譚正一+安豐增

摘要： 針對整體式固體火箭沖壓發(fā)動機轉級試驗需求， 設計了一套點火控制系統(tǒng)， 用以模擬彈載控制系統(tǒng)功能。 根據固沖發(fā)動機轉級技術特點， 明確了系統(tǒng)的功能和設計要求， 對系統(tǒng)的工作原理、 硬件結構和軟件設計等內容做了詳細描述。 該系統(tǒng)充分考慮了不同轉級方式和異常應急等情況， 具備地面轉級試驗能力， 為產品轉級性能評定和可靠性驗證提供了有效的試驗平臺。

關鍵詞： 固體火箭沖壓發(fā)動機； 轉級； 點火控制； 系統(tǒng)設計

中圖分類號： V435文獻標識碼： A文章編號： 1673-5048（2016）04-0058-05

Abstract： For the requirement of transition test on integral solid propellant ducted rocket， an ignition control system is designed to simulate the control system on missile. According to the characteristics of solid propellant ducted rocket transition technology， the function and design requirements of the system are defined， and working principle， hardware structure and software design of the system are described in detail. The system has fully considered the different tranfer modes and the abnormal emergency response， and has the ability of ground transition test， which provides an effective test platform for the transition of rocket performance and reliability.

Key words： solid propellant ducted rocket； transition； ignition control； system design

0引言

整體式固沖發(fā)動機主要由助推-沖壓補燃室、 燃氣發(fā)生器、 進氣道以及點火系統(tǒng)和轉級裝置等組成。 采用這種發(fā)動機的導彈在發(fā)射時， 首先由助推器產生的推力在較短的時間內將導彈加速至沖壓發(fā)動機能夠正常工作的馬赫數(shù)， 通過發(fā)動機轉級控制系統(tǒng)， 將進氣道入口和出口堵蓋打開， 空氣通過進氣道減速增壓后進入沖壓補燃室， 同時點燃燃氣發(fā)生器， 沖壓發(fā)動機開始工作[1-2]。

轉級裝置是固沖發(fā)動機的重要組成部分， 關系著發(fā)動機能否實現(xiàn)從助推向沖壓的成功轉換， 是保證固沖發(fā)動機正常工作的先決條件[3]。

轉級裝置結構復雜， 在研制初期， 需在地面進行大量轉級試驗。 在地面試驗中， 轉級裝置的起爆則由地面轉級點火控制系統(tǒng)完成。 根據轉級試驗需求， 本文設計了一套地面點火控制系統(tǒng)， 用以模擬彈載計算機的轉級控制功能。 系統(tǒng)使用NI公司高性能控制器配備高精度數(shù)據采集卡及D/A板， 運用LabVIEW RT軟件， 開發(fā)了一個經濟、 可靠的基于PC機和PXI嵌入式控制器的實時控制系統(tǒng)。

1轉級試驗控制條件

轉級裝置的驅動一般采用火工品點火/起爆方式來進行， 轉級方式采用程控方式， 利用傳感器感知過載或助推-沖壓補燃室壓強， 當參數(shù)達到設定轉級條件時， 點火系統(tǒng)通過程序控制起爆轉級執(zhí)行機構， 完成轉級[4-6]。

航空兵器2016年第4期譚正一等： 固沖發(fā)動機轉級試驗點火控制系統(tǒng)設計 轉級條件一般由發(fā)動機助推器信號特征與工作時間等條件共同決定， 條件全部滿足時才能進行轉級。 選取轉級信號源時， 通常要選擇容易辨別、 測試、 記錄和處理的參數(shù)。 助推器工作結束主要表現(xiàn)為燃燒室壓強、 發(fā)動機推力、 導彈軸向過載迅速下降等[7]。 地面轉級試驗一般通過判斷助推補燃室實測壓強與工作時間兩個條件來控制轉級程序， 轉級控制條件示意圖如圖1所示。

轉級判斷條件中， 重要的特征參數(shù)有： 試驗前預設助推器工作初始壓強P1； 峰值預估值Pmax； 轉級壓強P2； 發(fā)動機助推器工作時間預估值ta（一般根據產品特性決定）。

