí)現(xiàn)了取能模塊阻抗的變換，對(duì)電源的利用率提高2倍左右；電源隨著負(fù)載的減小，輸出的能量也會(huì)提高，由于這種取能方法遵循電荷相等原則，其簡(jiǎn)化等效模型如圖5。

圖5　串聯(lián)等效模型

負(fù)電壓計(jì)時(shí)模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)計(jì)時(shí)電容電壓，并利用計(jì)時(shí)電容當(dāng)作電源產(chǎn)生電壓基準(zhǔn)作為比較器的參考基準(zhǔn)，當(dāng)電壓到達(dá)預(yù)定閥值后經(jīng)推挽放大輸出負(fù)電壓起爆信號(hào)，組成框圖如圖6。

圖6　負(fù)電壓計(jì)時(shí)模塊組成框圖

如圖所示，電容通過2個(gè)串聯(lián)電阻放電，同時(shí)為電壓基準(zhǔn)和微電流源提供能量，電容上的電壓通過電阻緩慢放電，當(dāng)電容上的電壓比基準(zhǔn)電壓低時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，信號(hào)經(jīng)過半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管推挽后輸出負(fù)電平起爆信號(hào)。

正電壓起爆模塊主要負(fù)責(zé)接收起爆指令后輸出起爆能量，原理如圖7所示 。如圖所示計(jì)時(shí)儲(chǔ)能的電壓經(jīng)過電壓調(diào)整后儲(chǔ)存，當(dāng)電平轉(zhuǎn)換模塊驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)2導(dǎo)通后，觸發(fā)信號(hào)經(jīng)整形后導(dǎo)通電子開關(guān)1，將起爆能量導(dǎo)通至雷管，從而起爆。

圖7　正電壓起爆模塊組成框圖

正負(fù)電平轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將負(fù)電壓計(jì)時(shí)模塊輸出的負(fù)電壓起爆信號(hào)，轉(zhuǎn)換為正電壓信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)，導(dǎo)通觸發(fā)能量至閘流管，從而起爆雷管。

3仿真計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1仿真計(jì)算

按照簡(jiǎn)化等效模型圖2和圖5進(jìn)行取能仿真計(jì)算。按照碰目標(biāo)時(shí)的過載驅(qū)動(dòng)磁芯運(yùn)動(dòng)，從而磁電機(jī)發(fā)電的方式計(jì)算，其計(jì)算方法如下

磁電機(jī)發(fā)出的能量E(t)計(jì)算方法如下：

(1)

其中：N為磁后座電機(jī)線圈匝數(shù)；Vr為磁芯速度；S為磁芯運(yùn)動(dòng)行程；Φ0為線圈截面積。

假設(shè)子彈的加速度曲線a(t)是線性上升，子彈的運(yùn)動(dòng)速度為

(2)

其中：V為子彈落速；Vc為子彈落點(diǎn)速度；am為加速度。

得到磁芯的運(yùn)動(dòng)速度為

(3)

磁芯的位移為

(4)

并聯(lián)取能電路的微分方程為

(5)

其中：R為磁電機(jī)等效內(nèi)阻；L為磁電機(jī)等效電感；E(t)為磁后座電機(jī)在速度V時(shí)發(fā)出的瞬態(tài)電壓。

串聯(lián)取能電容電荷E(c)遵循平衡原理

(6)

其中：C1、C2為電容值；U為電容電壓。

RLC對(duì)E(t)的響應(yīng)，就是它對(duì)δ(t)的響應(yīng)與E(t)的卷積，即電路對(duì)E(t)的響應(yīng)

(7)

其中E(ξ)=Asinw1ξ。

積分可得到取能電容上電壓的表達(dá)式為

(8)

經(jīng)過編程計(jì)算，對(duì)不同的速度可計(jì)算出不同的磁電機(jī)發(fā)電曲線,求出儲(chǔ)能電路中電容器儲(chǔ)存電壓V與不同落速之間的關(guān)系，如圖8所示。

