謝 非,彭志凌,魯旭濤,范宏輝,陳子華

(中北大學,山西 太原 030051)

0 引言

空空導彈作為當代戰(zhàn)斗機主要對空作戰(zhàn)的武器,在當前戰(zhàn)爭中發(fā)揮的作用無疑是極其重要的[1]。全電子引信集微電子與起爆技術為一體,從根本上改變了引信隔離的設計思想,作用迅速、具有較高的安全性和可靠性。文獻[2]針對魚雷引信全電子安全系統(tǒng)的保險與解除保險邏輯進行理論研究,并對意外解保概率進行了計算。文獻[3]針對巡飛彈安全控制系統(tǒng)進行了分析研究,并進行仿真驗證。文獻[4]主要采用數(shù)理分析和故障物理的方式針對起爆控制電路冗余設計技術進行深入研究。雖然國內(nèi)學者對全電子安全控制系統(tǒng)的研究基本成熟,但針對空空導彈電子安全系統(tǒng)各部件功能獨立性較弱,維護升級難度較高,程序設計復雜度較高等問題并未進行深入研究。本文借鑒了全電子引信安全控制設計思路[5],提出模塊化電子安全控制系統(tǒng)。

1 原理

1.1 模塊化

模塊化,顧名思義,是一種將復雜系統(tǒng)逐層分解成獨立的組件或單元的方法,每個獨立單元形成相應系統(tǒng)子功能,以達到降低系統(tǒng)復雜性、提高可維護性和可重用性的目的[6]。這種設計方法常用于軟件工程領域,但也用于硬件系統(tǒng)、機械設計制造等其他領域。

模塊化設計的核心思想是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)容結(jié)構的關聯(lián)性將系統(tǒng)分解為若干個相對獨立的、可重復使用的子模塊進行開發(fā),各子模塊可以通過明確的接口規(guī)范組合在一起[7]。每個子模塊可以單獨設計、開發(fā)、測試和維護,并且每個子模塊都具有特定的功能,可以被其他系統(tǒng)重復使用。這種設計方法能夠顯著提高系統(tǒng)的可維護性和可擴展性,并有助于降低系統(tǒng)的復雜度[8]。

1.2 全電子安全系統(tǒng)

1.2.1全電子安全系統(tǒng)工作原理

傳統(tǒng)全電子安全系統(tǒng)通過電子元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械元件實現(xiàn)對爆炸物的控制,通常由兩部分組成,一部分是安全與解除保險的邏輯控制部分,另一部分是發(fā)火裝置[9]。在空空導彈飛行過程中,全電子安全系統(tǒng)通過檢測導彈的飛行參數(shù)對其是否解除保險進行控制,從而實現(xiàn)對目標進行高精度打擊。在導彈到達目標時,全電子安全系統(tǒng)控制高壓電容放電,引爆空空導彈。

1.2.2全電子安全系統(tǒng)功能

空空導彈的傳統(tǒng)全電子安全系統(tǒng)通常具有保險功能、保險解除功能、故障保險功能、作戰(zhàn)功能等[10]。這些功能可以幫助導彈實現(xiàn)安全、高效、精確的飛行,從而提高空空導彈的使用效率和可靠性。

1.2.3全電子安全系統(tǒng)設計特點

傳統(tǒng)全電子安全系統(tǒng)設計特點通常包括高穩(wěn)定性、高集成度、高安全性、高可靠性等。對于環(huán)境和需求的不同,采用的設計方式也有所不同,雖然高度集成對于系統(tǒng)的整體性能和功能集成方面有優(yōu)勢,但是模塊化設計在系統(tǒng)維護、擴展、集成等方面也有著明顯的優(yōu)勢,對于維護系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性,模塊化設計可能更加適合。

1.2.4全電子安全系統(tǒng)解除保險激勵選擇

本文充分發(fā)揮并利用空空導彈所獨處的環(huán)境信息,分別采用彈架分離信號、目標鎖定信號和目標臨近信號作為第1、2、3級環(huán)境保險解除激勵,實現(xiàn)解除保險環(huán)境激勵和保險與解除保險邏輯之間的良好匹配。