試驗時， 轉級點火控制系統(tǒng)發(fā)出助推器點火信號， 為時間零點； 當壓強超過P1時， 表示助推器成功點火并開始工作， 時間為t1； 當壓強升高并超過Pmax， 接著壓強開始下降的過程， 表示助推器正常工作； 當壓強低于轉級點設定值P2時， 表示助推器工作完畢， 準備轉入沖壓工作段， 時間為t2； 為避免測量信號干擾引起的誤觸發(fā)， 同時要判斷助推器工作時間Δt是否大于ta， 條件均滿足， 點火控制系統(tǒng)進行轉級動作： 轉級控制系統(tǒng)分別在t2， t3， t4時刻完成進氣道入口堵蓋打開、 出口堵蓋打開、 燃氣發(fā)生器點火。

在助推器工作完畢沒有正常轉級時， 系統(tǒng)設計了超時強制轉級功能， 超時時間由ta及試驗人員根據經驗確定。

2系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)功能

完成固沖發(fā)動機助推器點火， 同時采集燃燒室壓強（2路）， 并按轉級條件或時序完成進氣道入口堵蓋（2路）、 出口堵蓋（2路）、 燃氣發(fā)生器點火， 點火方式采用恒流源點火， 即能保障6路點火電流可程控輸出的要求。 系統(tǒng)同時具備點火參數(shù)測量、 顯示、 記錄和分析功能。

2.2系統(tǒng)組成

轉級點火控制系統(tǒng)根據現(xiàn)場條件采用上下位機形式， 上位機為一臺高性能工控機， 下位機為一臺PXI嵌入式控制器， 數(shù)據通訊采用光纖以太網。 系統(tǒng)按功能主要由控制模塊、 點火模塊、 測量模塊和人機交互模塊組成。

控制模塊主要由PXI嵌入式控制器、 定時計數(shù)板、 D/A板、 A/D板及控制電路組成； 點火模塊主要由恒流源及點火電路組成； 測量模塊主要由信號感應傳感器、 測量電路及調理單元組成； 人機交互模塊主要由上位機應用軟件和控制臺面板兩部分組成， 分別對相關狀態(tài)信息做顯示監(jiān)控， 如圖2所示。

2.3模塊設計

2.3.1主控臺

主控臺用于遠程控制， 由點火控制柜配備一臺高性能工業(yè)控制機組成， 控制柜安裝點火控制按鈕、 應急按鈕、 安全鎖控開關以及部分狀態(tài)指示燈。 主控計算機選用一臺高性能研華工控機， 內嵌Intel四核CPU， 4G內存， 通過光纖以太網與下位機連接。

2.3.2控制模塊

控制模塊為系統(tǒng)“大腦”， 控制核心為一臺高性能PXI嵌入式控制器， 型號為PXI-8110， 是基于Intel Core 2 Quad Q9100的高性能嵌入式控制器， 其可靠的性能非常適合高性能模塊化儀器與數(shù)據采集應用。 同時， 8110內嵌Real-Time Embedded SW模塊， 配備八槽PXI機箱PXI-1042， 16通道隔離型A/D板PXI-6232， 8通道定時計數(shù)器板PXI-6602， 16路電壓/電流輸出D/A板PXI-6704等附件， 滿足了6路點火電流控制及2路壓強信號采集需求， 實現(xiàn)轉級點火時序精確控制。

2.3.3點火模塊

點火模塊是執(zhí)行機構， 由點火電源、 點火時序控制電路、 點火安全保護電路、 點火參數(shù)測量電路等組成。

（1） 點火電源

系統(tǒng)點火方式為恒流點火， 按使用要求， 選用供電精度高、 穩(wěn)定性好、 易于控制的TDK-Lambda直流電源。

（2） 點火時序控制電路

點火時序控制是系統(tǒng)的關鍵， 由點火控制程序控制PXI板卡的I/O輸出產生， 控制點火線路上的三個繼電器動作， 完成點火。 點火時， I/O口輸出信號由低電平變?yōu)楦唠娖剑?經驅動， 控制固態(tài)繼電器K7動作， 然后控制供電主回路固態(tài)繼電器K1和K11動作， 實現(xiàn)模擬負載斷電和點火電阻供電， 同時輸出點火時統(tǒng)信號。 點火控制電路及安全保護電路原理圖如圖3所示。

