一种串联弹药感应发射控制系统架构设计

柏舸 智小军 沈波 刘杰

（中国兵器工业集团第二一二研究所 陕西省西安市 710061）

串联装填超高射频武器是新概念武器研究的热点之一，该武器是一种发射药点火由电子装置控制的多管组合武器系统，单个身管内装若干个弹丸，每个弹丸之间由发射药装药隔开[1]。它突破了传统的机械式供弹武器概念，弹药和发射管构成一个整体，可以单管发射，也可以多管齐射，可根据需要设定射速[2]。该武器系统的发射药点火采用的是电子脉冲点火的方式[3]，常用控制点火的方式有两种，一种是有线连接控制点火[4]，另一种是采用磁场感应耦合控制点火[5]，两种方式各有优缺点，已有相关文章对此进行了详细阐述，本文不在重复说明。本文的研究是针对磁场感应耦合式点火发射时射频控制不准和安全性问题，提出了一种软硬件结合的架构，实现精确控制弹丸的发射时基和射频，同时保证了弹丸发射的安全。

1 串联弹药感应发射控制原理

串联弹药的特点是膛内以串联形式预装填多发弹丸，每发弹药对应一个点火节点。每个点火节点是由一组线圈通过非接触传输点火能量，图1 所示其构成是在发射器身管对应点火节点的位置安装线圈（即初级线圈），接收的次级线圈安装在弹丸上与可燃底火连接，次级线圈的位置靠近初级线圈，它们之间形成了一个近区感应场，两个线圈之间不存在物理连接。当给初级线圈加载脉冲发射信号时，电流流过初级线圈产生电动势，在周围形成电磁场，这时次级线圈感受到周围的磁场变化产生感应电动势，当电流达到发火条件时，可燃底火点燃发射药。

图1： 单个点火节点组成框图

在超高频弹药感应式点火技术研究一文中提到的方法就是应用感应式发射原理，文章最后也提到了点火频率和安全性问题[5]。为了解决这个问题，在此方法的基础上提出了一种新的串联弹药感应发射控制架构方法。

2 应用于串联弹药感应发射控制系统架构

新的串联弹药感应发射控制架构的组成结构如图2所示，包括串联击发控制模块、点火节点与发射控制模块[6][7]。串联击发控制模块需要驱动多个点火节点完成对发射控制模块的信息传输[8]，发射控制模块正确识别信息，并根据指令要求完成弹丸发射。新的串联弹药感应发射控制系统架构在磁场感应式点火技术上新增了信息编码，实现了对发射时基和射频的精确控制，进而提升了感应式发射的安全性。新的架构分为硬件架构和软件架构两部分，其工作模式为：负责控制的串联击发控制模块在弹丸发射前发送充电编码，对弹丸内储能电容和点火电容充电；弹丸发射时，由串联击发控制模块发送发射编码，弹丸内发射控制模块接收编码并校验通过后，控制点火单元工作，点燃可燃底火；如果发射任务临时终止，由串联击发控制模块发送放电编码，弹丸内发射控制模块接收编码并校验通过后，控制放电单元工作，对点火电容上的电量进行泄放。

图2： 新串联弹药感应发射控制架构示意图

2.1 硬件架构

串联高射频武器系统具有多管矩阵式排列的特点[9]，串联击发控制模块往往需要对几十甚至上百个点火节点进行控制，因此信号之间难免会发生串扰和干扰的问题。为了避免这类问题的出现，在硬件上基于VPX 架构，采用分布式、单元化的设计思路，将微处理器控制单元、电源管理单元、驱动控制单元、综合控制单元置于VPX背板上，通过板材选型、叠层结构、关键信号线及 PCB工艺等方面的设计，解决了各点火节点之间的信号反射、串扰以及电源干扰等信号完整性问题，提高了发射的安全性。图3 所示为串联击发控制模块硬件构成图。

图3： 串联击发控制模块构成图

发射控制模块则需要安装到弹丸内部，受到体积、功率和处理速度的限制，无法使用大功率或者复杂的处理硬件。在现行制约的条件下，发射控制模块由信息控制单元、编码脉冲检测单元、点火单元和放电单元组成，图4 为发射控制模块组成图。由于发射控制模块内部没有电源，需要串联击发控制模块先发送充电编码给内部的储能电容和执行级电容充电，保证信息处理单元和控制单元正常工作。当编码检测单元检测到编码时，信息处理单元将编码进行调制整形发送至控制单元进行识别，若为发射编码并校验通过后，控制单元触发执行级单元输出能量点燃可燃底火；若为放电编码，控制单元打开放电单元对执行级电容进行放电，使发射控制模块恢复安全状态。

图4： 发射控制模块组成图

2.2 软件架构

软件架构设计上遵循了软硬件解耦化、通用化和模块化的原则，具有良好的可移植性和扩展性。新的串联弹药感应发射控制软件架构分为击发控制软件和发射控制软件，在软件功能分解时按照其在软件模块中的逻辑层次进行划分，包括系统控制层、功能单元层、数据处理层、硬件控制层。系统控制层中的功能单元负责软件模块工作流程控制、工作模式控制、初始化及参数配置等功能；功能单元层中的各单元实现规定的具体功能，如信息交联、电源管理控制、驱动控制、综合控制、信息参数解析、参数识别控制、放电控制等；数据处理层中的功能单元是负责对接收到的数据进判别处理；硬件控制层中的功能单元是专门负责与硬件耦合、控制硬件实现相应功能的功能单元。图5 所示串联弹药感应发射控制软件架构逻辑构成图，图中描述了各个单元之间的逻辑关系及数据流方向。

