0 引言
智能弹药等武器系统中的点火回路检测是武器系统测试的重要环节之一,点火回路的性能和健康状态关系着弹药发射、工作的安全性和可靠性。
目前武器系统在联试联调过程中所使用的点火回路检测方法是连接一个与电点火具直流电阻相当的固定电阻,并利用示波器等测试设备观测和记录点火脉冲信号的幅值、脉宽等参数,进而评估点火回路的性能和健康状态。但该方法并不能完全模拟电点火具的特性,如点火脉冲宽度是否能使电点火具可靠作用、电点火具作用后点火回路是断路且悬空状态等。而直接采用将电点火具接入武器系统中进行测试,又因其成本高、无法重复使用、对火工品试验场所有要求等现实问题,不宜用于武器系统联试联调中。
为了更加真实的模拟武器系统点火过程,满足低成本、可重复使用、安全性等需求,文中提出一种电点火具模拟器的设计方法,用于模拟电点火具作用机理,能较全面的验证武器系统点火脉宽、幅值、回路隔离度等输出性能,通过电路仿真与实物测试结果,进一步验证了电点火具模拟器的功能及性能。
1 原理设计
目前智能弹药使用较多的点火具为桥丝式电点火具,主要由管壳、电极塞、电极引线、桥丝以及起爆药等组成。电点火具的作用过程为通电后的桥丝发热,传递给火药,当热量积累到大于活化分子所需的最小热量时,引燃火药,桥丝熔断,完成点火过程。文中研究的电点火具模拟器主要用于模拟电点火具的能量积累过程及桥丝熔断过程。
电点火具模拟器通过采集武器系统输出的点火脉冲信号,判断点火脉冲信号是否能够使电点火具作用,当满足点火作用条件时,由触发模块切断点火回路,模拟电点火具桥丝熔断,完成一次点火过程试验;而当无法满足点火作用条件时,则无法切断点火回路,即实现模拟电点火具桥丝未被熔断的过程。
1.1 点火脉冲检测模块设计
点火脉冲检测模块主要是采集飞行控制器等弹上部件或者地面发控装置所输出的点火脉冲信号。作为测试设备,应不干扰整个系统的正常功能,因此,在电点火具模拟器设计中进行了隔离设计。综合考虑,选择光耦作为采集隔离器件;另一方面,为使模拟器具有更强的通用性,同时避免因人为接线错误导致设备损坏,在点火脉冲检测模块设计中采用双向采集设计。
1.2 判断模块设计
电点火具桥丝熔断原理上是热量积累的过程,因此通过RC积分电路对点火信号进行积分,当点火信号脉冲宽度和幅值达到预设值时,可以触发后级电路作用,从而实现对热量积累过程的模拟。判断模块主要用于判断点火信号脉冲宽度及幅值能否触发后级电路动作。
本设计采用RC一阶零状态响应电路,采集到的点火脉冲经过电阻R和电容C输出到三极管的基极。RC一阶零状态响应的电路原理图如图3所示。
求解微分方程,得到
uc(t)=E(1- ${e}^{-\frac{1}{\tau }t}$ )U(t)
在文中设计中,uc(t)=0.7 V,U(t)=1,求解得到时间常数:
τ= $\frac{t}{-ln\left(1-\frac{0.7}{E}\right)}$ 。
1.3 执行模块设计
执行模块用于切断点火回路。
为增加测试直观性,在电路设计中增加LED指示灯显示输出点火结果;为使点火测试便于快速重复进行,在电路设计中增加复位开关对原有状态清零,即将切断的点火回路重新接通,实现可快速重复测试点火过程的功能。
当点火脉冲宽度、幅值满足电点火具要求时,执行模块正常动作,并且指示灯D1熄灭,代表点火成功,通过复位按钮S1可以复位状态,可进行下一次试验。
1.4 工作过程
电点火具模拟器初始化后,K1处于常闭状态,此时点火负载电阻接入点火回路, K2处于闭合状态,指示灯D1点亮。当点火回路有点火脉冲输出时, 光耦U2或U3导通,VCC-1通过R4和R1给C1充电,经过时间T后,C1两端电压达到0.7 V,三极管Q1导通,继电器U1动作,K1断开,切断点火回路,K3接通,Q1维持导通,D2点亮,实现对桥丝熔断模拟。
2 电路仿真
根据某型智能弹药中所采用的电点火具参数,熔断桥丝所需的脉宽约为5 ms,点火回路模拟负载约为2 Ω;其点火脉冲由飞行控制器输出,脉宽为50 ms。利用Multisium电路仿真软件进行搭建电点火具模拟器仿真电路并进行电路参数调试。根据微分求解得到时间常数τ的值,进而得到R1与C1的值。其中,R1=1 kΩ,C1=50 μF。
在仿真过程中,电点火具模拟器电路建模结果如图4所示。
2.1 正常点火脉冲下的仿真结果
仿真开始后,点火回路接通,红色LED指示灯打开,表示点火回路已接通。仿真结果如图5所示。
在仿真开始5 ms后,点火过程结束,绿色LED指示灯打开,表示一次点火过程结束。仿真结果见图6所示。
监测点火过程中点火电压以及电点火具模拟负载处的电流,可以看到,点火脉冲宽度为50 ms,模拟负载处电流持续时间为5 ms。仿真结果如图7所示。
2.2 窄脉冲干扰下仿真结果
3 测试验证
将电点火具模拟器直接接入某型智能弹药武器系统中参与部件桌面联试,分别用示波器监测点火脉冲信号以及模拟负载两端脉冲信号。
飞行控制器输出的某路点火脉冲宽度为50 ms,点火回路模拟负载为2 Ω。
示波器上监测的波形结果如图10所示。飞行控制器输出的点火脉冲宽度为50 ms,电点火具模拟负载两端的脉冲持续时间为5 ms。
4 结论
提出了一种用于智能弹药的电点火具模拟器设计方法,利用Multisium电路仿真软件进行正常点火信号以及窄脉冲干扰信号下的电点火具模拟器的功能仿真,验证电路设计合理可靠;并通过接入某型智能弹药武器系统中多次参与桌面联试,充分验证电点火具模拟器的功能及性能。