用于攔截彈的彈上控制裝置研制*

周軍，邊友，王銳

(1.北京機(jī)械設(shè)備研究所，北京 100854;2.中國(guó)人民解放軍駐航天科工集團(tuán)第二研究院206所軍事代表室，北京 100854)

0 引言

低慢小目標(biāo)，又稱(chēng)低空、慢速、小型飛行器，主要指航空模型、小型無(wú)人機(jī)等。隨著近幾年航空科技的發(fā)展，低慢小目標(biāo)擴(kuò)散速度加快，恐怖分子和敵對(duì)勢(shì)力利用低慢小目標(biāo)對(duì)重要活動(dòng)、大型集會(huì)和政治場(chǎng)所等實(shí)施恐怖襲擊或破壞性活動(dòng)的可能性逐漸加大。攔截低慢小目標(biāo)逐漸成為安保、反恐領(lǐng)域的新需求。

低慢小目標(biāo)攔截系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確的捕獲各類(lèi)低慢小目標(biāo)，此攔截系統(tǒng)中攔截彈是主要的空中戰(zhàn)斗部，而攔截彈正常工作，需要由一種可靠穩(wěn)定的彈上控制裝置給出動(dòng)作時(shí)間，因此迫切需要研制一種抗高過(guò)載的彈上控制裝置，這種控制器必須確保在攔截彈的發(fā)射過(guò)程中可靠穩(wěn)定運(yùn)行，可在經(jīng)歷幾千g的發(fā)射過(guò)載后，仍穩(wěn)定輸出攔截部件的動(dòng)作時(shí)間，確保攔截系統(tǒng)正常工作。

彈上控制裝置是攔截彈的重要組成部分，是在預(yù)定條件下引爆或引燃戰(zhàn)斗部裝藥的控制系統(tǒng)或裝置[1-5]。它是攔截彈的重要組成部分，用于控制戰(zhàn)斗部在相對(duì)目標(biāo)的最佳位置和時(shí)機(jī)上起爆。其中，彈上控制裝置既要保證使用安全，又能使戰(zhàn)斗部充分發(fā)揮預(yù)定功能，特別是對(duì)目標(biāo)發(fā)揮最大毀傷效能[6-9]。

本文中的攔截彈沒(méi)有單獨(dú)的引信，而是由彈上控制裝置、點(diǎn)火器和彈上安執(zhí)共同完成引信的功能。其中檢測(cè)、裝訂和輸出點(diǎn)火電流主要功能是由彈上控制裝置完成[10-12]。

本文主要介紹彈上控制裝置的設(shè)計(jì)內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)和研制過(guò)程中遇到的問(wèn)題。其中關(guān)鍵技術(shù)中主要介紹雙環(huán)境力解除保險(xiǎn)設(shè)計(jì)，即保證運(yùn)輸過(guò)程中攔截彈的安全性，又要確保發(fā)射后的可靠作用。

1 彈上控制裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框圖

彈上控制裝置是攔截彈的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)與瞄具的實(shí)時(shí)信息交互，可靠地對(duì)發(fā)射過(guò)載與出筒斷電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，在滿(mǎn)足發(fā)射條件后按預(yù)定時(shí)間完成開(kāi)傘、開(kāi)網(wǎng)動(dòng)作。

彈上控制裝置由膠體、慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)能電容、通信電路、檢測(cè)電路與執(zhí)行電路組成。彈上控制裝置的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 彈上控制裝置組成框圖Fig.1 Block diagram of control device on missile

1.2 工作原理流程

攔截彈發(fā)射前，筒外瞄具通過(guò)充電電路為彈上控制裝置內(nèi)部?jī)?chǔ)能電容進(jìn)行充電，并通過(guò)485通信給彈上控制裝置裝訂開(kāi)傘時(shí)間參數(shù)t1和開(kāi)網(wǎng)時(shí)間參數(shù)t2，彈上控制裝置回復(fù)裝訂成功后處于待發(fā)狀態(tài)。