图5： 串联弹药感应发射控制软件架构逻辑构成图

击发控制软件由主程序和子程序两部分构成，其中主程序负责初始化、参数配置及程序流程控制，子程序包括中断管理、与上位机通讯、信息编码管理、发射频率管理、电源管理及驱动控制等。子程序是软件的核心，实现对各硬件模块的控制。

为了保证弹丸发射的实时性，发射控制软件的主要功能是能够快速准确的处理收到的信息，并根据编码的信息输出控制信号。由于弹上处理器运算能力的限制，软件采取模块化，串行式运行结构。主程序主要完成初始化参数配置及系统管理，其余功能单元采用中断子程序，根据需要进行调用。此外，将信息编码的特征量预先存入到固定的单元地址，减少判断的时间，保证了软件的处理速度。

3 验证

为了验证使用新串联弹药感应发射控制架构下的串联弹药发射准确性和可靠性，采取实验室功能性测试和动态试验验证相结合。实验室主要进行能量和信息传输测试[10]，验证击发控制模块信号调制和驱动性能，以及发射控制模块电容充电能力、信息处理的正确性。动态试验的目的是在原有的发射平台上验证新的架构工程化可行性。

3.1 实验室验证

为实验室搭建好的串联发射控制系统测试平台[11]，如图6 所示。能量和信息传递的过程是：串联击发控制模块内的微处理器输出特定的二进制分组脉冲信号【二进制分组脉冲计数时基校正方法 刘杰，柏舸，聂峥，中国兵工学会第十七届引信学术年会】，经过调制、放大后加载到点火节点的发射线圈上发送出去。接收线圈收到这组信号后先完成对发射控制模块储能电容和发火电容的充电，发射控制模块开始工作，完成信息的解码和识别，如信息为发射信息，启动执行级点燃可燃底火。

图6： 串联发射控制系统测试平台

先对发射控制模块储能电容进行测试，本系统采用的编码是一种分组脉冲编码，分为充电和装定两部分，充电采用1kHz 的频率，信息编码频率为10kHz。这样既保证了充电的效率又兼顾了传输的速率。储能电容的公式为，其中C 为储能电容的容量，U 为充电电压。可以看出提高电容容量和充电电压能提高储能电容的能量，但由于受电路尺寸和充电时间的影响，电容的容量不能过大，考虑到实际使用要求本系统选用的电容容量为100uf。发射控制模块的工作电压为5V，工作电流为2mA，其功率为0.01W。若储能电容充电到8V 时，根据能量公式

储能电容经过1KHz 的脉冲充电可以满足发射控制模块的工作需要，第二步测试模块识别能否正确识别发射信息码并触发执行级动作，同时模拟串联弹药点火的过程。图7(b)中给出了发射信息码识别的过程，一通道为点火节点接收端编码波形，二通道为单片机在正确识别编码信息后置高后锁定执行后续工作。

图7： 充电和编码波形图

测试发射控制模块在不同射频情况下触发点火的效果和取消发射任务时对执行级电容泄放的现象，将击发控制模块输出端分别与 2 个或 5 个点火单元的输入连接，每个点火单元对应的接一个发射控制模块，在2000r/min、5000r/min 和1000r/min，3 种射击频率下进行模拟连续射击测试和电容泄放测试。图8(a)中为点火节点，图8(b)为采集的相邻两个击发控制模块输出的点火脉冲信号。表1 中记录了本次测试的数据结果，实验结果可以得出新架构下的串联发射控制系统可以适应不同射频的串联发射需求，点火脉冲信号在负载电阻7Ω时符合可燃底火发火的要求，在取消发射任务时能够及时将执行级电容放电到可燃底火安全电压以下。

图8： 点火节点与点火脉冲图

表1： 射频试验测试表

3.2 动态试验验证

将新架构下的串联发射控制系统进行靶场高射频串联弹药感应发射试验[12]，本次试验的样机有：串联发射控制系统1 台，装有发射控制模块电路的弹药15 发，在单管发射器1 台。试验设定串联发射射频为5000 发/分和10000 发/分，分为5 组进行，分别为2 组单发、1组 3 连发、2 组5 连发。炮口架设高速录像，记录弹丸射出的间隔及出膛情况，试验结果如表2 所示。

表2： 高射频射击试验统计情况表

对本次试验结果进行分析，弹丸间隔出现的误差源自于高速录像回读产生的，测量的发射间隔时间基本符合设定的射频速率，且每发弹丸均正常发射。试验结果表明，新架构下的串联发射控制系统可靠性能够满足高射频串联弹药的发射要求。

4 结论

为了提高串联弹药感应发射的控制精度和安全性，本文从高射频串联发射系统自身特点出发，针对耦合式串联感应发射时基难控和射频不精准的问题。提出了新的串联弹药感应发射控制架构，该架构在原耦合式感应发射系统的基础上，通过改变硬件架构和增加软件架构，实现了对串联弹药感应发射的精准控制。采用实验室测试进行验证，分析得出采用新架构的耦合式串联感应发射系统可以适应对不同射频发射时基的精准控制，满足串联发射的需求，同时在发射任务取消时保证弹药的安全。动态试验验证结果表明，串联感应发射系统通过采用这种新的串联弹药感应发射控制架构，可以大幅提高武器发射平台的性能和可靠性。