固冲发动机转级试验点火控制系统设计

    谭正一+安丰增

    

    

    

    摘要： 针对整体式固体火箭冲压发动机转级试验需求， 设计了一套点火控制系统， 用以模拟弹载控制系统功能。 根据固冲发动机转级技术特点， 明确了系统的功能和设计要求， 对系统的工作原理、 硬件结构和软件设计等内容做了详细描述。 该系统充分考虑了不同转级方式和异常应急等情况， 具备地面转级试验能力， 为产品转级性能评定和可靠性验证提供了有效的试验平台。

    关键词： 固体火箭冲压发动机； 转级； 点火控制； 系统设计

    中图分类号： V435文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2016）04-0058-05

    Abstract： For the requirement of transition test on integral solid propellant ducted rocket， an ignition control system is designed to simulate the control system on missile. According to the characteristics of solid propellant ducted rocket transition technology， the function and design requirements of the system are defined， and working principle， hardware structure and software design of the system are described in detail. The system has fully considered the different tranfer modes and the abnormal emergency response， and has the ability of ground transition test， which provides an effective test platform for the transition of rocket performance and reliability.

    Key words： solid propellant ducted rocket； transition； ignition control； system design

    0引言

    整体式固冲发动机主要由助推-冲压补燃室、 燃气发生器、 进气道以及点火系统和转级装置等组成。 采用这种发动机的导弹在发射时， 首先由助推器产生的推力在较短的时间内将导弹加速至冲压发动机能够正常工作的马赫数， 通过发动机转级控制系统， 将进气道入口和出口堵盖打开， 空气通过进气道减速增压后进入冲压补燃室， 同时点燃燃气发生器， 冲压发动机开始工作[1-2]。

    转级装置是固冲发动机的重要组成部分， 关系着发动机能否实现从助推向冲压的成功转换， 是保证固冲发动机正常工作的先决条件[3]。

    转级装置结构复杂， 在研制初期， 需在地面进行大量转级试验。 在地面试验中， 转级装置的起爆则由地面转级点火控制系统完成。 根据转级试验需求， 本文设计了一套地面点火控制系统， 用以模拟弹载计算机的转级控制功能。 系统使用NI公司高性能控制器配备高精度数据采集卡及D/A板， 运用LabVIEW RT软件， 开发了一个经济、 可靠的基于PC机和PXI嵌入式控制器的实时控制系统。

    1转级试验控制条件

    转级装置的驱动一般采用火工品点火/起爆方式来进行， 转级方式采用程控方式， 利用传感器感知过载或助推-冲压补燃室压强， 当参数达到设定转级条件时， 点火系统通过程序控制起爆转级执行机构， 完成转级[4-6]。

    航空兵器2016年第4期谭正一等： 固冲发动机转级试验点火控制系统设计 转级条件一般由发动机助推器信号特征与工作时间等条件共同决定， 条件全部满足时才能进行转级。 选取转级信号源时， 通常要选择容易辨别、 测试、 记录和处理的参数。 助推器工作结束主要表现为燃烧室压强、 发动机推力、 导弹轴向过载迅速下降等[7]。 地面转级试验一般通过判断助推补燃室实测压强与工作时间两个条件来控制转级程序， 转级控制条件示意图如图1所示。

    转级判断条件中， 重要的特征参数有： 试验前预设助推器工作初始压强P1； 峰值预估值Pmax； 转级压强P2； 发动机助推器工作时间预估值ta（一般根据产品特性决定）。

    试验时， 转级点火控制系统发出助推器点火信号， 为时间零点； 当压强超过P1时， 表示助推器成功点火并开始工作， 时间为t1； 当压强升高并超过Pmax， 接着压强开始下降的过程， 表示助推器正常工作； 当压强低于转级点设定值P2时， 表示助推器工作完毕， 准备转入冲压工作段， 时间为t2； 为避免测量信号干扰引起的误触发， 同时要判断助推器工作时间Δt是否大于ta， 条件均满足， 点火控制系统进行转级动作： 转级控制系统分别在t2， t3， t4时刻完成进气道入口堵盖打开、 出口堵盖打开、 燃气发生器点火。

    在助推器工作完毕没有正常转级时， 系统设计了超时强制转级功能， 超时时间由ta及试验人员根据经验确定。

    2系统设计

    2.1系统功能

    完成固冲发动机助推器点火， 同时采集燃烧室压强（2路）， 并按转级条件或时序完成进气道入口堵盖（2路）、 出口堵盖（2路）、 燃气发生器点火， 点火方式采用恒流源点火， 即能保障6路点火电流可程控输出的要求。 系统同时具备点火参数测量、 显示、 记录和分析功能。

    2.2系统组成

    转级点火控制系统根据现场条件采用上下位机形式， 上位机为一台高性能工控机， 下位机为一台PXI嵌入式控制器， 数据通讯采用光纤以太网。 系统按功能主要由控制模块、 点火模块、 测量模块和人机交互模块组成。