發(fā)射時(shí)，發(fā)射過(guò)載會(huì)使彈上控制裝置內(nèi)部的慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)閉合，MCU檢測(cè)到慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)閉合后，如果在窗口時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到斷電信號(hào)，則彈上控制裝置確認(rèn)攔截彈已發(fā)射，電路開(kāi)始計(jì)時(shí)，定時(shí)到t1時(shí)刻輸出一路點(diǎn)火信號(hào)，定時(shí)到t2輸出另一路點(diǎn)火信號(hào)。如果彈上控制裝置先檢測(cè)到斷電信號(hào)，也開(kāi)啟時(shí)間窗口，在時(shí)間窗口內(nèi)檢測(cè)到過(guò)載信號(hào)，同樣開(kāi)始點(diǎn)火計(jì)數(shù)。

當(dāng)MCU檢測(cè)到斷電信號(hào)后，在窗口時(shí)間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到過(guò)載信號(hào)，則說(shuō)明攔截彈取消發(fā)射。此時(shí)彈上控制裝置需對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行放電，耗散掉電容能量。

如果MCU檢測(cè)到慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)閉合后，在窗口時(shí)間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到斷電信號(hào)，則引信判斷攔截彈沒(méi)有發(fā)射，不執(zhí)行定時(shí)，程序返回重新檢測(cè)過(guò)載。

1.3 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

彈上控制裝置的工作儲(chǔ)能電容用于提供攔截彈發(fā)射后電路的運(yùn)行所需能量和輸出點(diǎn)火信號(hào)所需的能量。儲(chǔ)能電容選擇小了無(wú)法提供足夠的能量保證攔截彈的正常工作；儲(chǔ)能電容選擇大了會(huì)影響整體的體積，所以?xún)?chǔ)能電容的選擇至關(guān)重要。

儲(chǔ)能電容分為2個(gè)點(diǎn)火電容和系統(tǒng)工作電容，3個(gè)儲(chǔ)能電容彼此隔離，不會(huì)互相充放電，以保證各模塊的正常工作。

點(diǎn)火電容分為開(kāi)傘點(diǎn)火電容和開(kāi)網(wǎng)點(diǎn)火電容，根據(jù)點(diǎn)火器廠(chǎng)家提供指標(biāo)，開(kāi)傘、開(kāi)網(wǎng)電容選用27 V，68 μF的電容即可可靠點(diǎn)火，實(shí)際應(yīng)用中選取了50 V，100 μF的高分子固體電解質(zhì)鉭電容。

攔截彈發(fā)射后彈上控制裝置工作由系統(tǒng)工作電容提供，由于工作時(shí)間指標(biāo)要求并考慮到儲(chǔ)存時(shí)間的條件，彈上控制裝置選用了高能鉭電容，儲(chǔ)存期限可以到達(dá)15年且電容器性能不下降。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量，在輸入值35 V時(shí)，消耗功率為7 mA，由此計(jì)算彈上控制裝置工作1.5 s所需能量為0.357 J，具體計(jì)算過(guò)程為

E1=U1I1t1，

(1)

式中：E1為彈上控制裝置工作電路所需能量；U1為彈上控制裝置工作電路電壓；I1為彈上控制裝置平均工作電路電流；t1為彈上控制裝置工作時(shí)間，為1.5 s。

電路儲(chǔ)能電容需要提供維持彈上控制裝置工作所需能量，計(jì)算儲(chǔ)能電容總?cè)葜狄恍∮?07 μF，故選取1 000 μF/63 V電容。具體計(jì)算過(guò)程為

(2)

式中：E1為彈上控制裝置工作電路所需能量，0.357 J；WC為充電電容儲(chǔ)存能量；U為充電電壓，35 V；Umin為最小工作電壓，7 V；C為電容總?cè)葜怠?/p>

2 硬件電路設(shè)計(jì)

彈上控制裝置硬件電路主要包括電容充電電路、電起爆執(zhí)行電路、MCU電路和通信電路。

2.1 電容充電電路設(shè)計(jì)

充電回路由筒外電池，開(kāi)關(guān)S1，電阻R1，R2，R3，儲(chǔ)能電容C1，C2，C3和保護(hù)二極管D1，D2，D3組成。其電路圖如圖2所示。