圖8　并聯(lián)模型儲(chǔ)存電壓V與不同落速之間的關(guān)系

在本方案中是將取能電容串聯(lián)起來，經(jīng)過編程計(jì)算，對(duì)不同的落速可計(jì)算出不同的磁電機(jī)電壓E(t)曲線,可求出儲(chǔ)能電路中電容器儲(chǔ)存電壓V與不同落速之間的關(guān)系如圖9中的曲線所示。

圖9　串聯(lián)模型儲(chǔ)存電壓V與不同落速之間的關(guān)系

經(jīng)過仿真計(jì)算得到串聯(lián)方式比并聯(lián)方式獲得多約1倍的電荷數(shù)，這樣在電路工作電流固定的情況下，獲得了更多的有效使用能量，使電路的性能大大提高。在串聯(lián)實(shí)際應(yīng)用中通過調(diào)整2個(gè)電容的容值匹配不同的電壓，使參數(shù)得到進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2試驗(yàn)驗(yàn)證

將該基于電荷平衡原理的模擬自毀電路和傳統(tǒng)并聯(lián)取電方式模擬自毀電路進(jìn)行了同條件下的磁電機(jī)取電試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由試驗(yàn)結(jié)果得到，在等效容抗一致、同等電源的情況下，電荷平衡型的取電方式比傳統(tǒng)并聯(lián)取電方式獲得多約1倍的能量，和仿真結(jié)果一致。

該基于電荷平衡原理的模擬自毀電路已經(jīng)應(yīng)用在火箭子彈引信中,共進(jìn)行了1 000發(fā)原理樣機(jī)試制和20 000發(fā)生產(chǎn),試制合格率達(dá)到了99%，并經(jīng)過了高溫，低溫的性能測(cè)試，技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表2所示。

基于電荷平衡原理的模擬自毀電路通過對(duì)1 000發(fā)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，工作電流、常溫計(jì)時(shí)精度、高低溫計(jì)時(shí)精度和體積都達(dá)到了專用集成電路水平，試制產(chǎn)品合格率提高了約10%，成本最低。

表1　試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照

表2　參數(shù)對(duì)照

4結(jié)論

提出了基于電荷平衡原理的引信模擬自毀電路。該電路利用電荷平衡原理取能，將電源電荷分為正電荷、負(fù)電荷分別存儲(chǔ)，輔以負(fù)電壓計(jì)時(shí)模塊利用負(fù)電荷完成計(jì)時(shí)工作；正電壓起爆模塊利用正電荷完成起爆輸出功能，正負(fù)轉(zhuǎn)換模塊完成計(jì)時(shí)模塊和起爆模塊之間的信號(hào)傳遞。仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證表明該架構(gòu)的模擬自毀電路功耗低、計(jì)時(shí)精度高、體積小、可靠性高、成本低。該自毀電路架構(gòu)模式為引信自毀電路的設(shè)計(jì)提供了一種新的技術(shù)途徑，可以廣泛地應(yīng)用于多種引信。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

Analog Circuit of Fuze Self-Destruction Based on the Charge Balance Principle

WU Qi, LI Xiao-chen, LIU Hai-bin

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Abstract:Aiming at the low reliability and high power consumption of discrete electronic components, a analog circuit of fuze self-destruction was designed based on the principle of charge balance. Obtaining the energy on the basis of the charge balance principle, the circuit can realize the function of self-destruction with negative voltage timing module and positive voltage ignition module. The simulation and the experiment both prove that the circuit have advantages of low power consumption, high timing accuracy, small size and high reliability.

Key words:fuze；analog circuit of fuze self-destruction; charge balance principle

文章編號(hào)：1006-0707(2016)03-0102-05

中圖分類號(hào)：TJ430.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.025

作者簡(jiǎn)介：吳奇(1980—)，男，主要從事引信研究。

收稿日期：2015-10-19；修回日期：2015-10-31

本文引用格式：吳奇，李曉晨，柳海斌.基于電荷平衡原理的引信模擬自毀電路[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(3):102-105.

【信息科學(xué)與控制工程】