固體火箭發(fā)動機電容充電式點火控制系統(tǒng)設(shè)計

王曉暉， 陳 綱

(1.中國航天科技集團公司 第四研究院第四十一研究所 燃燒、流動和熱結(jié)構(gòu)國家級重點實驗室，西安 710025； 2.陜西電器研究所，西安 710025)

0 引言

固體火箭推進劑的順利點火是火箭發(fā)動機正常工作的關(guān)鍵因素，有可能直接影響發(fā)動機的全程工作狀態(tài)和系統(tǒng)飛行試驗結(jié)果。對于一個性能良好的點火系統(tǒng)來講，必須保證在發(fā)動機的技術(shù)指標范圍內(nèi)，可靠地點爆發(fā)動機火工品。基于固體發(fā)動機的點火特性，實際應(yīng)用時一般采用電起爆器作為發(fā)動機的發(fā)火元件，由一定功率的激勵源完成電起爆器的激活，通過其內(nèi)部的具有一定阻值的橋絲，實現(xiàn)從電能到熱能的轉(zhuǎn)換，加熱橋絲周圍的點火藥包并起爆主裝藥。

發(fā)動機是構(gòu)成火箭的總體質(zhì)量和結(jié)構(gòu)外形的主體部分，其特性決定了需要提供較大的點火電流和瞬間功率，才能實現(xiàn)發(fā)動機的正常點火。以往的點火系統(tǒng)在實現(xiàn)發(fā)動機點火控制時，大都是采用具有較大輸出參數(shù)的電源模塊或供電電池，利用其放電實現(xiàn)發(fā)動機的點火控制。由于大容量的供電電池或電源模塊不僅體積龐大而且質(zhì)量沉重，故整個點火控制系統(tǒng)的外形和重量均不利于外場攜行和設(shè)備展開，也不便應(yīng)用于對安裝空間有要求的載體。如果能夠應(yīng)用體積小、質(zhì)量輕的小容量電源模塊或電池給電容充電，存儲完成發(fā)動機點火所需的能量，利用電容瞬間放電實現(xiàn)對電起爆器的激活，就可以降低電源模塊的參數(shù)，大大減小點火控制系統(tǒng)整套設(shè)備的質(zhì)量和體積。

綜上需求，本文對電容充電式點火控制系統(tǒng)進行了整體設(shè)計，以假定電起爆器的點火電流為大電流5～10 A，且大于5 A的持續(xù)時間需要大于50 ms進行論述，給出了充放電電路的參數(shù)計算方法，設(shè)計了充/放電控制電路、激勵轉(zhuǎn)換電路及火工品安全保護電路等，探討了電容充放電電路的狀態(tài)特性，為進一步研究充電式點火提供了一種測控手段。

1 電容充電式點火控制系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

電容充電式點火控制系統(tǒng)由交流電源、直流電池、點火控制器和相關(guān)電纜組成。其中點火控制器為整個系統(tǒng)的核心設(shè)備，由電源單元、檢測單元和發(fā)射控制單元三部分組成。考慮為了便于外場野外環(huán)境使用，點火控制器的供電輸入方式設(shè)計為交、直流兩種形式，依據(jù)不同的控制信號，可將處理后的交流信號或直流電池激勵接入電容充電電路，配合控制電路完成發(fā)動機火工品點火。具體系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電容充電式點火控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖

1.2 工作原理

電容充電式點火控制系統(tǒng)電氣原理圖如下圖2所示，點火控制器面板布局示意圖如下圖3所示，下面結(jié)合圖2～3對系統(tǒng)工作原理進行說明。

圖2 電容充電式點火控制系統(tǒng)電氣原理圖

圖3 點火控制器面板布局示意圖

在常態(tài)時，由點火控制器內(nèi)部的安全保護電路完成對發(fā)動機火工品的保護。當需要對發(fā)動機火工品進行點火控制時，按照現(xiàn)場環(huán)境選擇合適的輸入激勵(內(nèi)場或者有220 V的外場環(huán)境選擇交流電源作為輸入激勵，沒有220 V的外場環(huán)境選擇直流電池作為輸入激勵)，接入內(nèi)部的直流電源升壓轉(zhuǎn)換電路(按下“交流供電”開關(guān)后，即將交流電源接入點火控制器。首先需經(jīng)過一組AC-DC電源模塊，完成輸入交流信號的直流變換，然后再接入直流電源升壓轉(zhuǎn)換電路；按下“直流供電”開關(guān)后，即將點火控制器內(nèi)部裝載的電池的輸出信號直接接入直流電源升壓轉(zhuǎn)換電路)。直流電壓信號經(jīng)過升壓轉(zhuǎn)換電路調(diào)理后，作為充電電壓，可待接入電容充電電路。

當需要進行火工品點火時，將電容充放電選擇開關(guān)撥至“充電”檔，接通電容充電電路，即可對電容進行充電，同時應(yīng)用數(shù)字表頭對電容兩端的電壓進行實時監(jiān)控。待在點火控制器的表頭上觀測到電容兩端電壓滿足要求后，將充放電選擇開關(guān)撥至“關(guān)閉”檔(空檔)，斷開電容充電電路，然后將保險開關(guān)撥至“打開”檔，去除火工品的安全保險，按下“點火控制”開關(guān)，接通火工品的點火控制通路，即可實現(xiàn)發(fā)動機的點火控制。當因外因需要取消發(fā)射時，將充放電選擇開關(guān)撥至“放電”檔，接通電容放電電路，即可對電容進行放電，待在點火控制器的表頭上觀測到電容兩端電壓為零后，將充放電選擇開關(guān)撥至“關(guān)閉”檔(空檔)，斷開電容放電電路，然后將保險開關(guān)撥至“關(guān)閉”檔，接通火工品的安全保險，為發(fā)動機火工品提供安全保護回路，即可恢復(fù)常態(tài)。

2 點火控制器設(shè)計與實現(xiàn)

點火控制器由電源單元、檢測單元和發(fā)射控制單元三部分組成，檢測單元包含多組開關(guān)狀態(tài)指示燈及數(shù)字電壓監(jiān)控表頭，用于完成對給點火控制器供電的220 V交流電壓、給點火控制器供電的24 V直流電池電壓、電容充電/放電電壓及點火控制狀態(tài)的實時監(jiān)測，工作原理較為簡單，故著重對電源單元和發(fā)射控制單元進行介紹。

2.1 電源單元設(shè)計

考慮為滿足外場無交流供電條件下使用的環(huán)境要求，點火控制器采用交流、直流兩種供電輸入形式，故電源單元包含3部分電路，分別為交流電源供電電路、直流電池供電電路和激勵轉(zhuǎn)換電路。

2.1.1 電源模塊電壓的選擇

根據(jù)國家標準，電源模塊的直流電壓應(yīng)是5 V、12 V、24 V、28 V、48 V、96 V等標準電壓。由于電容放電點火電流呈指數(shù)衰減，要滿足上述要求，必須提高點火電流的初始值。因此，按照點火電流初始值為9～12 A進行點火電壓選擇。

如果點火電壓選擇48 V，則整個點火回路阻值應(yīng)在4.0～5.3 Ω?？鄢c火電纜的線路阻值和火工品的阻值，點火電路的限流電阻應(yīng)為1～1.7 Ω，查常用元器件手冊可知，大功率電阻阻值為1 Ω、2 Ω檔，因此限流電阻可選擇為1 Ω。如果點火電壓選擇96 V，則整個點火回路阻值應(yīng)在8.0～10.7 Ω，限流電阻應(yīng)為5～7.1 Ω，查常用元器件手冊可知，大功率電阻阻值為5 Ω、6.8 Ω、10 Ω檔，因此限流電阻可選5 Ω、6.8 Ω。

