一種串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

柏舸 智小軍 沈波 劉杰

（中國兵器工業(yè)集團(tuán)第二一二研究所 陜西省西安市 710061）

串聯(lián)裝填超高射頻武器是新概念武器研究的熱點(diǎn)之一，該武器是一種發(fā)射藥點(diǎn)火由電子裝置控制的多管組合武器系統(tǒng)，單個(gè)身管內(nèi)裝若干個(gè)彈丸，每個(gè)彈丸之間由發(fā)射藥裝藥隔開[1]。它突破了傳統(tǒng)的機(jī)械式供彈武器概念，彈藥和發(fā)射管構(gòu)成一個(gè)整體，可以單管發(fā)射，也可以多管齊射，可根據(jù)需要設(shè)定射速[2]。該武器系統(tǒng)的發(fā)射藥點(diǎn)火采用的是電子脈沖點(diǎn)火的方式[3]，常用控制點(diǎn)火的方式有兩種，一種是有線連接控制點(diǎn)火[4]，另一種是采用磁場感應(yīng)耦合控制點(diǎn)火[5]，兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，已有相關(guān)文章對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)闡述，本文不在重復(fù)說明。本文的研究是針對(duì)磁場感應(yīng)耦合式點(diǎn)火發(fā)射時(shí)射頻控制不準(zhǔn)和安全性問題，提出了一種軟硬件結(jié)合的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)精確控制彈丸的發(fā)射時(shí)基和射頻，同時(shí)保證了彈丸發(fā)射的安全。

1 串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射控制原理

串聯(lián)彈藥的特點(diǎn)是膛內(nèi)以串聯(lián)形式預(yù)裝填多發(fā)彈丸，每發(fā)彈藥對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn)火節(jié)點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)火節(jié)點(diǎn)是由一組線圈通過非接觸傳輸點(diǎn)火能量，圖1 所示其構(gòu)成是在發(fā)射器身管對(duì)應(yīng)點(diǎn)火節(jié)點(diǎn)的位置安裝線圈（即初級(jí)線圈），接收的次級(jí)線圈安裝在彈丸上與可燃底火連接，次級(jí)線圈的位置靠近初級(jí)線圈，它們之間形成了一個(gè)近區(qū)感應(yīng)場，兩個(gè)線圈之間不存在物理連接。當(dāng)給初級(jí)線圈加載脈沖發(fā)射信號(hào)時(shí)，電流流過初級(jí)線圈產(chǎn)生電動(dòng)勢，在周圍形成電磁場，這時(shí)次級(jí)線圈感受到周圍的磁場變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，當(dāng)電流達(dá)到發(fā)火條件時(shí)，可燃底火點(diǎn)燃發(fā)射藥。

圖1： 單個(gè)點(diǎn)火節(jié)點(diǎn)組成框圖

在超高頻彈藥感應(yīng)式點(diǎn)火技術(shù)研究一文中提到的方法就是應(yīng)用感應(yīng)式發(fā)射原理，文章最后也提到了點(diǎn)火頻率和安全性問題[5]。為了解決這個(gè)問題，在此方法的基礎(chǔ)上提出了一種新的串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射控制架構(gòu)方法。

2 應(yīng)用于串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射控制系統(tǒng)架構(gòu)

新的串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射控制架構(gòu)的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括串聯(lián)擊發(fā)控制模塊、點(diǎn)火節(jié)點(diǎn)與發(fā)射控制模塊[6][7]。串聯(lián)擊發(fā)控制模塊需要驅(qū)動(dòng)多個(gè)點(diǎn)火節(jié)點(diǎn)完成對(duì)發(fā)射控制模塊的信息傳輸[8]，發(fā)射控制模塊正確識(shí)別信息，并根據(jù)指令要求完成彈丸發(fā)射。新的串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射控制系統(tǒng)架構(gòu)在磁場感應(yīng)式點(diǎn)火技術(shù)上新增了信息編碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)射時(shí)基和射頻的精確控制，進(jìn)而提升了感應(yīng)式發(fā)射的安全性。新的架構(gòu)分為硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)兩部分，其工作模式為：負(fù)責(zé)控制的串聯(lián)擊發(fā)控制模塊在彈丸發(fā)射前發(fā)送充電編碼，對(duì)彈丸內(nèi)儲(chǔ)能電容和點(diǎn)火電容充電；彈丸發(fā)射時(shí)，由串聯(lián)擊發(fā)控制模塊發(fā)送發(fā)射編碼，彈丸內(nèi)發(fā)射控制模塊接收編碼并校驗(yàn)通過后，控制點(diǎn)火單元工作，點(diǎn)燃可燃底火；如果發(fā)射任務(wù)臨時(shí)終止，由串聯(lián)擊發(fā)控制模塊發(fā)送放電編碼，彈丸內(nèi)發(fā)射控制模塊接收編碼并校驗(yàn)通過后，控制放電單元工作，對(duì)點(diǎn)火電容上的電量進(jìn)行泄放。

