李奕新

(中國燃氣渦輪研究院，四川 成都 610500)

1 引言

所謂彈用發(fā)動機[1]，即巡航導(dǎo)彈、靶機和無人機所用的小型渦噴、渦扇發(fā)動機。無人機常用作高空偵察，靶機要模擬敵機的飛行和攻擊性能，而巡航導(dǎo)彈的主要用途是迅速攻擊目標(biāo)，突破敵人防區(qū)。故彈用發(fā)動機的設(shè)計必須從起動和加速快、可靠性高、使用壽命短、成本低、儲存壽命長等方面進行全面考慮。

彈用發(fā)動機的起動電氣系統(tǒng)[2]需要突破一般渦扇發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計的理念，依據(jù)彈用發(fā)動機獨特的研制、設(shè)計準則，突出一次性使用發(fā)動機短壽命、低成本的要求，做到：①系統(tǒng)尺寸小，重量輕，可靠性高，可長時間儲存，維護和使用方便，發(fā)射準備時間短，野戰(zhàn)機動性好；②對各系列型號都使用的零、組件實行標(biāo)準化設(shè)計，研制時按標(biāo)準選用；③將系統(tǒng)分成若干功能模塊，每個模塊按預(yù)定的接口關(guān)系及特定的功能進行獨立設(shè)計。發(fā)動機的設(shè)計應(yīng)滿足各模塊接口要求，并在發(fā)動機輔助系統(tǒng)設(shè)計中充分考慮模塊化的要求，以便通過更換輔件，使同一發(fā)動機用于不同任務(wù)。因此，在開展小推力渦扇發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗驗證的同時，需要同步研制出滿足彈用發(fā)動機要求的起動電氣系統(tǒng)，并完成系統(tǒng)關(guān)鍵附件和總體設(shè)計的技術(shù)驗證。

2 彈用發(fā)動機起動電氣系統(tǒng)特點

彈用發(fā)動機一般有地面壓縮空氣起動、空中二次起動和制式起動等起動方式，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是解決埋入式進氣方式下的快速可靠起動問題。要達到快速起動就要向發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子額外輸入大功率的起動扭矩，同時提供大能量點火源，以保證燃燒室內(nèi)燃油-空氣混合氣能可靠點燃，使發(fā)動機快速起動并加速到所需巡航狀態(tài)。對于小推力量級彈用發(fā)動機，點火方式一般為煙火點火＋電點火，點火器選擇煙火點火器。因為煙火點火器具有能量大、點火可靠、重量較輕、成本較低等優(yōu)勢，但缺點是起動機會只有一次。為保證動力系統(tǒng)的可靠性，必須制定合理可行的起動電氣系統(tǒng)總體方案，為各起動附件提供電源和制定準確的起動控制邏輯，以滿足發(fā)動機起動和點火要求。

3 起動電氣系統(tǒng)組成

彈用發(fā)動機起動電氣系統(tǒng)主要由電源供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、電氣管路系統(tǒng)和電爆閥等組成，用于完成發(fā)動機制式起動、空中二次起動等任務(wù)，同時向其它系統(tǒng)或?qū)椞峁╇娫春蛯崿F(xiàn)與其它系統(tǒng)的電信號聯(lián)系。其組成框圖見圖1。

圖1 起動電氣系統(tǒng)組成框圖Fig.1 The start electrical system

4 設(shè)計方案

4.1 總體思路

彈用發(fā)動機的制式起動常用于渦扇發(fā)動機，這類發(fā)動機的起動功率比較大，各轉(zhuǎn)子之間還有轉(zhuǎn)差的相互干擾，因此采用火藥起動器較為可靠，可快速帶轉(zhuǎn)發(fā)動機。

制式起動[3]利用火藥起動器產(chǎn)生的高溫高壓燃氣直接吹動高壓渦輪葉片，帶動高壓轉(zhuǎn)子，并在帶轉(zhuǎn)高壓轉(zhuǎn)子過程中點火，使發(fā)動機在很短時間內(nèi)就能達到預(yù)定的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。其特點是：高壓轉(zhuǎn)子的加速度非常大，遠遠大于靠起動耦合的低壓轉(zhuǎn)子；煙火點火器和火藥起動器的工作時間遠遠小于其它起動方式的工作時間；起動機會只有一次，要求燃燒室必須在煙火點火器工作期間被點燃，否則起動失敗。為保證動力系統(tǒng)的可靠性，發(fā)動機要有防止各種意外情況發(fā)生的設(shè)計措施，用于彈用渦扇發(fā)動機的起動電氣系統(tǒng)必須為各起動附件提供電源和制定準確的起動控制邏輯。起動電氣系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)彈用渦扇發(fā)動機的各種起動控制，滿足導(dǎo)彈發(fā)射時序要求；能適時、正確、安全、可靠地為發(fā)動機各系統(tǒng)用電設(shè)備提供電能和傳輸信號；在導(dǎo)彈發(fā)射過程中，起動電氣系統(tǒng)協(xié)同地面電源、測試設(shè)備等共同完成供電和射前檢查等發(fā)射前準備工作；完成電源轉(zhuǎn)換，實施對彈用發(fā)動機的起動；在彈用發(fā)動機的研制、生產(chǎn)、儲存、使用過程中，對發(fā)動機的火工品進行測試檢查，以確保其性能和品質(zhì)，保證發(fā)動機安全可靠地起動。

