一种适用于多型火箭弹的引信控制系统
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【摘要】本文针对传统的引信控制系统易使火箭弹在飞行过程中出现全弹道，可靠性低的不足，阐述了一种分离式引信控制系统的设计。试验证明该控制系统有效提高了火箭弹的安全性和可靠性，可完全替代传统的控制系统。
【关键词】引信;控制系统;安全性;可靠性
1.引言
在弹药系统中，引信是实现毁伤目标的最后环节之一，是火攻武器战斗部的
引发装置，也是武器系统能否实现技战术目标的关键部件。随着引信技术的发展，系统的自动化、智能化、电子化水平不断提高;引信系统逐渐由传统的机械结构系统过渡到复杂的机电或电子系统。各种新型电引信的研究方兴未艾，引信的结构越来越复杂、所采用的零部件数量越来越多，为了在未来战争中抢占先机，要求高性能、高安全性及高可靠性的引信尽快装备部队。如何改善和提高电子引信的安全性、可靠性、缩短引信的研制周期，已经成为引信研究领域中一个不容忽视的问题。为进一步提高引信的安全性和可靠性，本文阐述了一种分离式引信控制系统的设计。
2.引信控制系统
传统的引信控制系统为引信工作电源点火头、发动机点火头及搭载设备点火头由发射控制系统提供电源（以下简称发射电源）同时点火，点火时机不受引信电路及软件控制。该控制系统存在一定的可靠患，易使火箭弹出现全弹道现象。
本文选取热电池作为引信工作电源，火箭弹进入工作状态前热电池处于无电源输出的安全状态;进入工作状态后为引信提供可靠工作电源，并作为爆炸序列的点火电源。以下将引信工作电源点火头称为热电池点火头。
本文提出一种分离式引信控制系统，该系统由热电池点火控制、发动机点火控制、搭载设备点火控制及爆炸序列点火控制四部分组成。其中热电池点火、发动机点火及搭载设备点火由发射电源、引信电路及软件控制点火;爆炸序列由热电池提供电源、引信电路及软件控制点火。软件控制点火时序为：热电池点火、发动机点火、搭载设备点火、爆炸序列点火。其功能框图如图1所示：
图1 引信控制系统框图
2.1 热电池点火控制
热电池为化学电池，其接线端子有激活端和电源输出端;当在激活端施加持续脉冲电压时，电源输出端有电压输出。火箭弹在进入工作状态前激活端无持续脉冲电压，故热电池无电压输出，战斗部处于可靠的安全状态;进入工作状态后，在激活端施加连续电压，电源输出端有电压输出，为引信提供可靠工作电源。
本系统所用的热电池性能指标为：
1）激活方式：电激活。安全电流：当电池激活回路通以200mA直流电流时，在5min内，点火头不得发火;发火电流：当电池激活回路通以不小于800 mA直流电流时，在50ms内，点火头应可靠发火;
2）激活时间：在接10Ω负载条件下，按规定激活电池，电池激活时间应不大于200ms，并应符合工作电压要求。
热电池激活端（该激活端为点火头）为桥丝，激活后桥丝可能短路，在传统的引信控制系统模式下，将导致激活电源即发射电源被拉垮。故本文设计成引信在发射电源上电即开始激活热电池;根据热电池性能指标，在确保热电池被可靠激活情况下，一定时间后将热电池激活端与发射电源断开。热电池点火控制原理框图如图2所示：
图2 热电池点火控制框图
图2所示受控电路一由引信软件直接控制，受控电路二由受控电路一控制，发射电源经受控电路二与热电池点火头连接。上电初始受控电路一、受控电路二为导通状态，一定时间后软件输出控制信号给受控电路一，使受控电路二断开，从而达到发射电源与热电池点火头断开的目的。其原理图如图3所示：
图3 热电池点火控制原理图
图3所示继电器KD1作为热电池点火头与发射电源的连接开关，在发射电源激活热电池过程中，即使热电池点火头短路，发射电源被拉垮，CPU输出控制信号后继电器也能动作。电阻R8作为热电池点火限流电阻，防止点火头粘连后发射电源被瞬间接地。本文选用光电耦合器U23来用做电流放大，有两个方面原因：
（1）将发射电源地于引信工作电源地隔离开;（2）作为继电器工作电流放大器。
2.2 安全控制系统
