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Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance >

2025 , Vol. 45 >Issue 6: 1002 - 1008

DOI: https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2025.06.005

Academic article

Simulation Study on the Driving Device System of Safety Igniter Based on Modelica

  • WU Wei ,
  • CHEN Zhiyi ,
  • LV Zhichao ,
  • ZHU Rui ,
  • WEN Xiongfei
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  • Shanghai Space Propulsion Technology Research Institute,Shanghai,201109,China

Received date: 2024-08-12

  Online published: 2026-01-24

Fold

Abstract

This paper is based on the multi-domain physical unified modeling language Modelica and focuses on studying the working principle of the drive device for the safety insurance agency of a solid rocket engine.Through this research,a simulation model of the drive device system has been established,which includes components such as servo motors,gear transmission mechanisms,worm gear transmission mechanisms,and others.Additionally,the model has been rigorously verified to ensure its accuracy.Taking the safety insurance agency drive device used in a specific model as the research object,the established system simulation model was applied to calculate parameters such as the conversion time,maximum current,and stable current of the drive device under different working conditions.These calculated parameters were then compared with experimental data to validate the model's effectiveness.The results indicate that under the same load,as the voltage increases,the motor speed and worm gear speed gradually increase,while the conversion time decreases.The maximum simulation errors for the steady current and maximum current of the motor are 0.7% and 4.2%,respectively.The simulation error range for the conversion time is 3.8%~8.7%.This research provides valuable insights into the design and performance evaluation of drive devices for safe igniters in solid rocket engines.By utilizing the established simulation model,engineers can effectively predict and analyze the behavior of the drive device under various conditions,thereby facilitating the optimization and improvement of its design.

Key words： Solid rocket motor; safety insurance agency drive device; system simulation; conversion time; Modelica

Cite this article

WU Wei , CHEN Zhiyi , LV Zhichao , ZHU Rui , WEN Xiongfei . Simulation Study on the Driving Device System of Safety Igniter Based on Modelica[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2025 , 45(6) : 1002 -1008 . DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2025.06.005

0 引言

固体火箭发动机常采用电火工品进行点火,火工品通常具有很高的危险性,受到外界复杂电磁[1,2]、温度[3]、应力[4]、静电[5,6]环境影响或者操作人员误操作后,很可能会意外发火,因此其安全性与可靠性直接关系到武器系统的安全性与可靠性。
固体火箭发动机安全保险机构是保证导弹在运输、贮存、测试和维护过程中安全性的重要部件,可以防止导弹在非战斗状态下的误点火而导致的意外爆炸甚至人员伤亡。典型的固体发动机点火器由电发火管、引燃药、高能输出药及壳体组成。国内外固体安全保险机构的研制主要从以下两个方面考虑,一方面是提高电发火管的钝感度[7],这种方法只能降低意外发火的概率,并不能完全解决点火器的意外发火问题[8];另一方面是在点火系统中加装安全防护装置,安全防护装置又分为电安全防护和机械隔断式[9,10]防护。电安全防护主要是为了防范静电和射频[11]干扰信号造成的误点火,但无法有效防范误操作引发的意外发火。机械阻断式防护是通过物理手段[12]直接隔绝电发火管与引燃药之间的点火通道,防止意外发火点燃引燃药[13],在工作状态时经手动或电动方式打开点火通道,即可正常点燃引燃药。
机械阻断式防护装置通常包含伺服电机、传动机构和负载等组件,实际影响变量多,工作过程涉及多学科交叉。传统设计模式多依赖于实物试验对其性能进行验证与分析,仅能给出整体性能参数,不能对工作过程中的参数变化进行实时分析。同时受限于试验设施条件,无法模拟产品出现故障或处在极端工况下的工作过程,使得性能验证不够充分。随着仿真技术的发展,基于系统仿真的分析与优化逐渐成为复杂工程系统设计的重要支撑手段[14],其中最具代表性的是基于方程的建模语言Modelica。自从Modelica诞生以来,就得到了国内外学者的广泛关注。Wall基于Modelica对混合动力汽车进行了系统建模与仿真,并验证了模型的可信度[15]。William对混合能源系统进行了系统建模,通过对单个组件和整个系统的仿真模拟,验证了系统模型的正确性[16]。上海交通大学陈琼忠建立了开关磁阻电机驱动系统,并建立了相关模块的模型库,丰富了航空动力系统元件模型库[17]。张旭阳等通过研究船用射汽抽气器性能仿真数学模型,开发了船用汽轮机组射汽抽气器的图形化仿真模型,该模型具有良好的模块化和重用性[18]。经过近20年的迅速发展,Modelica已在航空航天、机电系统、车辆、工程机械等领域得到应用[19]。
本文基于多领域系统建模语言Modelica,对某固体发动机安全保险机构驱动装置的工作过程进行了研究,建立了驱动装置系统仿真模型,对不同工况下的驱动装置进行了系统仿真计算,并用试验测试结果验证了系统仿真模型的合理性,为固体发动机安全保险机构驱动装置的设计提供参考。

