桥丝电点火器的驱动电路设计*

张宪国,曹红松,赵捍东,白 松

(中北大学机电工程学院,太原 030051)



桥丝电点火器的驱动电路设计*

张宪国,曹红松,赵捍东*,白 松

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

用于飞行器姿态控制的脉喷发动机常采用火药包裹的桥丝电点火器进行点火,电点火器需要短时脉冲电流驱动。本文针对微小型桥丝电点火器驱动需求,设计了光耦隔离恒流源方式及电容储能脉冲放电驱动电路,均实现了对阻值波动桥丝电点火器的点火驱动。试验证明,光耦隔离恒流源方式可靠性高,安全稳定,电容储能放电方式效率高、作用迅速。该两种设计方法可为脉喷发动机的工程实践提供参考。

电火工品;恒流源;电容放电;点火电路设计

脉喷发动机工作时可直接产生作用力改变飞行器的姿态,经常被小卫星、弹箭用来作姿态控制,从而改变飞行轨迹。脉喷发动机一般靠装填的火药作用产生推力,工作时间短,在几十微秒级,需要点火装置适时点火[1]。目前电点火器经常用到可变阻值桥丝电点火器,桥丝上包裹火药,当给桥丝接通瞬时大电流时,桥丝发热,点燃火药,火药驱动脉喷发动机点火工作。对于采用桥丝电点火器作为脉冲发动机的点火能源,需要设计快速、稳定起爆的点火驱动电路,其直接影响姿态控制系统的响应[2]。本文针对火工品作用机理,建立了桥丝电热升温模型及含能材料绝对超临界化学反应模型,计算最大点火温度、点火时间,作为驱动电路的脉宽控制设计参数。在此基础上设计了光耦隔离恒流源、储能电容脉冲放电两种起爆电路,考虑工程适应性完成硬件设计制作,并通过试验验证了电路设计方案合理可行,这为可变阻值桥丝电点火器在脉喷发动机上的工程应用提供驱动电路的设计方法。

1 脉冲发动机作用过程

脉冲助推器阵列装配在火箭弹质心前的制导部位,沿圆周方向均匀分布[3-4]。阵列排布见图1。

脉冲发动机作用包括电热过程、点火、持续燃烧、膜破裂、气体动力学过程[5]。其中针对桥丝电火工品,电能传递到桥丝激活脉冲发动机,实现电热转换。点火、持续燃烧过程中电阻桥丝传递热量到固体火药,火药引燃后形成气体,增加脉冲腔内压力,导致覆层破裂,燃气喷发形成侧向喷流反作用于载体实现修正。

图1 姿态控制发动机布局

2 桥丝电点火器升温及放热模型

桥丝电火工品能在大电流作用下极短时间内起爆,瞬间发火功率高,常被用于枪炮发射用火药的点火。目前脉喷发动机主要也是采用火药作用产生推力,因此点火选用桥丝电点火器,但脉喷发动机对其起爆时间要求较高,需要驱动电路瞬间提供大电流。本文选用两种驱动电源原理进行驱动电路的设计:恒定直流电源与储能电容,前者是通过恒定电流加热桥丝,后者则是电容放电过程中变化电流通过桥丝。

2.1 电点火桥丝初步设计

根据工程经验与工艺要求,桥丝直径一般选取在0.01 mm～0.04 mm,桥丝长度2 mm～4 mm。在药剂一定时,桥丝直径越细,桥丝温度越高,而且桥丝越长越有利于发火,对于药剂,燃速越大越利于发火作用。选取镍铬丝(65%Ni+20%Fe+15%Cr)桥丝,半径r=0.02 mm,长度l=3 mm,含能材料为LTNR,参数如表1和表2所示。

表1 Ni-Cr桥丝材料基本参数[7]

表2 斯蒂芬酸盐基本参数[7]

表中:

桥丝质量:m=πr2lσw

(1)

(2)

桥丝火工品电发火过程中的基本时间结构大致可分为桥丝的升温过程和点火药爆发迟滞期(主要为吸热分解和燃烧过程)[6]。两个过程连续进行,并无明显界限。桥丝材料根据焦耳定律升温,含能材料根据阿伦尼乌斯定律发生反应。

2.2 桥丝电热升温模型

电热过程桥丝输入电功率:

P(t)=I2RΩ{1+α[T(t)-Ta]}

(3)

