箭載計算機在運載火箭中的功能研究

任廣辰+閆長燦

摘要：箭載計算機是現(xiàn)代運載火箭控制系統(tǒng)中的重要組成部分。60年代以來，微電子技術(shù)與計算機技術(shù)迅速發(fā)展，特別是在70年代微處理機問世之后，數(shù)字計算機在運載火箭上的應(yīng)用日益廣泛，現(xiàn)代運載火箭控制系統(tǒng)中的各種計算功能越來越多地采用數(shù)字計算技術(shù)完成。因此，箭載計算機在運載火箭中的地位尤為重要。

關(guān)鍵詞：箭載計算機 慣性制導(dǎo) 捷聯(lián)制導(dǎo) 積分運算

中圖分類號：V448 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（b）-0000-00

1.箭載計算機的功能概述

箭載計算機的功能和作用箭載計算機在運載火箭中的功能研究

可以從控制計算和輔助計算兩方面來論述。

1.1控制計算

在彈道導(dǎo)彈中，通常采用慣性制導(dǎo)技術(shù)。慣性制導(dǎo)箭載計算機接收來自慣性器件的測量參數(shù)值，按慣性制導(dǎo)的功能要求，計算出相應(yīng)的指令。

由于慣性器件不能直接測出箭體運動的位置，而只能測出箭體運動的加速度或速度，位置數(shù)據(jù)則是用計算機對速度完成一次積分，或?qū)铀俣韧瓿啥畏e分得到的。因此，積分計算是箭載計算機的典型運算之一，如何有效地實現(xiàn)積分運算是箭載計算機設(shè)計的關(guān)鍵。積分運算有許多方法，可根據(jù)使用要求與實現(xiàn)條件來選擇。其中集成電路技術(shù)對計算機的發(fā)展起著替代的作用。每一代新工藝都導(dǎo)致一種新型箭載計算機的產(chǎn)生。當(dāng)小規(guī)模集成電路（SSI）出現(xiàn)的時候，可以采用增量計算機的機器結(jié)構(gòu)，能進一步提高積分運算的速度。當(dāng)中規(guī)模集成電路（MSI）可用的時候，可以采用字并行位串行的數(shù)字積分的機器結(jié)構(gòu)，能進一步提高積分運算的速度，并縮小機器的體積。大規(guī)模集成電路（LSI）出現(xiàn)以后，便可采用位并行字串行的微型計算機，并允許用更普通的數(shù)值計分方法來完成積分運算。

在捷聯(lián)制導(dǎo)系統(tǒng)中，慣性器件測得的是沿箭體軸向的加速度，需要用數(shù)學(xué)方法將箭體牽連坐標(biāo)系的軸向加速度換算成慣性坐標(biāo)系的軸向加速度。因此，三角函數(shù)計算與矩陣計算是箭載計算機的典型運算之一，也是選擇機器體系結(jié)構(gòu)時要重點考慮的一個方面?；鸺刂葡到y(tǒng)除了制導(dǎo)系統(tǒng)外，還有姿態(tài)控制系統(tǒng)，其功能是保證火箭穩(wěn)定飛行。在姿態(tài)控制計算中，主要是數(shù)字網(wǎng)絡(luò)方程的計算，一般用Z變換來表示。改寫成計算機上能直接編寫程序的代數(shù)方程后，不難看出，在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)方程計算中，乘法的出現(xiàn)頻率是很高的。所以，為了提高控制計算的速度，使用慣性制導(dǎo)的計算機能將單片機乘法器作為協(xié)處理器使用也是很有利的。

為了提高運載火箭的入軌精度，除了使用慣性制導(dǎo)外，在飛行彈道的中段和末段，采用天文制導(dǎo)和雷達制導(dǎo)等技術(shù)是當(dāng)前制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的趨勢。根據(jù)復(fù)合制導(dǎo)的復(fù)雜程度不同，所用的計算機可以就是用于慣性制導(dǎo)的單計算機，通過延長工作時間來解決。但一般而言，在復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)中，由于增加了匹配計算，需要利用超大規(guī)模集成技術(shù)（VLSI）以及設(shè)計專用的相關(guān)處理機來實現(xiàn)。這種箭載計算機就是一個多處理機系統(tǒng)。

1.2輔助計算

隨著計算機技術(shù)的進步，箭載計算機的功能也在不斷擴充。例如，在火箭起飛前，為確?？煽啃?，需要對整個系統(tǒng)進行全面測試。由于計算機在箭上處于控制中樞的有利位置，與箭上被測設(shè)備之間存在著有機的電氣聯(lián)系，因而利用箭載計算機完成測試的箭測方法不僅在實現(xiàn)上更為靈活，而且測試精度更高，對改善全箭的機動能力和提高反應(yīng)速度也是極為有利的。