開(kāi)關(guān)S1控制充電電路的通斷，當(dāng)S1閉合時(shí)，能同時(shí)也給儲(chǔ)能電容C1，C2，C3充電。

C1，C2為點(diǎn)火電容，根據(jù)點(diǎn)火頭參數(shù)，選用100 μF/50 V電容；C3為系統(tǒng)供電電容，選用1 000 μF/63 V的電容。

D1,D2,D3為保護(hù)二極管，即保證三電容之間不互相充放電，同時(shí)當(dāng)充電線(xiàn)纜發(fā)射后短接可保護(hù)儲(chǔ)能電容不被短路而放電，通過(guò)檢查D3正端電壓即可判斷充電電源線(xiàn)是否斷開(kāi)。

2.2 電起爆執(zhí)行電路設(shè)計(jì)

在電起爆執(zhí)行電路中，起爆控制器件是電容放電起爆電路的關(guān)鍵元器件之一，要求起爆控制器件具有開(kāi)關(guān)迅速、可通過(guò)大電流沖擊等工作性能。

放電電路控制器件主要有可控硅、三極管和MOS管3種。考慮到三極管功耗大，不選擇三極管為放電電路控制器件。因此，重點(diǎn)考慮可控硅和MOS管這2種控制器件。參考工程研制的成功經(jīng)驗(yàn)，選擇PMOS為放電電路控制器件，可以控制點(diǎn)火器的正向開(kāi)關(guān)。

MOS管能在高電壓、大電流條件下工作，導(dǎo)通速率極高，具有耐壓高、容量大的特點(diǎn)。放電回路由點(diǎn)火電容V_UMB，MOS管Q1，控制器件NPN管Q2，火工品R5,穩(wěn)壓管D1和電阻R1,R2,R3,R4組成。其功能是接收放電起爆控制指令，處理器控制NPN導(dǎo)通，此時(shí)由于R1,R2分壓，Vsg>4 V，即可選通Q1，使得電容器對(duì)電起爆器R5進(jìn)行放電起爆。電容放電起爆電路如圖3所示。

2.3 MCU電路設(shè)計(jì)

彈上控制裝置的控制電路是通過(guò)MCU檢查發(fā)射過(guò)載信號(hào)與充電回路彈動(dòng)信號(hào)，經(jīng)延時(shí)后控制兩路電容放電起爆電路，引爆開(kāi)傘、開(kāi)網(wǎng)點(diǎn)火頭；選擇MCU具有64 kbytes的FLASH存儲(chǔ)能力，能夠在掉電情況下保存記錄的各個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的參數(shù)(儲(chǔ)能電容電壓、裝訂時(shí)間、點(diǎn)火執(zhí)行情況等)。

圖2 電容充電電路圖Fig.2 Capacitor charging circuit diagram

圖3 電容放電起爆電路圖Fig.3 Schematic diagram of capacitance discharge initiation circuit

2.4 通信電路設(shè)計(jì)

彈上控制裝置通過(guò)通信電路與外部瞄具進(jìn)行通信，接收攔截目標(biāo)信息。通信電路包括瞬態(tài)抑制二極管、限流電阻、上下拉電阻和電平轉(zhuǎn)換芯片D1，具體電路如圖4所示。瞬態(tài)抑制二極管V5～V7用于防止高電壓干擾導(dǎo)致電平轉(zhuǎn)換芯片D1燒毀，導(dǎo)致電起爆控制器不能正常工作。

圖4 通信電路圖Fig.4 Communication circuit diagram

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件CSCI設(shè)計(jì)

彈上控制軟件的外部接口為與瞄具的RS485總線(xiàn)通訊接口、與彈上控制裝置內(nèi)部慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)接口、與彈上控制裝置內(nèi)部點(diǎn)火的控制信號(hào)接口、與彈上控制裝置內(nèi)部AD模塊的輸入信號(hào)接口。彈上控制軟件的外部接口框圖如圖5所示。

圖5 彈上控制裝置外部接口框圖Fig.5 Block diagram of external interface of control device on missile

3.2 雙環(huán)境力軟件流程設(shè)計(jì)