式中:P为功率,W;I为电流,A;RΩ为桥丝常温下电阻,Ω;α为桥丝材料电阻温度系数,K-1;T(t)为桥丝温度,K;Ta为环境温度,K。

2.2.1 恒定电流电热升温时间

恒流源作为能量源进行点火,在快速通电中,桥丝加热速率远高于冷却效率[8]。输入能量只用于加热桥丝,忽略热损失,根据能量守恒定律:

(4)

求得温度T(t)与通电时间t之间关系如下:

(5)

2.2.2 储能电容放电电热升温时间

由于电容供电效率高,发火时间较短,忽略电阻随温度变化,则电容放电过程中电压U(t),电流I(t),桥丝输入功率P(t)分别为:

(6)

(7)

P(t)=I2(t)RΩ

(8)

式中:U0为电容充电电压,V。因桥温上升时间比冷却时间小得多,忽略热损失,则能量守恒方程式为:

(9)

求得电容点火时温度与时间关系为:

(10)

(11)

输入桥丝能量为:

(12)

电容剩余能量为:

(13)

2.3 电点火器放热模型

电点火器桥丝上包裹的含能材料依靠桥丝升温点火,根据文献[9]关于超临界化学反应阐述,定义热点火温度为桥丝点热升温速率和含能材料化学升温速率相等时温度。设定点火温度为Tf,升温时间tf,在Tf时含能材料化学放热均温绝热系统能量守恒方程与桥丝电热系统中升温速率相等,以此温度作为系统温度。均温系统能量守恒方程:

(14)

由于爆炸时间在微秒级别,忽略热损失χS(T-Ta);非均温系统能量守恒方程:

(15)

由于加热层很薄,厚度相当于热点直径,约在微米级别,所以忽略温度分布k2T。根据绝对超临界条件下,化学放热系统可以近似为均温绝热系统:

(16)

由于电阻温度系数较小,忽略电阻RΩ随温度变化,求解恒流电热升温Tf:

(17)

将式(7)代入上式得

(18)

与式(11)联立求解点火温度满足:

(19)

根据热爆炸理论,绝对超临界化学反应放热系统近似为均温绝热系统[9],发生爆炸时间为绝热爆炸延滞期,初始温度为点火温度Tf,将Tf代入即可求解爆炸时间。

(20)

电起爆火工品作用总时间为升温时间与含能材料爆炸迟滞期,即为:

ts=tf+tad

(21)

3 光耦隔离恒流源驱动电路设计

3.1 光耦隔离恒流源驱动原理

利用恒定直流源作为桥丝电热转换能源,加热桥丝实现点火管起爆。起爆系统由以下几部分组成:译码电路、光耦隔离扫描控制电路、执行电路。每具点火执行部分由肖特基势垒整流器、点火管组成,整流器形成单向导通电路。光耦隔离恒流源系统硬件设计如图2所示。系统工作原理框如图3所示。

图2 恒流源光耦隔离硬件电路系统

图3 光耦隔离恒流源方式执行原理

MPU计算脉喷点火参数,向译码器DECODER发出指令,译码完成输出选路信号完成行列扫描导通,在经过定时后进行电源导通,完成点火管起爆。光耦继电器实现了控制信号与点火作用电源进行隔离[10]。恒流源作为点火执行的能量来源,其稳定输出性能提供可靠且足够电流进行点火[11]。在允许范围内采用大电流点火,延迟时间短。

执行级电路使用12 V～36 V直流电源供电,为了保证系统的安全,在未接收到点火准备指令前,点火执行级处于断电状态[12]。在点火指令输出后,首先进行选路导通,通过短定时后执行供电指令,执行起爆。

3.2 恒流源驱动电路设计

在行控制CLM_CNT、列控制ROW_CNT信号下,实现矩阵方式选择导通实现低导通电阻放电回路。在行列扫描导通基础上,脉宽控制取决于导通控制SWT_CNT信号。起爆电路阵列控制原理如图5所示。成熟桥丝电火工产品存在一定阻值波动,选取其阻值在2.3 Ω～3.5 Ω范围内。起爆总时间包括升温时间与爆炸时间,恒流源起爆方式中,升温时间比迟滞时间高出一到两个数量级,认为迟滞时间在点火温度一定变化范围内近似相等,发火时间近似于升温时间。恒流源作为点火能量来源,发火时间与电流成反比,与电阻成反比,即发火时间随电流增大而减小,随桥丝阻值增大而减小。发火时间随恒定电流、桥丝电阻变化如图5所示。

