弹用发动机起动电气系统设计技术研究

李奕新

(中国燃气涡轮研究院，四川 成都 610500)

1 引言

所谓弹用发动机[1]，即巡航导弹、靶机和无人机所用的小型涡喷、涡扇发动机。无人机常用作高空侦察，靶机要模拟敌机的飞行和攻击性能，而巡航导弹的主要用途是迅速攻击目标，突破敌人防区。故弹用发动机的设计必须从起动和加速快、可靠性高、使用寿命短、成本低、储存寿命长等方面进行全面考虑。

弹用发动机的起动电气系统[2]需要突破一般涡扇发动机系统设计的理念，依据弹用发动机独特的研制、设计准则，突出一次性使用发动机短寿命、低成本的要求，做到：①系统尺寸小，重量轻，可靠性高，可长时间储存，维护和使用方便，发射准备时间短，野战机动性好；②对各系列型号都使用的零、组件实行标准化设计，研制时按标准选用；③将系统分成若干功能模块，每个模块按预定的接口关系及特定的功能进行独立设计。发动机的设计应满足各模块接口要求，并在发动机辅助系统设计中充分考虑模块化的要求，以便通过更换辅件，使同一发动机用于不同任务。因此，在开展小推力涡扇发动机关键技术研究与试验验证的同时，需要同步研制出满足弹用发动机要求的起动电气系统，并完成系统关键附件和总体设计的技术验证。

2 弹用发动机起动电气系统特点

弹用发动机一般有地面压缩空气起动、空中二次起动和制式起动等起动方式，其关键技术之一就是解决埋入式进气方式下的快速可靠起动问题。要达到快速起动就要向发动机高压转子额外输入大功率的起动扭矩，同时提供大能量点火源，以保证燃烧室内燃油-空气混合气能可靠点燃，使发动机快速起动并加速到所需巡航状态。对于小推力量级弹用发动机，点火方式一般为烟火点火＋电点火，点火器选择烟火点火器。因为烟火点火器具有能量大、点火可靠、重量较轻、成本较低等优势，但缺点是起动机会只有一次。为保证动力系统的可靠性，必须制定合理可行的起动电气系统总体方案，为各起动附件提供电源和制定准确的起动控制逻辑，以满足发动机起动和点火要求。

3 起动电气系统组成

弹用发动机起动电气系统主要由电源供给系统、点火系统、电气管路系统和电爆阀等组成，用于完成发动机制式起动、空中二次起动等任务，同时向其它系统或导弹提供电源和实现与其它系统的电信号联系。其组成框图见图1。

图1 起动电气系统组成框图Fig.1 The start electrical system

4 设计方案

4.1 总体思路

弹用发动机的制式起动常用于涡扇发动机，这类发动机的起动功率比较大，各转子之间还有转差的相互干扰，因此采用火药起动器较为可靠，可快速带转发动机。

制式起动[3]利用火药起动器产生的高温高压燃气直接吹动高压涡轮叶片，带动高压转子，并在带转高压转子过程中点火，使发动机在很短时间内就能达到预定的工作状态和转速。其特点是：高压转子的加速度非常大，远远大于靠起动耦合的低压转子；烟火点火器和火药起动器的工作时间远远小于其它起动方式的工作时间；起动机会只有一次，要求燃烧室必须在烟火点火器工作期间被点燃，否则起动失败。为保证动力系统的可靠性，发动机要有防止各种意外情况发生的设计措施，用于弹用涡扇发动机的起动电气系统必须为各起动附件提供电源和制定准确的起动控制逻辑。起动电气系统的主要作用是实现弹用涡扇发动机的各种起动控制，满足导弹发射时序要求；能适时、正确、安全、可靠地为发动机各系统用电设备提供电能和传输信号；在导弹发射过程中，起动电气系统协同地面电源、测试设备等共同完成供电和射前检查等发射前准备工作；完成电源转换，实施对弹用发动机的起动；在弹用发动机的研制、生产、储存、使用过程中，对发动机的火工品进行测试检查，以确保其性能和品质，保证发动机安全可靠地起动。

根据这一特殊要求，弹用发动机的起动电气系统设计要在充分利用国内已有技术的基础上，借鉴国内弹用发动机火工品技术，根据导弹控制时序和发动机起动特征参数制定出起动控制时序，通过试验验证和适度调整来确定时序的时间搭接量，实现弹用发动机的各种起动控制，达到导弹发射时序要求，保证其在各种规定环境条件和起动方式下可靠工作。

4.2 起动电气系统设计方案

4.2.1 起动控制方案

弹用发动机起动电气系统的主要控制部件是起动控制箱，它能可靠实现发动机的制式起动、空中起动以及发电机电源与蓄电池之间的供电切换等逻辑与时序控制，其主要功能是在接收到数字电子控制器的相关指令时进行电源切换，对火工品和高能点火器进行供电，并向数字电子控制器返回各种工作信号。为实现设计功能并满足可靠性、控制精度等要求，起动控制箱在火工品及高能点火器的控制设计上要求采用硬件双余度备份的继电器控制，上电工作时，双路控制继电器和输出线路均为并行工作。继电器的控制时序应满足其三种工作模式下的时序要求和控制精度。

根据起动控制箱的功能特点，将其分成电源切换电路、继电器执行电路、火药起动器控制电路、高能点火器控制电路和2个烟火点火器控制电路等6个单独的功能模块，把强电和弱电分别独立设计，有效减少了系统内部的相互干扰，同时具有更高的可靠性和维修性。通过功能细化和控制逻辑组合各个模块，实现系统的功能要求。起动控制箱原理框图如图2所示。