    控制模块主要由PXI嵌入式控制器、 定时计数板、 D/A板、 A/D板及控制电路组成； 点火模块主要由恒流源及点火电路组成； 测量模块主要由信号感应传感器、 测量电路及调理单元组成； 人机交互模块主要由上位机应用软件和控制台面板两部分组成， 分别对相关状态信息做显示监控， 如图2所示。

    2.3模块设计

    2.3.1主控台

    主控台用于远程控制， 由点火控制柜配备一台高性能工业控制机组成， 控制柜安装点火控制按钮、 应急按钮、 安全锁控开关以及部分状态指示灯。 主控计算机选用一台高性能研华工控机， 内嵌Intel四核CPU， 4G内存， 通过光纤以太网与下位机连接。

    2.3.2控制模块

    控制模块为系统“大脑”， 控制核心为一台高性能PXI嵌入式控制器， 型号为PXI-8110， 是基于Intel Core 2 Quad Q9100的高性能嵌入式控制器， 其可靠的性能非常适合高性能模块化仪器与数据采集应用。 同时， 8110内嵌Real-Time Embedded SW模块， 配备八槽PXI机箱PXI-1042， 16通道隔离型A/D板PXI-6232， 8通道定时计数器板PXI-6602， 16路电压/电流输出D/A板PXI-6704等附件， 满足了6路点火电流控制及2路压强信号采集需求， 实现转级点火时序精确控制。

    2.3.3点火模块

    点火模块是执行机构， 由点火电源、 点火时序控制电路、 点火安全保护电路、 点火参数测量电路等组成。

    （1） 点火电源

    系统点火方式为恒流点火， 按使用要求， 选用供电精度高、 稳定性好、 易于控制的TDK-Lambda直流电源。

    （2） 点火时序控制电路

    点火时序控制是系统的关键， 由点火控制程序控制PXI板卡的I/O输出产生， 控制点火线路上的三个继电器动作， 完成点火。 点火时， I/O口输出信号由低电平变为高电平， 经驱动， 控制固态继电器K7动作， 然后控制供电主回路固态继电器K1和K11动作， 实现模拟负载断电和点火电阻供电， 同时输出点火时统信号。 点火控制电路及安全保护电路原理图如图3所示。

    点火时序控制电路通过PXI的定时计数器板卡来实现定时控制， 利用其定时器实现点火延迟时间的程控设置和不同时序的组合点火。

    点火控制继电器选择固态继电器， 其主要优点是动作时间快、 触点功率大。 固态继电器选用漏电流小、 动作时间短的产品。 每路点火继电器数量为2个， 1个用于控制加电点火， 另外1个用于控制恒流源外接负载。

    （3） 点火安全保护电路

    点火安全保护是系统的重要功能， 点火控制系统一旦失效或点火产生误动作， 会危及到试验测试人员的生命， 且直接经济损失巨大[8]。

    由图3可见， 锁控开关和应急开关是保障点火安全的两道屏障。 锁控开关为三组触点， 其中两组串接控制固态继电器K7供电， 另一组控制两个电磁继电器供电。 点火电流输出线路由继电器控制， 锁控开关和应急开关在点火回路串接后， 控制继电器电源5 V供电， 在正常使用时必须打开安全锁控开关才能够加电， 出现异常时， 按下应急开关可切断继电器电源供电， 实现切断恒流源输出的目的。 两处安全保护开关均采用两级开关冗余设计， 确保系统不会因故障或意外出现短路情况。

    （4） 点火参数测量电路

    点火电阻测量采用两线制方式测量， 通过测量线路电流与电压值间接计算出电阻值。 测试需要的电流利用D/A板块提供的电流输出， D/A板块型号为PXI-6704， 16路电流输出在0～20 mA的范围内可任意设定。 系统按安全要求设定板卡输出不超过10 mA， 确保了点火电路的安全可靠。 点火电阻两端电压通过A/D板卡进行采集。

    点火电流测量采用非接触式测量方法， 电流传感器选用霍尔电流传感器， 被测电流穿心输入， 输入和输出隔离， 输出响应速度快， 测量精度高。

    点火电阻、 电流、 补燃室压强以及应急信号通过数据测量模块采集， 各种信号首先通过调理单元， 实现数据接口转换、 光电隔离、 信号放大等功能， 然后由M系列多功能采集板PXI-6232进行采集。

    3软件设计

    软件分为两部分， 即上位机的人机界面软件和下位机实时控制软件。 上位机软件的功能是控制参数输入、 数据显示及处理、 故障报警显示等； 下位机实时控制软件完成参数测量、 数据存储、 点火时序执行、 点火电流实时控制等。