根据式(21)计算ts作为脉宽控制参考。

图4 阵列扫描控制导通矩阵

图5 发火时间ts随恒定电流I、桥丝电阻RΩ变化曲线

4 电容储能放电驱动电路设计

4.1 电容储能放电驱动原理

电容式脉冲修正电路通过电容储能,在接受触发信号后储能电容快速放电,加热桥丝,起爆EED阵列中某点火管放电起爆。工作原理框图如6所示。

图6 储能电容放电方式工作原理

MPU初始化完成后,通过信号CHARGE_EN控制储能电容充电,在检测到修正信号后通过以译码器(DECODER)输出选路信号,储能电容通过选择通路对EED阵列某路点火管起爆。EED阵列由总线控制,总线方式实现对单个点火管直接控制。

4.2 硬件电路设计

充电电路为包含充电电源Vcc,充电控制开关SWT,充电回路电阻R,储能电容C。储能电容采用恒压充电方式充电,充电电阻R决定电容充电所需时间,同时决定充电电流对电源影响。放电回路由单个EED,选路控制开关Qx组成,简化为RΩC回路,其中RΩ为简化电路后桥丝火工品阻值。

主控运行正常后,发送充电控制信号SWT,实现储能电容充电控制。在主控解算完成之后,发送命令至译码器,译码完成后控制信号通过总线实现单路导通。单路原理示意图见图7。选路原理如图8所示,其中Q1等为单路控制开关,控制放电回路导通。

图7 单路点火具充放电电路

图8 总线方式控制选路原理

充放电过程中分别用τc,τr表征充、放电常数,其中τc=RC,τr=RΩC。

放电回路电阻近似于桥丝电阻RΩ,因放电电流大,应使能量集中于桥丝实现电热转换。选取Power MOSFET系列开关控制管,其导通电阻RDS(ON)最大值为0.075 Ω。电容式储能放电修正点火主要集中在3方面问题:点火量,充放电时间,动态阻抗匹配[13]。电容具有快速放电,慢速充电特点,充电时间为(3～5)τc时,电容电压达到(95%～99%)U0。放电过程中,在经过一个时间常数τr后,储能电容电压降为0.37U0。电容充放电电压变化示波器采集如图9所示。

图9 储能电容重复放充电电压变化曲线

在计算电容放电点火温度、点火时间时,避免进行复杂数值计算,可采用恒流方式所计算点火温度作为参考,结合含能材料LTNR爆发点为543.15 K～553.15 K反算得到[7]。系统硬件设计如图10所示。

图10 储能电容硬件电路系统

图11 点火时间随点火温度,桥丝阻值变化曲线

由图11知,充电电压一定,电容量一定时,阻值越大,需要消耗电容储能越大,即所需放电时间越长,此时选取最长点火时间作为脉宽控制参考。由图12知,在满足起爆能量条件下,高电压、小电容值组合比低电压,大容量值组合效果明显,容易起爆点火管。

从图11、图12来看,点火时间随点火温度升高而降低,点火温度主要来自桥丝电热效应。因此在保证再次起爆间隔和有效起爆条件下,应尽量增加电容放电时间,提高点火温度。

图12 点火时间、点火温度在不同充电电压,电容组合变化曲线

电容放大方式作用时间短,升温时间与点火时迟滞时间均在百微秒级,总体作用时间比恒流方式短,电容放电方式起爆具有高效率。考虑充放电时间,防止瞎火出现,电容与充电电阻,放电电阻之间需要进行匹配。桥丝通电时间与电容放电进行到第1个时间常数时,认为能量充分利用,以此为依据进行匹配,起爆效果较好。

5 结论

试验中采用恒流源(I=1.2 A)与电容放电低电压大电容组合,高电压低电压组合中相比较。采用RΩ=2.3 Ω,含能材料LTNR爆发点时,恒流源方式用时为1.5 ms(如图5所示),两组电容放电用时分别为900 μs、200 μs(如图12所示)。通过比较发现,电容储能放电方式因其具有强放电能力,使火工品作用更迅速。在修正执行频率允许范围内,恒流源方式同样能够稳健起爆。