1.2.5全電子安全系統(tǒng)流程

全電子安全系統(tǒng)流程如圖1所示。按照空空導彈的飛行速度為1 200 m/s,爆炸半徑為100 m進行計算,1 s后空空導彈已經(jīng)飛行1 000 m以上,大于爆炸半徑,可以確保載機安全。

圖1 安全控制系統(tǒng)流程圖

2 全電子安全系統(tǒng)的模塊化

為了保證空空導彈發(fā)射后載機和后續(xù)彈道的安全性,對其引信體系的安全、可靠程度提出了更高的要求。在對全電子安全系統(tǒng)模塊化進行研究時,應采取以下措施:1) 引信系統(tǒng)采用目標基安全系統(tǒng)設計方式;2) 對安全系統(tǒng)進行合理的邏輯設計。

2.1 硬件部分模塊化

根據(jù)GJB 373B—2019《引信安全性設計準則》,全電子安全系統(tǒng)采用冗余設計的方式。分別采用兩組獨立的電路,使用3級保險(2組靜態(tài)開關和1組動態(tài)開關)來實現(xiàn)對起爆電源的隔離最為合理[11]。選取CPLD和FPGA作為控制芯片,CPLD邏輯能力強,適用于控制密集型系統(tǒng),適合完成各種算法和組合邏輯,FPGA寄存器資源豐富,適合完成時序邏輯。系統(tǒng)采用“閾值+時間窗+順序”的控制思路[12],結(jié)合3個環(huán)境信號分別對3級保險進行控制,進而保證載機和空空導彈彈道的安全性。

安全控制系統(tǒng)結(jié)構如圖2所示。根據(jù)硬件部分各元器件功能及環(huán)境特性,降低高壓電路對低壓信號影響,采用模塊化設計方式,將全電子安全系統(tǒng)分為四個子模塊:低壓接口模塊、邏輯控制模塊、功率電路模塊和高壓起爆模塊。各子模塊之間通過數(shù)據(jù)總線(CAN、I2C、USB等)進行連接,可減少連線數(shù)目,便于系統(tǒng)布線和接口設計,簡化系統(tǒng)結(jié)構,同時便于系統(tǒng)的更新、擴充和靈活配置,更易于實現(xiàn)系統(tǒng)硬件部分模塊化[13]。

圖2 安全控制系統(tǒng)結(jié)構框圖

2.2 程控系統(tǒng)模塊化

2.2.1CPLD程控模塊

對于邏輯控制芯片CPLD的程控系統(tǒng),宜采用模塊化編程方式。主要實現(xiàn)以下功能:CPLD在時間窗T1內(nèi)對環(huán)境信號1進行識別并對靜態(tài)開關1進行作用;CPLD在時間窗T3內(nèi)對環(huán)境信號3進行識別并對動態(tài)開關進行作用;CPLD讀取ADC模塊采集的電容電壓數(shù)據(jù)并對電容電壓進行閉環(huán)控制;CPLD對引爆指令進行識別并輸出起爆信號對驅(qū)動電路進行作用。

CPLD的程控系統(tǒng)如圖3所示,主要由7個子模塊組成:數(shù)據(jù)接收模塊、環(huán)境信號處理模塊、ADC采集模塊、SW1信號處理模塊、SW3信號處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、起爆信號處理模塊。

圖3 CPLD程控系統(tǒng)RTL示意圖

2.2.2FPGA程控模塊

對于邏輯控制芯片F(xiàn)PGA的程控系統(tǒng),同樣采用模塊化編程方式。主要實現(xiàn)以下功能:FPGA在時間窗T2內(nèi)對環(huán)境信號2進行識別并對靜態(tài)開關2進行作用;FPGA對引爆指令進行識別并輸出起爆信號對驅(qū)動電路進行作用。