選擇48 V作為點火電壓的優(yōu)點是：電壓較低，性價比好；缺點是：限流電阻只能選擇1 Ω，此數(shù)值恰好落在選擇阻值范圍的下限，由于火工品點火電流規(guī)定有上、下限范圍，如果點火回路的阻值有一個0.1 Ω的變化范圍，則點火電流就無法滿足要求。選擇96 V作為點火電壓的優(yōu)點是：限流電阻可以選6.8 Ω，此數(shù)值落在阻值選擇范圍的中間，線路阻值的輕微變化不易導(dǎo)致點火電流超出范圍。綜合考慮點火功率等因素，故選擇96±3 V電壓作為點火電壓，便于選擇常用規(guī)格的電源模塊和電路元器件。

2.1.2 直流電池電壓的選擇

點火控制器可以選擇直流電池作為直流輸入，兼顧考慮交流輸入時，完成交直流變換的DC-DC電源模塊的輸入?yún)?shù)，可以選擇24 V或12 V電壓的激勵。由于12 V蓄電池為4 Ah容量，不足以提供點火所需能量，故選擇兩塊12 V電池串聯(lián)后給點火控制器進行供電。

2.1.3 電源電路

根據(jù)外接直流供電激勵選擇24 V電池，電容充電選擇96 V電壓的要求，點火控制器中的交流供電方式采用一個AC-DC(24 V)電源模塊和一個DC-DC(24～96 V)電源模塊進行功能實現(xiàn)；直流供電方式則將電池直接接到DC-DC(24～96 V)電源模塊上，將24 V電壓轉(zhuǎn)換為96 V電壓進行充電、點火。具體電路原理如圖4所示。

圖4 電源電路原理示意圖

1)交流電源供電電路:

點火控制器外接交流電源為220 V、50 HZ交流電，在點火控制器面板上設(shè)置交流供電控制開關(guān)(SK1)，用于控制點火控制器的交流電源的輸入或斷開。

2)直流電池供電電路:

直流電源僅在無交流供電的情況下使用，用兩個12 V電池串聯(lián)后作為直流電源，在點火控制器面板上設(shè)置有直流供電控制開關(guān)(SK2)，用于控制點火控制器的內(nèi)部電池的輸入或斷開。

3)激勵轉(zhuǎn)換電路:

點火控制器中用一個DC-DC電源模塊將24 V直流信號轉(zhuǎn)換為5 V，用于為數(shù)字電壓監(jiān)控表頭和指示燈供電；用一個AC-DC電源模塊將220 V交流信號轉(zhuǎn)換為24 V，用于后級電壓調(diào)理；用一個DC-DC電源模塊將24 V直流信號轉(zhuǎn)換為96 V，用于為電容進行充電，實施火工品的點火。

2.2 發(fā)射控制單元設(shè)計

發(fā)射控制單元包含三部分電路，分別為電容充放電控制電路、安全保護電路和點火控制電路。安全保護電路主要用于在常態(tài)時為火工品提供一種保護手段，對靜電等干擾進行有效釋放，在此不再贅述。具體電路原理如圖5所示。

圖5 發(fā)射控制電路原理示意圖

2.2.1 電容充放電控制電路

點火控制器面板上設(shè)置有一個單極三位選擇開關(guān)(SK3)，控制電容的充放電，分別為“關(guān)閉”檔、“充電”檔、“放電”檔。為防止充電瞬間電壓超限，對點火電路造成影響，在電容兩端并聯(lián)瞬變電壓抑制二極管，對電路進行保護。

2.2.2 點火控制電路

假定火工品點火線路為兩路獨立的回路(如火工品有多組點火回路時，同理計算即可)，其點火電壓由充電電容提供。點火控制器面板上分別設(shè)置有“點火保險”開關(guān)(SK5)、“點火控制”開關(guān)(SK6)，控制火工品的點火。由于點火時的初始電流較大，“點火保險”、“點火控制”功能均采用電磁繼電器進行控制。