點火時序控制電路通過PXI的定時計數(shù)器板卡來實現(xiàn)定時控制， 利用其定時器實現(xiàn)點火延遲時間的程控設置和不同時序的組合點火。

點火控制繼電器選擇固態(tài)繼電器， 其主要優(yōu)點是動作時間快、 觸點功率大。 固態(tài)繼電器選用漏電流小、 動作時間短的產品。 每路點火繼電器數(shù)量為2個， 1個用于控制加電點火， 另外1個用于控制恒流源外接負載。

（3） 點火安全保護電路

點火安全保護是系統(tǒng)的重要功能， 點火控制系統(tǒng)一旦失效或點火產生誤動作， 會危及到試驗測試人員的生命， 且直接經濟損失巨大[8]。

由圖3可見， 鎖控開關和應急開關是保障點火安全的兩道屏障。 鎖控開關為三組觸點， 其中兩組串接控制固態(tài)繼電器K7供電， 另一組控制兩個電磁繼電器供電。 點火電流輸出線路由繼電器控制， 鎖控開關和應急開關在點火回路串接后， 控制繼電器電源5 V供電， 在正常使用時必須打開安全鎖控開關才能夠加電， 出現(xiàn)異常時， 按下應急開關可切斷繼電器電源供電， 實現(xiàn)切斷恒流源輸出的目的。 兩處安全保護開關均采用兩級開關冗余設計， 確保系統(tǒng)不會因故障或意外出現(xiàn)短路情況。

（4） 點火參數(shù)測量電路

點火電阻測量采用兩線制方式測量， 通過測量線路電流與電壓值間接計算出電阻值。 測試需要的電流利用D/A板塊提供的電流輸出， D/A板塊型號為PXI-6704， 16路電流輸出在0～20 mA的范圍內可任意設定。 系統(tǒng)按安全要求設定板卡輸出不超過10 mA， 確保了點火電路的安全可靠。 點火電阻兩端電壓通過A/D板卡進行采集。

點火電流測量采用非接觸式測量方法， 電流傳感器選用霍爾電流傳感器， 被測電流穿心輸入， 輸入和輸出隔離， 輸出響應速度快， 測量精度高。

點火電阻、 電流、 補燃室壓強以及應急信號通過數(shù)據測量模塊采集， 各種信號首先通過調理單元， 實現(xiàn)數(shù)據接口轉換、 光電隔離、 信號放大等功能， 然后由M系列多功能采集板PXI-6232進行采集。

3軟件設計

軟件分為兩部分， 即上位機的人機界面軟件和下位機實時控制軟件。 上位機軟件的功能是控制參數(shù)輸入、 數(shù)據顯示及處理、 故障報警顯示等； 下位機實時控制軟件完成參數(shù)測量、 數(shù)據存儲、 點火時序執(zhí)行、 點火電流實時控制等。

上位機軟件在Windows XP平臺下， 利用LabVIEW編程， LabVIEW是一種基于圖形開發(fā)、 調試和運行程序的集成化環(huán)境， 是第一個借助于虛擬面板用戶界面和方框圖建立虛擬儀器的圖形程序設計系統(tǒng)， 編程方便， 人機交互界面直觀友好， 是面向測試工程師的軟件平臺[9]。

下位機實時控制軟件是在Windows XP平臺下進行LabVIEW RT編程， 然后下載到嵌入式控制器中。 在LabVIEW RT系統(tǒng)中通過軟件總體結構的合理布局， 利用一個實時控制器， 可以完成多個實時控制任務， 同時實現(xiàn)了對多通道數(shù)據采集、 存儲， 降低了成本又節(jié)省了開發(fā)時間[10-11]。

3.1軟件模塊功能

軟件采用模塊化設計， 以增加軟件的靈活性， 提高軟件的整體效率。 上位機程序按功能分為主界面、 系統(tǒng)自檢、 參數(shù)設置、 通道配置、 文件傳輸、 數(shù)據分析等子模塊。