圖4為FPGA程控系統(tǒng),主要由5個子模塊組成:數(shù)據(jù)接收模塊、環(huán)境信號處理模塊、SW2信號處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、起爆信號處理模塊。

2.3 程控系統(tǒng)模塊化分析

采用Modelsim軟件對本文的程控系統(tǒng)模塊進行仿真分析。在仿真前對引信系統(tǒng)的常規(guī)情況作以下設定:

1) 引信系統(tǒng)中的各器件均正常工作;

2) 各系統(tǒng)間線路連接無任何問題;

3) 發(fā)射前系統(tǒng)自檢無誤。

本文所表述的程控系統(tǒng)信號變量說明如表1所示。

表1 系統(tǒng)信號變量說明

2.3.1CPLD程控模塊分析

CPLD正常解除保險仿真示意圖如圖5所示。圖中,CPLD所有子模塊均正常工作,3級保險均正常解除,起爆信號由初始低電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高電平,起爆信號作用。

圖5 CPLD正常解除保險仿真示意圖

環(huán)境信號1未在時間窗T1內(nèi)生效,SW1信號處理模塊解除保險異常,全電子安全系統(tǒng)進入絕火狀態(tài),仿真示意圖如圖6所示。盡管后續(xù)信號繼續(xù)作用,但系統(tǒng)已經(jīng)失效,無法起爆。

圖6 SW1解除保險異常

環(huán)境信號3未在時間窗T3內(nèi)生效,SW3信號處理模塊解除保險異常,全電子安全系統(tǒng)進入絕火狀態(tài),仿真示意圖如圖7所示。引爆指令到來,系統(tǒng)已失效,未能起爆。

圖7 SW3解除保險異常

2.3.2FPGA程控模塊分析

FPGA正常解除保險仿真示意圖如圖8所示。FPGA所有子模塊均正常工作,3級保險均正常解除,引爆指令作用,起爆信號由初始高電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換為低電平,起爆信號生效。

圖8 FPGA正常解除保險仿真示意圖

環(huán)境信號2未在時間窗T2內(nèi)生效,SW2信號處理模塊解除保險異常,仿真示意圖如圖9所示。全電子安全系統(tǒng)進入絕火狀態(tài),系統(tǒng)失效,無法起爆。

圖9 SW2解除保險異常

2.3.3ADC采集模塊和SW3信號處理模塊聯(lián)合分析

在CPLD模塊接收到3級保險解除信號后,SW3動態(tài)開關開始進行作用。ADC采集模塊實時采集高壓電容電壓,并與設定電壓進行比較, 采用PID閉環(huán)調(diào)節(jié)方式,向SW3信號處理模塊輸出PWM控制信號,通過改變周期中高低電平的占空比來調(diào)節(jié)SW3動態(tài)開關閉合時間的長短。因此,SW3控制信號占空比緩慢減小,直至高壓電容電壓達到1 200 V,觸發(fā)充電完成信號。充電完成后,由于系統(tǒng)中存在自失能電阻,高壓電容會緩慢放電,PID算法閉環(huán)調(diào)節(jié),使SW3控制信號始終輸出一個占空比較小的PWM控制信號,將高壓電容電壓始終維持在1 200 V以上。閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖10所示,SW3動態(tài)控制仿真結(jié)果如圖11所示。

圖10 閉環(huán)控制結(jié)構框圖

圖11 SW3動態(tài)控制

2.4 程控系統(tǒng)模塊化優(yōu)勢

通過對程控系統(tǒng)各個模塊進行仿真分析,可看出程控部分采用模塊化編程方式,各個模塊間相互獨立又相互聯(lián)系。在對程控部分進行更改或升級調(diào)試時,可以將模塊進行劃分,多人協(xié)作進行編程,可以做到互不影響,能夠極大提高工作效率,快速解決問題。將本文系統(tǒng)用于實際作戰(zhàn)環(huán)境中時,將環(huán)境信號處理模塊進行相應更改,將其替換為實際環(huán)境信號所設計的模塊,并對信號進行相應處理,其他模塊跟隨實際情況進行一定修改,降低了程序設計的復雜度,增強了全電子安全系統(tǒng)軟件部分的可維護性。