4.2.1.1 起动控制逻辑的确定

图2 起动控制箱原理框图Fig.2 The principle chart of the start control box

根据总体性能对发动机和起动电气系统的要求，首先应确定发动机起动过程中的控制逻辑，以便与数字电子控制器一道共同保证发动机的正常起动。发动机制式起动流程如图3所示。

4.2.1.2 起动控制电路设计

起动控制箱的起动控制电路包括火药起动器控制电路、高能点火器控制电路和2个烟火点火器控制电路。控制箱对外输出的控制指令(控制火工品及高能点火器)，在设计上采用双路控制的输电线路，双路并行工作，实现双余度控制；内部控制电路以多种固体继电器为核心，搭配关键逻辑控制电路来实现不同的功能。控制箱内每个模块的输入输出信号分别连接到不同的航空连接器上，使各种不同的信号隔离，避免相互干扰。

4.2.1.3 起动过程中供电/供电切换控制

起动控制箱中设置供电切换接触器，对应控制电源正极，为常开状态，由控制箱中专用固体继电器控制。当继电器控制接触器吸合时，起动-发电机励磁线圈中的励磁电流由发电机自身提供，并为其它负载设备供电，此时起动-发电机处于发电状态；反之，接触器脱开时，起动-发电机停止为其它负载设备供电。

4.2.2 发电机电压调节电路设计

发电机常常通过电压调节器[4]来改变其激磁，稳定电压。为了能在发动机供电负载发生变化时保持发电机输出电压的稳定，采用了碳片调压器，把阻值可变的碳片电阻串联在发动机的并激绕组中，自动调整激磁电流，如图4所示。结构上，碳片电阻除承受调定压力的弹簧作用力外，还受有随电机电压改变的磁拉力。当加在电磁铁工作线圈上的电压升高或降低时，流过电磁铁线圈的电流随之升降，碳片电阻两端所承受的总压力随之减小或增大，碳片电阻的阻值也随之增大或减小，使得发电机激磁绕组中的激磁电流发生变化，从而将发电机的输出电压调整到额定值。此外，电路中还采用了温度补偿电路和稳压器，以减小温度变化对调压装置性能的影响。

4.2.3 系统结构设计

电气设备均采用金属机壳结构，从结构上满足以下要求：

图3 发动机制式起动流程图Fig.3 Flow chart of cartridge start

图4 起动-发电机调压器电气原理图Fig.4 The principle chart of booster for starter/generator

(1)壳体屏蔽

继电器等电气元件被装在金属罩内，目的是抑制或减少外界的干扰和内部电磁能量的外泄。设计时采取了以下措施：①磁屏蔽体采用钢或铁镍合金等高导磁率系数材料，用来隔磁及防止低频干扰；②电磁屏蔽体采用钢或铝等低电阻金属材料，主要防止高频干扰，利用屏蔽体内的感应涡流抵消干扰磁通，对电磁能量具有吸收损耗和反射损耗两种屏蔽效果；③屏蔽机壳不连接处的直流电阻大于2.5 MΩ。

(2)搭接

又称结构接地，它是导弹各金属构件之间以及弹上设备壳体与弹体之间的一种专门的低电阻电气连接。以弹体作为基准零电位，将设备壳体搭接在上面。搭接能有效抑制射频干扰，保证系统电气性能稳定，防止雷击、静电放电和电击对导弹造成危害。在发动机电气系统设计中，规定搭铁电阻一般为300～2000 μΩ。由于发动机点火系统的特殊性，对搭接有着更严格的要求，搭铁电阻不大于300 μΩ，且点火电缆的防波套应有搭铁片，搭铁片各点间距不大于250 mm。

4.2.4 电路抗干扰技术

(1)滤波

设计中采用低通滤波器，其结构为一长圆柱体，里面将一对电感线圈装在一对铁氧体磁环中，线圈两边各并联1个圆片形穿心独石电容，接电源的一端再并联1对泄放电阻R2(见图5)。使用时，点火器的2根发火线各串联1个π型低通滤波器，呈并联状态(见图6)。2个低通滤波器外还有1个圆筒形铜片防护罩作为共用线，且铜片与发动机壳体紧密接触，构成屏蔽结构。

(2)接地

接地是为了在电路中建立以弹体为基准点的导电通路。设计时，将接地系统中的电位减至最小，使接地电流最小，防止地电流在电路间流动和相互作用。接地系统设计不好时可能使寄生电压或寄生电流耦合到电路和部件中，并降低屏蔽和滤波效果，引起难以隔离和解决的电磁干扰问题。设计中将发动机壳体、电子控制器机壳、控制箱壳体和“屏蔽地”四者按国军标相关要求进行搭接，保证系统屏蔽接地。

图5 点火器和射频衰减电路图Fig.5 The circuit diagram of portfire and radio-attenuator

图6 低通滤波器使用状态Fig.6 The using state of low-pass filter

5 结束语

本文较为系统地研究了某弹用发动机起动电气系统的设计方法，突破了基于制式起动的弹用发动机特有的关键技术，制定的起动控制方案和起动控制箱等关键附件的设计方案有效可行。另外，在设计中还充分考虑了系统的电磁兼容性和可靠性，在满足系统功能、性能的同时，提高了系统的抗干扰能力。本设计方案能实现各种工作模式下的时序要求和控制精度，满足弹用发动机使用需要。

[1]李清盛.弹用小型燃气轮机综述[J].燃气涡轮试验与研究，1994，7(2)：14—18.

[2]郑 涛.弹用涡喷、涡扇发动机概况 [J].推进技术，1995，16(1)：7—12.

[3]陈玉春.涡扇发动机炮式起动数学模型及起动特性研究[J].航空学报，2002，23(6)：568—570.

[4]丁兰芳.飞航导弹电气系统设计[M].北京：宇航出版社，1994.