測試與裝訂程序自動化也是實時性要求決定的。在火箭發(fā)射前，通常要進行功能檢查，對目標(biāo)進行瞄準，并對箭載計算機裝訂飛行控制數(shù)據(jù)。這些都是借助地面發(fā)控設(shè)備與箭載計算機共同完成的。此外，由箭載計算機綜合進行箭上電子設(shè)備的快速檢測和實時監(jiān)控已成為重要的發(fā)展趨勢。由此帶來的一個顯著特點是計算機接口的多樣性和復(fù)雜性。

2.內(nèi)容研究分析

箭載計算機是一種實時計算機，計算機接口主要用于實時輸入與輸出，數(shù)據(jù)采樣時間間隔一般為幾毫秒到幾十毫秒，計算周期等于采樣間隔時間或它的數(shù)倍，隨著運載火箭性能指標(biāo)的提高，箭載計算機的功能也不斷增加，對計算機的速度要求將越來越高。

在箭載計算機中，時間是一個重要的參數(shù)，它是積分計算的自變量，也是程序脈沖的基準量。由于計算精度要求高，箭載計算機的時鐘采用精度與穩(wěn)定度都很高的晶體作為產(chǎn)生機器主脈沖的時鐘來源，以保證各種時間間隔值滿足精度要求。

為了保證各個量的采樣時間都正好在時間節(jié)點上，在箭載計算機的實時輸入數(shù)字接口中，選用了雙工的可逆計數(shù)器。對姿態(tài)控制計算，要求從采樣到輸出之間的時延越短越好，這就要求程序編排上優(yōu)先保證。箭載計算機的實時性，不僅要求對硬件與軟件作上述的特殊處理，更困難的是，隨著計算功能的上升，對計算速度的要求將越來越高。

2.2可靠性研究

運載火箭是一次性使用產(chǎn)品，在飛行中是無法維修的。計算機一旦失靈，就會造成嚴重后果。為了滿足極高的可靠性要求，除了嚴格挑選元器件并進行整機老練外，還采用特殊的設(shè)計方式；余裕技術(shù)和自檢與故障監(jiān)控技術(shù)，用于多個處理機構(gòu)成具有容錯能力的系統(tǒng)。箭載計算機的可靠性就是在規(guī)定的時間內(nèi)與規(guī)定的條件下正常工作的概率。由于規(guī)定的環(huán)境條件是惡劣的，這給可靠性指標(biāo)的實現(xiàn)帶來了極大的困難。適應(yīng)環(huán)境條件的惡劣性主要表現(xiàn)在：

（1）允許工作溫度范圍大 由于不能采用風(fēng)冷法，為保證集成電路工作的可靠性，在結(jié)構(gòu)組裝設(shè)計中要解決機箱內(nèi)散熱問題。熱設(shè)計的目的在于將集成電路的熱量從其封裝外殼傳到印制板的散熱片上，再傳到密封的機殼上，使半導(dǎo)體器件有較低的結(jié)溫和結(jié)溫差。

（2）防震動和沖擊 為了防止產(chǎn)生過大的震動和沖擊，除了對印刷版加固和插接件定制外，一般還要采用減震措施來解決強振以及高達幾十個g的沖擊過載等問題，同時又不能造成體積重量的過分增加。

（3）耐潮濕 要求機箱結(jié)構(gòu)有很好的密封性能。為了提高防潮性能，一般還要對印刷版和機殼密封處加以涂敷，增強抗腐蝕能力。

（4）抗電磁干擾 要求機器結(jié)構(gòu)盡量是屏蔽的，端口器件是高閾值的，具有抗電磁脈沖（EMP）能力，并保證良好接地。

2.3嵌入性

因為箭載計算機屬于嵌入性產(chǎn)品，一般安裝在狹窄的儀器艙中，它的體積、質(zhì)量和功耗都受到嚴格的限制。因此，對箭載計算機的幾何形狀有時也要有特殊規(guī)定，質(zhì)量大小影響更為突出。這些苛刻的物理要求無疑給嵌入性產(chǎn)品增加了實現(xiàn)的難度。解決的方法是：設(shè)計上專用，工藝上采用LSI電路，裝配上采用二次集成技術(shù)，在機械結(jié)構(gòu)上采用有效的熱設(shè)計措施，并采用低功耗（如CMOS）集成電路以達到高密度組裝的目的，計算機的二次電源以高效率和電隔離為基礎(chǔ)，力求小型化。

結(jié)束語：

箭載計算機是運載火箭控制系統(tǒng)中的重要組成部分，對火箭的制導(dǎo)與飛行起著重要的作用。準實時性、高可靠性、高嵌入性的箭載計算機對運載火箭的飛行性能起著決定性作用。因此，箭載計算機的性能是運載火箭控制系統(tǒng)發(fā)揮作用的重要基礎(chǔ)。

參考文獻

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