圖2： 新串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射控制架構(gòu)示意圖

2.1 硬件架構(gòu)

串聯(lián)高射頻武器系統(tǒng)具有多管矩陣式排列的特點(diǎn)[9]，串聯(lián)擊發(fā)控制模塊往往需要對(duì)幾十甚至上百個(gè)點(diǎn)火節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，因此信號(hào)之間難免會(huì)發(fā)生串?dāng)_和干擾的問題。為了避免這類問題的出現(xiàn)，在硬件上基于VPX 架構(gòu)，采用分布式、單元化的設(shè)計(jì)思路，將微處理器控制單元、電源管理單元、驅(qū)動(dòng)控制單元、綜合控制單元置于VPX背板上，通過板材選型、疊層結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵信號(hào)線及 PCB工藝等方面的設(shè)計(jì)，解決了各點(diǎn)火節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)反射、串?dāng)_以及電源干擾等信號(hào)完整性問題，提高了發(fā)射的安全性。圖3 所示為串聯(lián)擊發(fā)控制模塊硬件構(gòu)成圖。

圖3： 串聯(lián)擊發(fā)控制模塊構(gòu)成圖

發(fā)射控制模塊則需要安裝到彈丸內(nèi)部，受到體積、功率和處理速度的限制，無法使用大功率或者復(fù)雜的處理硬件。在現(xiàn)行制約的條件下，發(fā)射控制模塊由信息控制單元、編碼脈沖檢測單元、點(diǎn)火單元和放電單元組成，圖4 為發(fā)射控制模塊組成圖。由于發(fā)射控制模塊內(nèi)部沒有電源，需要串聯(lián)擊發(fā)控制模塊先發(fā)送充電編碼給內(nèi)部的儲(chǔ)能電容和執(zhí)行級(jí)電容充電，保證信息處理單元和控制單元正常工作。當(dāng)編碼檢測單元檢測到編碼時(shí)，信息處理單元將編碼進(jìn)行調(diào)制整形發(fā)送至控制單元進(jìn)行識(shí)別，若為發(fā)射編碼并校驗(yàn)通過后，控制單元觸發(fā)執(zhí)行級(jí)單元輸出能量點(diǎn)燃可燃底火；若為放電編碼，控制單元打開放電單元對(duì)執(zhí)行級(jí)電容進(jìn)行放電，使發(fā)射控制模塊恢復(fù)安全狀態(tài)。

圖4： 發(fā)射控制模塊組成圖

2.2 軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)上遵循了軟硬件解耦化、通用化和模塊化的原則，具有良好的可移植性和擴(kuò)展性。新的串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射控制軟件架構(gòu)分為擊發(fā)控制軟件和發(fā)射控制軟件，在軟件功能分解時(shí)按照其在軟件模塊中的邏輯層次進(jìn)行劃分，包括系統(tǒng)控制層、功能單元層、數(shù)據(jù)處理層、硬件控制層。系統(tǒng)控制層中的功能單元負(fù)責(zé)軟件模塊工作流程控制、工作模式控制、初始化及參數(shù)配置等功能；功能單元層中的各單元實(shí)現(xiàn)規(guī)定的具體功能，如信息交聯(lián)、電源管理控制、驅(qū)動(dòng)控制、綜合控制、信息參數(shù)解析、參數(shù)識(shí)別控制、放電控制等；數(shù)據(jù)處理層中的功能單元是負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)判別處理；硬件控制層中的功能單元是專門負(fù)責(zé)與硬件耦合、控制硬件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的功能單元。圖5 所示串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射控制軟件架構(gòu)邏輯構(gòu)成圖，圖中描述了各個(gè)單元之間的邏輯關(guān)系及數(shù)據(jù)流方向。