2.2.3 電容參數(shù)選擇

2.2.3.1 選取原則

在選取放電電容與回路電阻時，需要考慮以下兩個主要因素：

1)為了保證較大的點火電流，回路電阻應(yīng)該減小，但會造成放電時間常數(shù)τ變小，點火電流持續(xù)5 A以上的時間也相應(yīng)縮短；

2)為了延長放電時間常數(shù)τ，需要增加回路電阻或電容容量。增大回路電阻會使點火電流減小，增大電容容量會使元器件成本增高，且體積增加。

綜合以上分析，需要對電容及電阻的取值進行平衡選擇：

首先，需要保證點火電流足夠大。由于電容的放電電流呈指數(shù)衰減，所以電流初始值應(yīng)較大，假定選擇點火電流初始值為9～12 A。因為點火電壓為96±3 V，所以回路電阻應(yīng)在7.75～11.0 Ω范圍內(nèi)。其次，需要計算在不同回路電阻時，能夠保證點火電流大于5 A且持續(xù)時間大于50 ms所需的電容容量。

2.2.3.2 電容參數(shù)選擇

由于點火電壓為96±3 V，而電容電壓有63 V、100 V檔，因此選擇電壓為100 V的電容。電容容量選取如下，首先需計算單個點火回路所需的電容容量：

由常規(guī)原理，電容放電電壓計算公式為： :

由此可得，電容放電電流計算公式為：

經(jīng)轉(zhuǎn)化后，得到電容容量的計算公式：

其中：R為放電電阻阻值，在這里為單個點火回路的實測阻值9.3～10.1 Ω。

為了滿足單個回路點火電流大于5 A，且持續(xù)時間大于50 ms的要求，電容容量C應(yīng)為滿足點火要求的最小取值。其中t=50 ms，I=5 A，R=10.1 Ω，U0=93 V，計算結(jié)果為：

表1是對應(yīng)不同回路電阻R時，電容C的最小取值：

表1 對應(yīng)不同回路電阻R的電容計算結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)可以看出，回路電阻為7.0 Ω時所需電容容量最小。

2.2.3.3 理論計算曲線

圖6是U0=96 V，C=10 000 μF，R分別為6.0 Ω、7.0 Ω、8.0 Ω、9.0 Ω、10.0 Ω、11.0 Ω、12.0 Ω時的點火電壓理論曲線(U0=96 V，C=10 000 μF)。圖7是點火電流理論曲線(U0=96 V，C=10 000 μF)。

圖6 點火電壓理論曲線 圖7 點火電流理論曲線

表2列出了點火電流降至5 A(U0=96 V，C=10 000 μF)所需的時間。

表2 點火電流降至5 A所需時間

2.2.3.4 電容參數(shù)選擇

綜上計算，單個回路所需電容容量最小取值為8 108 μF，那么兩路回路所需電容容量最小取值則為8 108×2=16 216 μF。根據(jù)表3的計算結(jié)果，并考慮余量，單個回路的點火電容不應(yīng)小于10 000 μF。查表可知，100 V的電容容量有10 000 μF、22 000 μF、47 000 μF檔，根據(jù)電容容量最小取值，并考慮預(yù)留一定容量，選擇充電點火電容為1只容量22 000 μF、耐壓100 V的鋁電解電容器，同時為兩路點火回路提供能量。

2.2.4 充放電電阻選型

由于96 V電源模塊選取了0.5 A的電流參數(shù)，因此電容最大充電電流必須小于0.5 A。電容的充電電流計算公式如下：

電容充電時間常數(shù)計算公式為：τ=RC。表3列出了不同充電電阻檔所對應(yīng)的最大充電電流及充電時間常數(shù)。其中U0=96 V，C=22 000 μF。