3 系統(tǒng)試驗驗證

3.1 低能爆炸箔試驗

將本文全電子安全控制系統(tǒng)中的低壓接口模塊和邏輯控制模塊與試驗箱中的功率電路模塊和高壓起爆模塊進行連接。通過上述控制方式控制該試驗箱中的保險進行解除,控制高壓電容進行充放電,起爆爆炸箔,對本文的基于模塊化的全電子安全控制系統(tǒng)的功能進行檢驗。

本文選取的爆炸箔為銅爆炸箔,其橋箔材料及物理參數(shù)如表2所示。

表2 爆炸箔材料物理參數(shù)

爆炸箔起爆前,橋區(qū)完整,橋區(qū)形狀呈雙曲形。爆炸過程中,其橋區(qū)部分發(fā)生了由固態(tài)—液態(tài)—氣態(tài)—等離子態(tài)的過程變化,橋區(qū)斷裂,等離子體做功促使飛片沖出加速膛,撞擊爆炸藥引發(fā)導彈爆炸。爆炸箔爆炸前后示意圖如圖12和圖13所示,由圖中可以看出爆炸箔爆炸后橋區(qū)出現(xiàn)明顯斷裂。

圖12 爆炸箔炸前示意圖

圖13 爆炸箔炸后示意圖

起爆過程中,爆炸箔兩端電流和電壓變化情況如圖14所示,通道4為電壓變化示意圖,其電壓峰-峰值為1.01 kV,爆發(fā)電壓為838 V。該通道中,波峰之前出現(xiàn)的雜波是由于回路中接有高壓開關,高壓開關閉合時發(fā)生的抖動所引起的;通道2為電流變化示意圖,其電流峰-峰值為298 A,爆發(fā)電流為236 A。經(jīng)測試,本文所采用的低發(fā)火能量微型沖擊片雷管的可靠發(fā)火電流為218 A,236 A>218 A,能夠滿足沖擊片雷管可靠發(fā)火的要求。

圖14 成功起爆時電流電壓變化示意圖

經(jīng)過多次試驗測試,本文所設計的全電子安全控制系統(tǒng)性能可靠,具有可行性,可以滿足空空導彈引信的安全控制需求。

3.2 硬件部分模塊化優(yōu)勢

通過低能爆炸箔試驗對系統(tǒng)硬件部分進行測試,硬件部分采用模塊化設計方式,將高、低壓模塊進行分離,當某一模塊損壞時,無需更換整個系統(tǒng),便于拆卸分解組合,同時可以減弱高壓高頻電路對低壓電路的影響。分模塊進行設計,增強了全電子安全系統(tǒng)各部件功能的獨立性和系統(tǒng)硬件部分的可維護性,進而提高了系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié)論

本文設計了模塊化電子安全控制系統(tǒng),分別從該系統(tǒng)的硬件和軟件兩方面進行研究,各個模塊間相互聯(lián)系又相互獨立,便于進行模塊間的組合與分解和各個功能模塊的調(diào)試與升級。該系統(tǒng)使各部件功能的獨立性得到增強,降低了程序設計的復雜度,增強了系統(tǒng)的可維護性。

對空空導彈全電子安全系統(tǒng)進行研究,選取空空導彈獨特的環(huán)境信號來進行設計,該環(huán)境信號可根據(jù)實際作戰(zhàn)環(huán)境進行更改。采用Modelsim軟件和爆炸箔試驗對全電子安全控制系統(tǒng)進行的仿真分析和可行性測試,能夠為空空導彈全電子安全控制系統(tǒng)設計工程提供一定參考價值。未來將從安全性和可靠性方面對本文所設計的全電子安全控制系統(tǒng)進行進一步研究。