1 驱动装置原理与建模

驱动装置主要由伺服电机、齿轮传动机构、蜗轮蜗杆传动机构等组成,其简化示意图如图1所示。
图1 驱动装置简化示意图

Fig.1 Simplified schematic diagram of driving device

驱动装置工作时,发控系统给伺服电机供电,电机输出转速、转矩,在齿轮传动机构、蜗轮蜗杆传动机构作用下将电机的高转速、小转矩转化为机构输出端的低转速、大转矩,带动旋转隔板上的芯轴转动。安全状态(S)下,旋转隔板完全挡住传火通道,即使电发火管意外发火,也不会点燃引燃药;战斗状态(A)下,电机驱动旋转隔板转动一定角度,使传火孔正对传火通道,当收到点火指令后,电发火管发火,高温火焰经传火通道点燃引燃药,随后点燃高能输出装药用来点燃发动机主装药。
本文建立的驱动装置系统仿真模型的核心组件包括伺服电机、齿轮传动机构和蜗轮蜗杆传动机构,其中芯轴部分作为负载转矩直接添加至蜗轮上。

1.1 伺服电机建模

电机采用直流伺服电机,主要包括磁极、线圈、电刷和换向器等。当在电刷两端施加电枢电压时,线圈中通入直流电产生电磁场,在磁极磁场作用下线圈开始切割磁场线运动。当线圈转过180°后,换向器使线圈中的电流逆向,线圈在磁场作用下可以沿着原来的方向继续旋转[20],从而输出一定的转矩。物理等效电路如图2所示。
图2 伺服电机物理等效电路图

Fig.2 Physical equivalent circuit diagram of servo motor

其中,U (t)为电枢电压,R为电枢回路电阻,L为电枢回路电感,I (t)为电枢电流,ω(t)为电机轴输出角速度,E(t)为电机旋转产生的反电动势,J为折算到电机轴上的总转动惯量。
假设电机工作在理想状态下,根据电机的瞬时状态建立的直流电机微分方程模型如下:
电枢电压方程:
U(t)=RI(t)+L d I (t) d t+E(t)
感应电动势:
E(t)=Keω(t)
电磁转矩平衡方程:
Te-Tf=J d ω (t) d t
电磁转矩方程:
Te=KTId(t)
式中,Ke为反电动势系数;Te为电磁转矩;Tf为负载转矩;KT为转矩系数。电机主要参数如表1所示,Ue、Ie、ωe为额定参数。
表1 电机参数表

Table 1 Motor parameters

Parameter Value Unit
Ue 27 V
R 12.1 Ω
L 7.25e-4 H
Ie 1.48 A
ωe 1000 rpm
J 2.5e-5 kg/m2
Ke 0.2 1
KT 0.194 1

1.2 齿轮传动机构建模

齿轮传动机构的主要作用是将电机轴的输出以一定的比例转换到对应的负载蜗杆上。齿轮的控制方程如下:
ηtotal=ηn
φ1=ξ·φ2
ξ·T1·ηtotal+T2=0
式中,η为齿轮效率;n为齿轮级数;φ1为齿轮输入端转角;φ2为齿轮输出端转角;ξ为齿轮传动比;T1为齿轮输入端转矩;T2为齿轮输出端转矩。齿轮的主要参数如表2所示。
表2 齿轮参数表