本文在分析桥丝电点火器作用过程基础上,对桥丝进行了初步设计,建立了升温放热模型,设计了光耦隔离恒定直流源及储能电容放电驱动电路并进行了试验。试验表明:光耦隔离恒流方式采用直流电源作为点火能源,通过光耦继电器实现控制信号与执行电路隔离,避免瞬发电流对控制系统影响,其在电路结构上节省空间,在严苛环境下贮存时间较长。电容储能方式采用储能电容放电作为点火能量来源,因其快速放电特性,脉冲能量输入桥丝效率高,瞬时功率大,起爆时间短,效率高,对于快速起爆具有重要意义。两种电路对工程适应性较强,可以为相关设计提供参考。

[1] 滕江川,吴晓燕,陈永兴,等. 基于模糊控制理论的脉冲推力器点火算法[J]. 四川大学学报:工程科学版,2011,43(S1):194-198.

[2]韩克华,刘举鹏,任西,等. 脉冲推冲器阵列数字点火控制系统的研究[J]. 火工品,2005(4):37-40.

[3]邓大新,周曾素. 火药脉冲助推器控制在舰载火箭弹中的应用[J]. 海军工程大学学报,2002,14(4):62-67.

[4]毕永涛,姚郁,马克茂. 具有直接侧向力的拦截导弹复合制导控制设计[J]. 宇航学报,2010,31(11):2496-2502.

[5]Kartheephan Sathiyanathan,Regina Lee,Hugh Chesser,et al. Solid Propellant Microthruster Design for Nanosatellite Applications[J]. Journal of Propulsion and Power,2011,27(6):1288-1294.

[6]成一,陈守文. 电点火头发火过程的时间结构的研究[J]. 爆破器材,2001,30(5):22-24.

[7]叶迎华. 火工品技术[M]. 北京:北京理工大学出版社,2007:22-25.

[8]王凯民,温玉泉. 军用火工品设计技术[M]. 北京:国防工业出版社,2006:78-79.

[9]王鹏. 化学放热系统热安全性和点火可靠性研究[D]. 北京:北京理工大学,2008.

[10]温星曦,李新娥,王美林. 光触发电子测压器的设计[J]. 传感技术学报,2014,27(5):591-595.

[11]欧阳斌林,杨方,王润涛,等. 恒流源充电二极管放电的电感式位移传感器[J]. 传感技术学报,2012,25(9):1262-1267.

[12]高先锋. 一种高可靠点火执行级电路的设计[J]. 现代电子技术,2012,35(6):164-167.

[13]沈超,付丽璋,吴世通,等. 电容放电式火工品点火电路参数设计与仿真[J]. 航天返回与遥感,2011,32(1):67-73.

Bridge Wire Electric Ignition Drive Circuits Design*

ZHANGXianguo,CAOHongsong,ZHAOHandong*,BAISong

(School of Mechanical and Electronic Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Pulse jet engines are often ignited by gunpowder wrapped bridge wire electric igniter and widely used in aircraft attitude control. The electric igniter needs short-pulse current driving for rapid initiation. In this paper,opto-isolated constant current source and capacitor discharge mode driving circuits are designed for the demand of micro-bridge wire electric igniter. Two kinds of detonating circuit designs implemente the ignition driving of brige wire electric igniter wtih resistance fluctuations. The constant current source mode is capable of long storage life,compact spatial structure and high safety,and the reservoir capacitor mode demonstrates high energy efficiency and fast-acting for quick initiation. Two methods provide reference designs for the pulse jet engines of different engineering requirements.

electric igniter;constant current source;capacitor discharge;detonating circuit design

张宪国(1988-),男,中北大学在读硕士研究生,主要研究方向为弹箭飞行控制,xianguo_zh@163.com;

曹红松(1967-),女,教授,硕士生导师,现为中北大学弹箭模拟仿真研究中心主任,主要研究方向为制导弹药的弹道理论与技术,弹箭飞行仿真技术,chs@nuc.edu.cn;

赵捍东(1960-),男,教授,硕士生导师,现任中北大学机电工程学院副院长,主要从事弹箭结构与控制、弹道理论与控制,脉冲发动机控制技术以及战斗部毁伤技术研究。

项目来源:兵科院支撑基金项目(62201070503)

2014-09-04 修改日期:2015-02-13

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.010

TJ413

A

1004-1699(2015)05-0665-06