彈上控制裝置應(yīng)用于攔截系統(tǒng)，攔截系統(tǒng)為在城市環(huán)境下應(yīng)用的單兵肩扛式武器系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮操作人員的安全性、城市復(fù)雜環(huán)境中周邊人員和設(shè)施的安全性。因此彈上控制裝置也得充分進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行了雙環(huán)境力解保設(shè)計(jì)[13-15]。

彈上控制裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)有慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，用于敏感發(fā)射過(guò)載；同時(shí)在設(shè)定的窗口時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到斷電信號(hào)，則彈上控制裝置才確認(rèn)攔截彈已發(fā)射，電路開(kāi)始作戰(zhàn)計(jì)時(shí)。

如圖6所示，當(dāng)彈上控制裝置檢測(cè)到斷電信號(hào)后，在設(shè)定的窗口時(shí)間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到發(fā)射過(guò)載信號(hào)，則說(shuō)明系統(tǒng)取消發(fā)射。此時(shí)彈上控制裝置需對(duì)彈上控制裝置內(nèi)部?jī)?chǔ)能電容進(jìn)行泄放電，耗散掉電容能量，保證安全性。

如果彈上控制裝置檢測(cè)到發(fā)射過(guò)載信號(hào)后，在設(shè)定的窗口時(shí)間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到斷電信號(hào)，則判斷攔截彈沒(méi)有發(fā)射，不執(zhí)行作戰(zhàn)計(jì)時(shí)，而是將此故障信息上報(bào)瞄具，進(jìn)行分析處理。

圖6 雙保險(xiǎn)檢測(cè)軟件流程框圖Fig.6 Flow chart of double insurance detection software

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

彈上控制裝置自開(kāi)始研制起，前后出現(xiàn)2個(gè)問(wèn)題，均已解決。且從問(wèn)題解決開(kāi)始，又進(jìn)行各種發(fā)射試驗(yàn)125發(fā)，所有試驗(yàn)產(chǎn)品中出現(xiàn)均為成功。且所有運(yùn)輸、發(fā)射過(guò)程中均未出現(xiàn)過(guò)安全問(wèn)題。表明此彈上控制裝置設(shè)計(jì)合理，其中雙環(huán)境力設(shè)計(jì)方法既保證了運(yùn)輸過(guò)程中的安全性，又確保了攔截彈發(fā)射時(shí)的可靠性，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)使用要求。

參考GJB376—87《火工品可靠性評(píng)估方法》的表A2，抗高過(guò)載彈上控制器在置信度0.9情況下，其實(shí)際點(diǎn)火可靠度為98.18%，大于98%，滿(mǎn)足任務(wù)書(shū)要求。

彈上控制裝置在研制過(guò)程中經(jīng)過(guò)了一系列的功能性能驗(yàn)證試驗(yàn)和環(huán)境可靠性試驗(yàn)，具體的試驗(yàn)情況見(jiàn)表1，2所示。

表1 功能性能試驗(yàn)Table 1 Functional performance tests

表2 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)Table 2 Environmental adaptation tests

經(jīng)以上試驗(yàn)證明，彈上控制裝置不僅功能性能滿(mǎn)足使用要求，而且能夠適用各環(huán)境使用要求，具備實(shí)戰(zhàn)型。

5 結(jié)論

目前彈上控制裝置設(shè)計(jì)雖然能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)使用要求，但仍有一些不足，下一步可以從下面這幾個(gè)方面開(kāi)展工作：

(1) 目前彈上控制裝置與點(diǎn)火器連接是通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)直接連接，存在裝配不方便，容易壓線(xiàn)，可能導(dǎo)致連接錯(cuò)誤等不足，下一步需要對(duì)連接方式進(jìn)行改進(jìn)，研究簡(jiǎn)單、快捷的連接方式。

(2) 目前彈上控制裝置點(diǎn)火時(shí)間是由瞄具裝訂，而由于攔截彈的發(fā)射初速誤差，導(dǎo)致攔截概率的下降，下一步開(kāi)展彈上控制裝置對(duì)發(fā)射初速的測(cè)量，根據(jù)發(fā)射初速與目標(biāo)位置計(jì)算得點(diǎn)火時(shí)間，增大攔截概率。