安全控制系统的主要目的是确保引信在进入预定解除保险程序之前可靠的处于安全状态，即冗余保险部件处于保险状态，隔爆件处于隔爆状态;在进入预定解除保险程序并满足解除保险条件（阀值、时序等）时可靠完成解除保险动作而处于待发状态。当出现一道保险未按规定时序而提前或意外解除等各种非正常情况时，为了确保引信及战斗部的安全，应控制引信转为故障保险状态;此时尚未工作的另一道保险将不可能再被解除或控制引信永不会解除保险，爆炸序列永不作用，即处于绝火状态。
引信的安保系统要根据综合判断后的各种环境信息，决定引信由保险状态转入待发、失效或自毁状态，即控制静态和动态电子开关的闭合和断开以及触发回路控制。根据GJB373A要求，引信安全保险系统应至少包括两个独立保险件，其中每一个都能防止引信意外解除保险。启动这两个保险件的激励应从不同的环境获得。
本文所介绍安全控制系统采用以下两个环境激励来解除保险：（1）火箭弹出膛前的运动速度;（2）火箭弹出膛。两个环境激励顺序作用，第一个环境激励加时间窗识别机构。环境激励作用框图如图4所示：
图4 环境激励框图
系统状态：1）保险状态，K3，K4，K1和K2均打开;2）半解除保险状态，K3，K4闭合，K1，K2打开;3）解除保险状态，K1，K2，K3，K4均闭合，4）故障状态，K3，K1闭合，K4及K2打开。解除保险状态工作机制：发动机点火后，产生推力使火箭弹以加速方式出膛，根据推力大小计算出火箭弹加速度值。安保系统传感器感知后输出给CPU采样，CPU判断正确后将K3打开;时间窗机构对加速度持续过程进行判断，如果正确则将K4打开，然后打开K1，在火箭弹出膛后K2打开。热电池电源经过安全控制系统解除保险后输出电源作为爆炸序列点火电源。
2.3 爆炸序列点火控制
爆炸序列点火电源为热电池电源经过安全控制系统后的输出电源。其点火控制电路既要保证爆炸序列可靠起爆，又要保证安全性。爆炸序列点火控制电路的原理框图如图5所示：
图5 爆炸序列点火控制电路的原理框图
2.4 发动机点火控制
本文的发动机点火由引信电路及软件控制，该控制方式的目的，首先是为了提高整个武器系统发射后的固有安全性;其次是充分利用引信已有部件的功能，实现功能和结构的最优整合。本文的发动机点火电路由CPU、电路、稳压电路、限流电阻及场效应管组成。其原理框图如图6所示：
图6 发动机点火电路框图
稳压电路由稳压管及P沟道耗尽型场效应管实现，场效应管为IR公司的IRF9024，门槛电压VT=4V，门级与源极电压差-VGS≤20V，源极至漏极电流IDS最大能达到11A。其输出特性曲线如图7所示：
图7 MOSFET管输出特性曲线
图8 MOSFET管转移特性曲线
由输出特性曲线可看出，当-VGS≥VT时，漏极与源极外加较小电压差VDS，IDS将随VDS上升迅速增大。当VDS增大到一定数值后，IDS将趋于饱和。在饱和区内，IDS近似地表示为：
其中ID0是VGS=2VT时的IDS值。
其转移特性曲线如图8所示。
由转移特性曲线看出，在-VGS≥4V情况下，IDS随-VGS增大而增大;由于该场效应管-VGS≤20V。本文用稳压管电路将场效应管门级与源极电压差-VGS稳在14～18V，使-VGS尽量大但不超过其承受最大电压，从而确保IDS满足点火电流。本文的发射电源电压远大于18V，因此采用限流电阻将发射电源分压以满足稳压管电压范围。其原理图如图9所示：
图9 发动机点火控制原理图
图中U22为光电耦合器，光电耦合器将发射电源地与引信电路工作电源地隔离开，以免发射电源出现瞬间故障影响引信电路工作电源而导致电路工作异常。R23和R42为限流电阻，将发射电源分压后施加在稳压管两端。R45为发动机点火回路限流电阻，有两个方面作用：（1）对发动机点火回路进行限流，防止该点火回路电流过大;（2）如果发动机点火头点火后短路，确保发射电源不被瞬间接地。
2.5 搭载设备点火控制
搭载设备点火头为火箭弹引信要满足自身任务外，对其它设备进行点火。工作原理与发动机点火类似，只是点火时机不同，其原理框图、原理图在此不做论述。
3.结论
本文给出了分离式引信控制系统的框图及原理图，该控制系统经实验室、陆上及海上多次试验验证，证明了该系统的安全性和可靠性，可完全替代传统的引信控制系统。
参考文献
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