    上位机软件在Windows XP平台下， 利用LabVIEW编程， LabVIEW是一种基于图形开发、 调试和运行程序的集成化环境， 是第一个借助于虚拟面板用户界面和方框图建立虚拟仪器的图形程序设计系统， 编程方便， 人机交互界面直观友好， 是面向测试工程师的软件平台[9]。

    下位机实时控制软件是在Windows XP平台下进行LabVIEW RT编程， 然后下载到嵌入式控制器中。 在LabVIEW RT系统中通过软件总体结构的合理布局， 利用一个实时控制器， 可以完成多个实时控制任务， 同时实现了对多通道数据采集、 存储， 降低了成本又节省了开发时间[10-11]。

    3.1软件模块功能

    软件采用模块化设计， 以增加软件的灵活性， 提高软件的整体效率。 上位机程序按功能分为主界面、 系统自检、 参数设置、 通道配置、 文件传输、 数据分析等子模块。

    （1） 主界面

    主界面是完成系统功能的主要模块， 具有点火参数与辅助系统状态自动采集和显示、 电阻检测、 点火启动等功能， 软件主界面如图4所示。

    （2） 系统自检

    软件运行时， 用户可选择系统自检， 自检程序读取各模块的自检反馈信号并显示， 主要用于监视系统各模块运行状态和故障定位， 在出现故障时能直接定位故障位置。

    （3） 参数设置

    参数设置主要根据试验需求， 对点火方式、 转级方式、 转级条件、 点火时序等进行设置。

    （4） 通道配置

    通道配置模块用于对各测量通道进行命名， 便于数据监视及分析， 试验前根据实际情况进行配置。 通道配置使用动态事件的方法， 可以交互式创建、 修改配置文件。

    （5） 文件传输

    点火参数由下位机完成测量及存储， 上位机在试验完毕后需从下位机读取， 以便于对试验数据的分析处理。

    （6） 数据分析

    数据分析模块是对试验后期数据的再现和分析， 实现了曲线显示、 滤波、 曲线移动、 局部放大缩小、 单双光标读数等功能。

    3.2软件流程

    试验前， 运行上、 下位机程序， 使程序处于等待状态。

    上位机程序运行后自动读取配置文件， 然后进入主界面， 在主界面可以根据试验需求完成以下操作： 系统自检、 系统校准、 参数设置、 通道配置、 文件传输及数据分析。 参数设置是针对本次试验需求进行操作的重要步骤， 设置完毕即可进行点火试验； 下位机程序运行后读取上位机设定的点火信息， 然后进入待命状态。

    试验中， 系统接收各辅助系统准备状态， 当达到预设目标， 即可进入点火程序， 此时上位机程序向下位机下达点火指令， 下位机按点火设置逐项执行并向上位机发送点火信息。 下位机首先判断是否带助推器点火， 在有助推器点火的情况下， 先完成助推器点火， 然后判断转级方式， 若为按条件转级， 则点火单元按所测补燃室压强进行判断， 条件满足， 进行转级点火； 若为按时序转级， 则按设定时序完成转级点火； 在没有助推器情况下， 直接按设定时序完成转级点火。 上位机在整个点火过程中处于监视状态， 不断接收点火信息， 并进行判断， 当点火完毕， 完成本次试验， 即可退出， 同时向下位机发送退出指令， 下位机按指令完成退出， 软件详细流程见图5。

    4系统应用

    系统已完成全状态测试并成功应用于固冲发动机转级点火试验。 在全状态测试时， 采用给定模拟压强曲线辅助转级点火的方式考核系统的转级功能， 试验结果见图6， 图6中显示了给定压强曲线以及点火电流输出情况。 试验设定了4路电流输出， 分别为助推器点火、 进气道入口和出口堵盖打开点火、 燃气发生器点火， 电流为5 A， 转级压强设定为0.8 MPa。 由图6可知， 系统通过判断压强参数， 按预设条件完成了转级功能， 系统延时小、 响应快， 电流上升时间短， 控制准确， 超调小， 指标符合使用要求。 5结论

    系统采用模块化设计， 便于使用与维护， 选用的PXI实时控制器和LabVIEW RT实时操作系统使多个控制任务得到了很好的协调和运行。 同时， 通过合理的安全性、 可靠性设计， 固冲发动机转级点火控制稳定可靠， 满足了产品研制过程中进行大量地面试验的控制需求。

    参考文献：

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    [7] 张国宏， 黄少波， 崔金平， 等.固体火箭冲压发动机转级技术[J].弹箭与制导学报， 2012， 32（3）： 129-132.

    [8] 史洪亮， 杨登仿， 谭勇， 等.新型安全的点火控制系统的设计和实现[J].计算机测量与控制， 2006， 14（10）： 1343-1345.

    [9] 林君， 谢宣松.虚拟仪器原理及应用[M].北京： 科学出版社， 2006.

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    [11] 苏海龙. LabVIEW RT在多任务控制系统中的应用[J].电子设计应用， 2003（21）： 21-23.