根據(jù)這一特殊要求，彈用發(fā)動機的起動電氣系統(tǒng)設(shè)計要在充分利用國內(nèi)已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)彈用發(fā)動機火工品技術(shù)，根據(jù)導(dǎo)彈控制時序和發(fā)動機起動特征參數(shù)制定出起動控制時序，通過試驗驗證和適度調(diào)整來確定時序的時間搭接量，實現(xiàn)彈用發(fā)動機的各種起動控制，達到導(dǎo)彈發(fā)射時序要求，保證其在各種規(guī)定環(huán)境條件和起動方式下可靠工作。

4.2 起動電氣系統(tǒng)設(shè)計方案

4.2.1 起動控制方案

彈用發(fā)動機起動電氣系統(tǒng)的主要控制部件是起動控制箱，它能可靠實現(xiàn)發(fā)動機的制式起動、空中起動以及發(fā)電機電源與蓄電池之間的供電切換等邏輯與時序控制，其主要功能是在接收到數(shù)字電子控制器的相關(guān)指令時進行電源切換，對火工品和高能點火器進行供電，并向數(shù)字電子控制器返回各種工作信號。為實現(xiàn)設(shè)計功能并滿足可靠性、控制精度等要求，起動控制箱在火工品及高能點火器的控制設(shè)計上要求采用硬件雙余度備份的繼電器控制，上電工作時，雙路控制繼電器和輸出線路均為并行工作。繼電器的控制時序應(yīng)滿足其三種工作模式下的時序要求和控制精度。

根據(jù)起動控制箱的功能特點，將其分成電源切換電路、繼電器執(zhí)行電路、火藥起動器控制電路、高能點火器控制電路和2個煙火點火器控制電路等6個單獨的功能模塊，把強電和弱電分別獨立設(shè)計，有效減少了系統(tǒng)內(nèi)部的相互干擾，同時具有更高的可靠性和維修性。通過功能細化和控制邏輯組合各個模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。起動控制箱原理框圖如圖2所示。

4.2.1.1 起動控制邏輯的確定

圖2 起動控制箱原理框圖Fig.2 The principle chart of the start control box

根據(jù)總體性能對發(fā)動機和起動電氣系統(tǒng)的要求，首先應(yīng)確定發(fā)動機起動過程中的控制邏輯，以便與數(shù)字電子控制器一道共同保證發(fā)動機的正常起動。發(fā)動機制式起動流程如圖3所示。

4.2.1.2 起動控制電路設(shè)計

起動控制箱的起動控制電路包括火藥起動器控制電路、高能點火器控制電路和2個煙火點火器控制電路?？刂葡鋵ν廨敵龅目刂浦噶?控制火工品及高能點火器)，在設(shè)計上采用雙路控制的輸電線路，雙路并行工作，實現(xiàn)雙余度控制；內(nèi)部控制電路以多種固體繼電器為核心，搭配關(guān)鍵邏輯控制電路來實現(xiàn)不同的功能?？刂葡鋬?nèi)每個模塊的輸入輸出信號分別連接到不同的航空連接器上，使各種不同的信號隔離，避免相互干擾。

4.2.1.3 起動過程中供電/供電切換控制

起動控制箱中設(shè)置供電切換接觸器，對應(yīng)控制電源正極，為常開狀態(tài)，由控制箱中專用固體繼電器控制。當(dāng)繼電器控制接觸器吸合時，起動-發(fā)電機勵磁線圈中的勵磁電流由發(fā)電機自身提供，并為其它負載設(shè)備供電，此時起動-發(fā)電機處于發(fā)電狀態(tài)；反之，接觸器脫開時，起動-發(fā)電機停止為其它負載設(shè)備供電。

4.2.2 發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)電路設(shè)計

發(fā)電機常常通過電壓調(diào)節(jié)器[4]來改變其激磁，穩(wěn)定電壓。為了能在發(fā)動機供電負載發(fā)生變化時保持發(fā)電機輸出電壓的穩(wěn)定，采用了碳片調(diào)壓器，把阻值可變的碳片電阻串聯(lián)在發(fā)動機的并激繞組中，自動調(diào)整激磁電流，如圖4所示。結(jié)構(gòu)上，碳片電阻除承受調(diào)定壓力的彈簧作用力外，還受有隨電機電壓改變的磁拉力。當(dāng)加在電磁鐵工作線圈上的電壓升高或降低時，流過電磁鐵線圈的電流隨之升降，碳片電阻兩端所承受的總壓力隨之減小或增大，碳片電阻的阻值也隨之增大或減小，使得發(fā)電機激磁繞組中的激磁電流發(fā)生變化，從而將發(fā)電機的輸出電壓調(diào)整到額定值。此外，電路中還采用了溫度補償電路和穩(wěn)壓器，以減小溫度變化對調(diào)壓裝置性能的影響。