Table 2 Gear parameters

Parameter Value Unit
η 0.97 1
n 1 1
ξ 33/18 1

1.3 蜗轮蜗杆传动机构建模

蜗轮蜗杆用来传动空间交错轴之间的运动和动力,通常两轴交错角为90°。本文采用理想蜗轮蜗杆模型,不考虑机构间的摩擦力,无自锁现象。蜗轮蜗杆传动可提供较大的减速比,以起到增大扭矩的作用。理想蜗轮蜗杆的物理模型如下:
λ=arctan z 1 · m d 1
ηab=η1·η2·η3
η1= t a n ( λ ) t a n ( λ + φ v )
i= ω a ω b
Ta·i·ηab-Tb=0
式中,λ为蜗杆分度圆导程角;d1为蜗杆分度圆直径;z1为蜗杆齿数;m为蜗杆模数;ηab为蜗轮蜗杆总传动效率;η1为传动啮合效率,η2为搅油效率;η3为轴承效率;ρv为当量摩擦角;i为蜗轮蜗杆传动比;Ta为蜗杆输入端转矩;Tb为齿轮输出端转矩;ωa为蜗杆输入端转速;ωb为蜗轮输出端转速。蜗轮蜗杆的主要参数如表3所示。
表3 蜗轮蜗杆参数表

Table 3 Worm gear parameters

Parameter Value Unit
d1 11.2 mm
m 0.8 mm
z1 1 1
η2 1 1
η3 0.99 1
ρv 3.5 °
i 33 1

1.4 驱动装置整体模型

通过对驱动装置各核心组件进行组合,并加入电源和负载模型,形成驱动装置统仿真模型,具体如图3所示。
图3 驱动装置系统仿真模型

Fig.3 Simulation model of the driving device system

2 模型验证

选取驱动装置额定工况下的输出结果对所建立的系统仿真模型进行校核,驱动装置在额定工况下的输入、输出变量如表4所示。其中,ωmotor为电机平稳转速,ωwg为蜗轮平稳转速,θm为蜗轮最大转角,t为转换时间。
表4 额定工况下的输入输出

Table 4 Input and outpur under rated operating conditions

变量 A B C
U / V 24 27 30
Te /(N·m) 0.0392 0.0392 0.0392
ωmotor/rpm 858 1000 1142
Tf /(N·m) 1.24 1.24 1.24
ωwg/rpm 14.18 16.52 18.87
θm/° 87 87 87
t/s 1.02 0.87 0.76
基于表4的输入参数,设置输入电压分别为24V、27V和30V,对应A、B、C三种工况,负载转矩均设置为1.24N·m,进行驱动装置系统仿真计算。图4分别给出了电机转速、蜗轮转速和蜗轮转角随时间的变化曲线。
图4 系统仿真计算结果

Fig.4 System simulation result

由计算结果可知,随着电压的增加,电机转速和蜗轮转速逐渐增大,转换时间减小。将系统仿真计算结果与额定工况下输出结果进行对比,如表5所示。对比结果显示,三组工况中,电机转速的计算误差在1.90%~3.96%,绝对误差小于34rpm;蜗轮转速的计算误差为1.88%~3.88%,绝对误差小于0.55rpm;转换时间误差在2.94%~5.26%,绝对误差小于40ms,验证了本文所建模型的合理性。
表5 系统仿真计算结果与额定工况下输出结果对比表

Table 5 Comparision table of calculation and rated operating condition results

Conditions Motor speed
(rpm)		 Worm gear
speed (rpm)		 Conversion
time (s)
A Rated 858 14.18 1.02
Calculated 892 14.73 0.99
Error (%) 3.96 3.88 2.94
B Rated 1000 16.52 0.87
Calculated 981 16.21 0.90
Error(%) 1.90 1.88 3.45
C Rated 1142 18.87 0.76
Calculated 1111 18.36 0.80
Error (%) 2.71 2.70 5.26