圖5： 串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射控制軟件架構(gòu)邏輯構(gòu)成圖

擊發(fā)控制軟件由主程序和子程序兩部分構(gòu)成，其中主程序負(fù)責(zé)初始化、參數(shù)配置及程序流程控制，子程序包括中斷管理、與上位機(jī)通訊、信息編碼管理、發(fā)射頻率管理、電源管理及驅(qū)動(dòng)控制等。子程序是軟件的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)各硬件模塊的控制。

為了保證彈丸發(fā)射的實(shí)時(shí)性，發(fā)射控制軟件的主要功能是能夠快速準(zhǔn)確的處理收到的信息，并根據(jù)編碼的信息輸出控制信號(hào)。由于彈上處理器運(yùn)算能力的限制，軟件采取模塊化，串行式運(yùn)行結(jié)構(gòu)。主程序主要完成初始化參數(shù)配置及系統(tǒng)管理，其余功能單元采用中斷子程序，根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)用。此外，將信息編碼的特征量預(yù)先存入到固定的單元地址，減少判斷的時(shí)間，保證了軟件的處理速度。

3 驗(yàn)證

為了驗(yàn)證使用新串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射控制架構(gòu)下的串聯(lián)彈藥發(fā)射準(zhǔn)確性和可靠性，采取實(shí)驗(yàn)室功能性測試和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)室主要進(jìn)行能量和信息傳輸測試[10]，驗(yàn)證擊發(fā)控制模塊信號(hào)調(diào)制和驅(qū)動(dòng)性能，以及發(fā)射控制模塊電容充電能力、信息處理的正確性。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的目的是在原有的發(fā)射平臺(tái)上驗(yàn)證新的架構(gòu)工程化可行性。

3.1 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

為實(shí)驗(yàn)室搭建好的串聯(lián)發(fā)射控制系統(tǒng)測試平臺(tái)[11]，如圖6 所示。能量和信息傳遞的過程是：串聯(lián)擊發(fā)控制模塊內(nèi)的微處理器輸出特定的二進(jìn)制分組脈沖信號(hào)【二進(jìn)制分組脈沖計(jì)數(shù)時(shí)基校正方法 劉杰，柏舸，聶崢，中國兵工學(xué)會(huì)第十七屆引信學(xué)術(shù)年會(huì)】，經(jīng)過調(diào)制、放大后加載到點(diǎn)火節(jié)點(diǎn)的發(fā)射線圈上發(fā)送出去。接收線圈收到這組信號(hào)后先完成對(duì)發(fā)射控制模塊儲(chǔ)能電容和發(fā)火電容的充電，發(fā)射控制模塊開始工作，完成信息的解碼和識(shí)別，如信息為發(fā)射信息，啟動(dòng)執(zhí)行級(jí)點(diǎn)燃可燃底火。

圖6： 串聯(lián)發(fā)射控制系統(tǒng)測試平臺(tái)

先對(duì)發(fā)射控制模塊儲(chǔ)能電容進(jìn)行測試，本系統(tǒng)采用的編碼是一種分組脈沖編碼，分為充電和裝定兩部分，充電采用1kHz 的頻率，信息編碼頻率為10kHz。這樣既保證了充電的效率又兼顧了傳輸?shù)乃俾?。?chǔ)能電容的公式為，其中C 為儲(chǔ)能電容的容量，U 為充電電壓?？梢钥闯鎏岣唠娙萑萘亢统潆婋妷耗芴岣邇?chǔ)能電容的能量，但由于受電路尺寸和充電時(shí)間的影響，電容的容量不能過大，考慮到實(shí)際使用要求本系統(tǒng)選用的電容容量為100uf。發(fā)射控制模塊的工作電壓為5V，工作電流為2mA，其功率為0.01W。若儲(chǔ)能電容充電到8V 時(shí)，根據(jù)能量公式

儲(chǔ)能電容經(jīng)過1KHz 的脈沖充電可以滿足發(fā)射控制模塊的工作需要，第二步測試模塊識(shí)別能否正確識(shí)別發(fā)射信息碼并觸發(fā)執(zhí)行級(jí)動(dòng)作，同時(shí)模擬串聯(lián)彈藥點(diǎn)火的過程。圖7(b)中給出了發(fā)射信息碼識(shí)別的過程，一通道為點(diǎn)火節(jié)點(diǎn)接收端編碼波形，二通道為單片機(jī)在正確識(shí)別編碼信息后置高后鎖定執(zhí)行后續(xù)工作。