4.2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

電氣設(shè)備均采用金屬機殼結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上滿足以下要求：

圖3 發(fā)動機制式起動流程圖Fig.3 Flow chart of cartridge start

圖4 起動-發(fā)電機調(diào)壓器電氣原理圖Fig.4 The principle chart of booster for starter/generator

(1)殼體屏蔽

繼電器等電氣元件被裝在金屬罩內(nèi)，目的是抑制或減少外界的干擾和內(nèi)部電磁能量的外泄。設(shè)計時采取了以下措施：①磁屏蔽體采用鋼或鐵鎳合金等高導(dǎo)磁率系數(shù)材料，用來隔磁及防止低頻干擾；②電磁屏蔽體采用鋼或鋁等低電阻金屬材料，主要防止高頻干擾，利用屏蔽體內(nèi)的感應(yīng)渦流抵消干擾磁通，對電磁能量具有吸收損耗和反射損耗兩種屏蔽效果；③屏蔽機殼不連接處的直流電阻大于2.5 MΩ。

(2)搭接

又稱結(jié)構(gòu)接地，它是導(dǎo)彈各金屬構(gòu)件之間以及彈上設(shè)備殼體與彈體之間的一種專門的低電阻電氣連接。以彈體作為基準零電位，將設(shè)備殼體搭接在上面。搭接能有效抑制射頻干擾，保證系統(tǒng)電氣性能穩(wěn)定，防止雷擊、靜電放電和電擊對導(dǎo)彈造成危害。在發(fā)動機電氣系統(tǒng)設(shè)計中，規(guī)定搭鐵電阻一般為300～2000 μΩ。由于發(fā)動機點火系統(tǒng)的特殊性，對搭接有著更嚴格的要求，搭鐵電阻不大于300 μΩ，且點火電纜的防波套應(yīng)有搭鐵片，搭鐵片各點間距不大于250 mm。

4.2.4 電路抗干擾技術(shù)

(1)濾波

設(shè)計中采用低通濾波器，其結(jié)構(gòu)為一長圓柱體，里面將一對電感線圈裝在一對鐵氧體磁環(huán)中，線圈兩邊各并聯(lián)1個圓片形穿心獨石電容，接電源的一端再并聯(lián)1對泄放電阻R2(見圖5)。使用時，點火器的2根發(fā)火線各串聯(lián)1個π型低通濾波器，呈并聯(lián)狀態(tài)(見圖6)。2個低通濾波器外還有1個圓筒形銅片防護罩作為共用線，且銅片與發(fā)動機殼體緊密接觸，構(gòu)成屏蔽結(jié)構(gòu)。

(2)接地

接地是為了在電路中建立以彈體為基準點的導(dǎo)電通路。設(shè)計時，將接地系統(tǒng)中的電位減至最小，使接地電流最小，防止地電流在電路間流動和相互作用。接地系統(tǒng)設(shè)計不好時可能使寄生電壓或寄生電流耦合到電路和部件中，并降低屏蔽和濾波效果，引起難以隔離和解決的電磁干擾問題。設(shè)計中將發(fā)動機殼體、電子控制器機殼、控制箱殼體和“屏蔽地”四者按國軍標(biāo)相關(guān)要求進行搭接，保證系統(tǒng)屏蔽接地。

圖5 點火器和射頻衰減電路圖Fig.5 The circuit diagram of portfire and radio-attenuator

圖6 低通濾波器使用狀態(tài)Fig.6 The using state of low-pass filter

5 結(jié)束語

本文較為系統(tǒng)地研究了某彈用發(fā)動機起動電氣系統(tǒng)的設(shè)計方法，突破了基于制式起動的彈用發(fā)動機特有的關(guān)鍵技術(shù)，制定的起動控制方案和起動控制箱等關(guān)鍵附件的設(shè)計方案有效可行。另外，在設(shè)計中還充分考慮了系統(tǒng)的電磁兼容性和可靠性，在滿足系統(tǒng)功能、性能的同時，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。本設(shè)計方案能實現(xiàn)各種工作模式下的時序要求和控制精度，滿足彈用發(fā)動機使用需要。

[1]李清盛.彈用小型燃氣輪機綜述[J].燃氣渦輪試驗與研究，1994，7(2)：14—18.

[2]鄭 濤.彈用渦噴、渦扇發(fā)動機概況 [J].推進技術(shù)，1995，16(1)：7—12.

[3]陳玉春.渦扇發(fā)動機炮式起動數(shù)學(xué)模型及起動特性研究[J].航空學(xué)報，2002，23(6)：568—570.

[4]丁蘭芳.飛航導(dǎo)彈電氣系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：宇航出版社，1994.