表3 不同充電電阻檔的最大充電電流及充電時間常數(shù)

由表可知，220 Ω電阻的最大充電電流余量較小，470 Ω電阻的充電時間常數(shù)又太長，經(jīng)比較考慮，選擇330 Ω充電電阻較為合適。電容放電電阻選擇與充電電阻相同規(guī)格型號的電阻，這樣保證充放電時間常數(shù)一致，便于測試。

3 試驗情況

系統(tǒng)研試完成后，經(jīng)過多次模擬點火試驗考核。在各項試驗中，均可正常實現(xiàn)點火，且操作使用可靠。點火測試數(shù)據(jù)表明：單個點火回路電流大于 5A且持續(xù)時間均大于50 ms，滿足設(shè)計要求。

3.1 電容充放電電路測試

將電容充放電選擇開關(guān)(SK1)打至“充電”檔，從數(shù)字電壓表頭監(jiān)測點火電壓，電壓慢慢升至96 V，滿足要求。電容充電時間常數(shù)的計算如下1)條所示，充電曲線如下圖8所示；將電容充放電選擇開關(guān)(SK1)打至“放電”檔，檢查點火電壓，電壓從96 V慢慢下降至零，滿足要求。電容放電時間常數(shù)的計算如下2)條所示，放電曲線如圖9所示。

1)根據(jù)電容充放電曲線計算電容充放電時間常數(shù)，具體計算如下：

電容充電電壓U充計算公式：

充電電壓U0=96 V，當t=τ=RC時，U充=96×(1-0.368)=60.67 V

即電壓從0 V升至60.67 V時，充電時間即為一個充電時間常數(shù)τ充，由充電曲線可知τ=8.2 S，滿足7.26S±15%要求。

2)根據(jù)電容充放電曲線計算電容充放電時間常數(shù)，具體計算如下：

電容放電電壓U放計算公式：

放電電壓U0= 96 V，當t=τ=RC時，U放=U0·e=96·0.368=35.33V

即電壓從96 V降至35.33 V時，放電時間約為一個放電時間常數(shù)τ放，由放電曲線可知τ=7.9 S，滿足7.26S±15%要求。

圖8 電容充電曲線 圖9 電容放電曲線

3.2 點火功能試驗

將電容充放電選擇開關(guān)(SK1)打至“充電”檔，檢查點火電壓，電壓慢慢升至96 V，滿足要求。

兩路點火電路的點火曲線如圖10～圖13所示，由點火曲線可以看出：

1)第一路點火電路第一次點火最大電流為：

大于5 A的持續(xù)時間為：75-0=75(ms)

2)第一路點火電路第二次點火最大電流為：

大于5 A的持續(xù)時間為：67-3=64(ms)

圖10 第一路第一次點火曲線 圖11 第一路第二次點火曲線

3)第二路點火電路第一次點火最大電流為：

大于5 A的持續(xù)時間為：80-0=80(ms)

4)第二路點火電路第二次點火最大電流為：

大于5 A的持續(xù)時間為：70-0=70(ms)

綜上結(jié)果可得：兩路點火電路最大點火電流均介于9～12 A，且電流大于5 A的持續(xù)時間均大于50 ms。

4 結(jié)束語

電容充電式點火電路的性能主要由充電電壓和儲能電容兩項參數(shù)決定，該電路采用電容儲能放電的方式對火工品實施點火，瞬間放電能力完全可以滿足火工品對點火電流和點火功率的要求。以其為技術(shù)基礎(chǔ)研制的電容充電式點火控制系統(tǒng)能夠保證發(fā)動機火工品在試驗、使用時的安全性；同時，輕巧便攜、控制精度高、展開迅速等優(yōu)點使其在未來的發(fā)射控制技術(shù)領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景，有效提高了點火系統(tǒng)的工作效率，將使固體火箭發(fā)動機的點火控制技術(shù)上一個新的臺階。