圖7： 充電和編碼波形圖

測試發(fā)射控制模塊在不同射頻情況下觸發(fā)點(diǎn)火的效果和取消發(fā)射任務(wù)時(shí)對(duì)執(zhí)行級(jí)電容泄放的現(xiàn)象，將擊發(fā)控制模塊輸出端分別與 2 個(gè)或 5 個(gè)點(diǎn)火單元的輸入連接，每個(gè)點(diǎn)火單元對(duì)應(yīng)的接一個(gè)發(fā)射控制模塊，在2000r/min、5000r/min 和1000r/min，3 種射擊頻率下進(jìn)行模擬連續(xù)射擊測試和電容泄放測試。圖8(a)中為點(diǎn)火節(jié)點(diǎn)，圖8(b)為采集的相鄰兩個(gè)擊發(fā)控制模塊輸出的點(diǎn)火脈沖信號(hào)。表1 中記錄了本次測試的數(shù)據(jù)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出新架構(gòu)下的串聯(lián)發(fā)射控制系統(tǒng)可以適應(yīng)不同射頻的串聯(lián)發(fā)射需求，點(diǎn)火脈沖信號(hào)在負(fù)載電阻7Ω時(shí)符合可燃底火發(fā)火的要求，在取消發(fā)射任務(wù)時(shí)能夠及時(shí)將執(zhí)行級(jí)電容放電到可燃底火安全電壓以下。

圖8： 點(diǎn)火節(jié)點(diǎn)與點(diǎn)火脈沖圖

表1： 射頻試驗(yàn)測試表

3.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

將新架構(gòu)下的串聯(lián)發(fā)射控制系統(tǒng)進(jìn)行靶場高射頻串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射試驗(yàn)[12]，本次試驗(yàn)的樣機(jī)有：串聯(lián)發(fā)射控制系統(tǒng)1 臺(tái)，裝有發(fā)射控制模塊電路的彈藥15 發(fā)，在單管發(fā)射器1 臺(tái)。試驗(yàn)設(shè)定串聯(lián)發(fā)射射頻為5000 發(fā)/分和10000 發(fā)/分，分為5 組進(jìn)行，分別為2 組單發(fā)、1組 3 連發(fā)、2 組5 連發(fā)。炮口架設(shè)高速錄像，記錄彈丸射出的間隔及出膛情況，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2： 高射頻射擊試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)情況表

對(duì)本次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，彈丸間隔出現(xiàn)的誤差源自于高速錄像回讀產(chǎn)生的，測量的發(fā)射間隔時(shí)間基本符合設(shè)定的射頻速率，且每發(fā)彈丸均正常發(fā)射。試驗(yàn)結(jié)果表明，新架構(gòu)下的串聯(lián)發(fā)射控制系統(tǒng)可靠性能夠滿足高射頻串聯(lián)彈藥的發(fā)射要求。

4 結(jié)論

為了提高串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射的控制精度和安全性，本文從高射頻串聯(lián)發(fā)射系統(tǒng)自身特點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)耦合式串聯(lián)感應(yīng)發(fā)射時(shí)基難控和射頻不精準(zhǔn)的問題。提出了新的串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射控制架構(gòu)，該架構(gòu)在原耦合式感應(yīng)發(fā)射系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過改變硬件架構(gòu)和增加軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射的精準(zhǔn)控制。采用實(shí)驗(yàn)室測試進(jìn)行驗(yàn)證，分析得出采用新架構(gòu)的耦合式串聯(lián)感應(yīng)發(fā)射系統(tǒng)可以適應(yīng)對(duì)不同射頻發(fā)射時(shí)基的精準(zhǔn)控制，滿足串聯(lián)發(fā)射的需求，同時(shí)在發(fā)射任務(wù)取消時(shí)保證彈藥的安全。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，串聯(lián)感應(yīng)發(fā)射系統(tǒng)通過采用這種新的串聯(lián)彈藥感應(yīng)發(fā)射控制架構(gòu)，可以大幅提高武器發(fā)射平臺(tái)的性能和可靠性。