3 计算结果与分析

3.1 计算工况

对某型号安全保险机构驱动装置的工作状态进行试验测试,主要关注驱动装置工作过程中驱动电机的平稳电流、最大电流和转换时间。试验设备主要有电源、转换电缆和JK3C测试仪。试验设备连接完成后,将驱动装置与旋转隔板轴心相连,打开电源后驱动装置开始工作,带动轴心旋转,在JK3C测试仪显示屏上读取相关试验数据。分别在正常电压(28.5V)、电压上限(32V)和电压下限(24V)条件下,记录驱动电压、最大电流、平均电流和转换时间,试验数据如表6所示。
表6 试验数据表

Table 6 Experimental date

变量 1 2 3
U / V 24 28.5 32
Imax/A 1.68 2.02 2.35
Isteady/A 0.14 0.14 0.18
t/ms 915 775 719
根据试验工况,共设置三种系统仿真工况D、E、F,分别对应试验1、2、3。工况D输入电压为24V,负载转矩为0.84N·m;工况E在工况D的基础上增大输入电压为28.5V,负载转矩为0.84N·m;工况F输入电压为32V,负载转矩为1.09N·m。

3.2 结果与分析

系统仿真结果如图5所示。图5(a)、(b)、(c)分别给出了工作电流、电机转速和蜗轮转角随时间的变化曲线。由图5可知,电机带动负载启动时工作电流较大,三种工况下电机启动时的最大电流分别为1.75A、2.07A和2.33A。由式(4)可知,启动时的电磁转矩很大,电机轴转速迅速增加。随着电机转动产生反电动势,电机电流逐渐减小,电磁转矩随之减小直至与负载力矩平衡,电流也趋于稳定值。三种工况下从最大启动电流至平稳电流所需时间分别为77ms、82ms、和89ms,平稳电流分别为0.139A、0.139A和0.181A。随着电流趋于平稳,电机轴的转速也达到最大值并保持平稳,三种工况下的电机轴最大转速分别为887rpm、1066rpm和1186rpm,转换时间分别为995ms、829ms和746ms。
图5 参数随时间的变化曲线

Fig.5 Curves of parameters variation over time

将计算结果与试验结果进行对比,对比结果如图6所示。由图可知,平稳电流计算结果与试验结果对比误差范围为0.6%~0.7%,绝对误差为0.001A;最大电流对比误差范围为0.9%~4.2%,绝对误差最大为0.07A;转换时间对比误差范围为3.8%~8.7%,绝对误差最大为80ms。
图6 计算结果与试验结果误差图

Fig.6 Error between calculation and experiment

对比结果表明,本文建立的驱动装置系统仿真模型具有较高的计算精度,能够满足安全保险机构驱动装置系统仿真需求。

4 结论

本文首先通过分析安全保险机构驱动装置的工作原理,建立了包含伺服电机、齿轮传动机构、蜗轮蜗杆传动机构等组件的驱动装置系统仿真模型。其次,对系统仿真模型进行了驱动装置额定工况下的仿真校核,验证了模型的正确性。最后,根据某型号安全点火机构试验工况,研究了不同工况下驱动装置工作过程中的转换时间、最大电流、平稳电流等参数的变化情况,并与试验结果进行了对比。本文得到的主要结论如下:
1)采用建模语言Modelica可以有效建立安全保险机构驱动装置内部多学科组件的图形化模型,且模型具有很好的重用性。
2)所建立的安全保险机构驱动装置系统仿真模型具有高计算精度。与试验结果相比,电机平稳电流的仿真误差范围为0.6%~0.7%,最大电流的仿真误差范围为0.9%~4.2%,转换时间的仿真误差范围为3.8%~8.7%。
3)电机启动时,工作电流迅速增大,因此电磁转矩很大,使电机轴具有很大的加速度,转速迅速增加,随后电流逐渐减小并趋于稳定值。相同负载下,随着电压的增加,电机转速和蜗轮转速逐渐增大,转换时间减小。系统仿真模型可以模拟驱动装置工作过程中各参数之间的变化关系,提高了驱动装置设计中参数的动态分析能力。

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