（1） 主界面

主界面是完成系統(tǒng)功能的主要模塊， 具有點火參數(shù)與輔助系統(tǒng)狀態(tài)自動采集和顯示、 電阻檢測、 點火啟動等功能， 軟件主界面如圖4所示。

（2） 系統(tǒng)自檢

軟件運行時， 用戶可選擇系統(tǒng)自檢， 自檢程序讀取各模塊的自檢反饋信號并顯示， 主要用于監(jiān)視系統(tǒng)各模塊運行狀態(tài)和故障定位， 在出現(xiàn)故障時能直接定位故障位置。

（3） 參數(shù)設置

參數(shù)設置主要根據試驗需求， 對點火方式、 轉級方式、 轉級條件、 點火時序等進行設置。

（4） 通道配置

通道配置模塊用于對各測量通道進行命名， 便于數(shù)據監(jiān)視及分析， 試驗前根據實際情況進行配置。 通道配置使用動態(tài)事件的方法， 可以交互式創(chuàng)建、 修改配置文件。

（5） 文件傳輸

點火參數(shù)由下位機完成測量及存儲， 上位機在試驗完畢后需從下位機讀取， 以便于對試驗數(shù)據的分析處理。

（6） 數(shù)據分析

數(shù)據分析模塊是對試驗后期數(shù)據的再現(xiàn)和分析， 實現(xiàn)了曲線顯示、 濾波、 曲線移動、 局部放大縮小、 單雙光標讀數(shù)等功能。

3.2軟件流程

試驗前， 運行上、 下位機程序， 使程序處于等待狀態(tài)。

上位機程序運行后自動讀取配置文件， 然后進入主界面， 在主界面可以根據試驗需求完成以下操作： 系統(tǒng)自檢、 系統(tǒng)校準、 參數(shù)設置、 通道配置、 文件傳輸及數(shù)據分析。 參數(shù)設置是針對本次試驗需求進行操作的重要步驟， 設置完畢即可進行點火試驗； 下位機程序運行后讀取上位機設定的點火信息， 然后進入待命狀態(tài)。

試驗中， 系統(tǒng)接收各輔助系統(tǒng)準備狀態(tài)， 當達到預設目標， 即可進入點火程序， 此時上位機程序向下位機下達點火指令， 下位機按點火設置逐項執(zhí)行并向上位機發(fā)送點火信息。 下位機首先判斷是否帶助推器點火， 在有助推器點火的情況下， 先完成助推器點火， 然后判斷轉級方式， 若為按條件轉級， 則點火單元按所測補燃室壓強進行判斷， 條件滿足， 進行轉級點火； 若為按時序轉級， 則按設定時序完成轉級點火； 在沒有助推器情況下， 直接按設定時序完成轉級點火。 上位機在整個點火過程中處于監(jiān)視狀態(tài)， 不斷接收點火信息， 并進行判斷， 當點火完畢， 完成本次試驗， 即可退出， 同時向下位機發(fā)送退出指令， 下位機按指令完成退出， 軟件詳細流程見圖5。

4系統(tǒng)應用

系統(tǒng)已完成全狀態(tài)測試并成功應用于固沖發(fā)動機轉級點火試驗。 在全狀態(tài)測試時， 采用給定模擬壓強曲線輔助轉級點火的方式考核系統(tǒng)的轉級功能， 試驗結果見圖6， 圖6中顯示了給定壓強曲線以及點火電流輸出情況。 試驗設定了4路電流輸出， 分別為助推器點火、 進氣道入口和出口堵蓋打開點火、 燃氣發(fā)生器點火， 電流為5 A， 轉級壓強設定為0.8 MPa。 由圖6可知， 系統(tǒng)通過判斷壓強參數(shù)， 按預設條件完成了轉級功能， 系統(tǒng)延時小、 響應快， 電流上升時間短， 控制準確， 超調小， 指標符合使用要求。 5結論

系統(tǒng)采用模塊化設計， 便于使用與維護， 選用的PXI實時控制器和LabVIEW RT實時操作系統(tǒng)使多個控制任務得到了很好的協(xié)調和運行。 同時， 通過合理的安全性、 可靠性設計， 固沖發(fā)動機轉級點火控制穩(wěn)定可靠， 滿足了產品研制過程中進行大量地面試驗的控制需求。

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