导弹电源系统设计及发展趋势

2010-05-31张春晓刘仕伟

电源技术 2010年7期

张春晓，刘仕伟

(中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009)

导弹电源系统是导弹的重要组成部分，可以形象地说是导弹的心脏。电源系统有问题或性能不高，将直接影响导弹的技战术指标。

随着导弹的不断发展，特别是自动驾驶仪技术的应用和导引头等部件电路的复杂化，对电源种类的需求也越来越多，对电源系统的可靠性要求也越来越高。在导弹的电源系统设计上，总体上可以采用集中式供电，也可以采用分布式供电。所谓分布式供电，即由电源系统向导弹各用电部件提供一次电源，各用电部件根据自身需要进行二次电源变换。目前在导弹上多采用分布式供电。

本文对导弹电源系统的设计和发展趋势进行了较为详细的论述，提出了“分布式布局，一体化设计”的新思路，可以提高电源系统设计的通用化、标准化和模块化设计水平。

1 导弹电源系统的组成

导弹电源系统通常由一次电源、二次电源以及电源控制电路等构成，各部分组成如下：(1)一次电源：通常选用热电池，也可选用涡轮发电机；(2)二次电源：二次电源一般包括直流-直流、直流-交流、交流-直流变换器；(3)电源控制电路：通常由点火电路、电源输出状态检测电路、弹架电源转换电路等组成。

热电池比涡轮发电机具有质量轻、体积小、供电品质高、免维护、寿命长、结构简单、使用方便、力学性能好等显著优点。近年来由于热电池技术的飞速发展，热电池已经逐渐取代了涡轮发电机，成为导弹一次电源的主流模式，新型导弹大都采用热电池，如美国的AIM-120、俄罗斯的P-73等[1]。

导弹电源系统的组成框图见图1。

2 导弹电源系统的特点和设计

2.1 导弹电源系统的特点

导弹具有体积质量相对较小、工作时间相对较短、机动能力强等特点。电源系统与此相适应，具有以下主要特点：(1)起动快，以缩短导弹发射的准备时间；(2)瞬时输出功率能力大；(3)适应严酷的力学和温度环境条件；(4)耐存贮、高可靠；(5)体积小、质量轻。

2.2 导弹电源系统的设计

2.2.1 电源系统总体设计

以电源系统研制任务书为依据，开展电源系统的总体设计，主要包括以下几个方面：(1)系统性能设计；(2)结构布局设计；(3)接口设计；(4)下级分系统的技术指标分配；(5)试验设计。

2.2.2 热电池设计

热电池的技术指标是一个综合指标，因此其指标的确定需要综合考虑，确定一个最佳的综合指标，既要满足导弹总体指标的要求，同时也要充分考虑热电池的技术水平，保证热电池的可靠性和安全性。热电池的设计主要是电池主要性能指标的确定，包括以下几个方面：(1)热电池的种类要求；(2)输出电压精度要求；(3)激活时间要求；(4)电池的体积、质量、安装方式要求；(5)可靠性要求；(6)寿命要求；(7)安全性要求；(8)鉴定和质量一致性检验要求。

2.2.3 二次电源设计

二次电源主要包括直流-直流变换器、直流-交流变换器和交流-直流变换器，在导弹系统上广泛应用的主要是直流-直流变换器。

二次电源的设计需要综合考虑，合理选型，达到最佳的设计效果。主要包括以下几个方面：(1)电源种类的确定；(2)布局设计；(3)电源精度设计；(4)滤波电路设计；(5)功耗和散热设计；(6)环境适应性设计。

2.2.4 直流-直流变换器的选型设计

直流-直流变换器又分为DC/DC电源和线性电源，二者各有优缺点。DC/DC电源效率高、噪声大，它的传导干扰和辐射干扰会对用电部件和周围的电子部件产生干扰。线性电源噪声小、干扰小，但效率低、发热大。DC/DC电源更适合导弹对体积和质量限制的要求，尤其适用于抗输入尖峰干扰要求高、对电源波纹噪声要求低、内阻要求小的脉冲特性负载的应用场合。因此，在导弹直流电源设计中，弹载计算机、数字电路和一些功率电路应选用DC/DC电源[2-3]。但是，由于DC/DC电源存在纹波噪声较大的缺陷，其传导干扰和辐射干扰会对用电部件和周围的电子部件产生干扰，因此，在小信号前置放大、基准电路等对电源波纹噪声敏感的应用场合一般不宜采用DC/DC电源，而应采用线性电源[2-3]。

2.2.5 电源控制电路设计

电源控制电路主要包括电源检测电路、点火电路，是导弹可靠性和安全性的保障之一。电源控制电路的设计应采用成熟设计，保证电路的可靠性和安全性。电源控制电路的设计主要包括以下几个方面：(1)电路实现方案的选择；(2)电路原理设计；(3)可靠性设计；(4)安全性设计；(5)环境适应性设计；(6)试验设计。

3 导弹电源系统的发展趋势

为适应未来导弹的发展需求，电源系统的发展趋势主要体现在以下几个方面：

3.1 分布式布局，一体化设计

采用集中供电和分布式供电各有其优缺点。采用集中供电可以简化全弹的供电系统，在电源的系统设计上可能考虑得更全面，电源的供电种类也可以得到最大程度的简化。但是集中供电带来局部发热严重、电源长距离传输到负载端引起供电品质下降等问题。而分布式供电具有灵活、散热容易、供电品质容易保证等显著优点，但是也带来了供电种类增多、缺乏系统级的统筹考虑等缺点。

因此，基于上述问题，本文提出“分布式布局，一体化设计”的新思路，把全弹的电源系统进行统一规划、设计，把上述二种供电模式的优点结合起来，既做到压缩电源种类、规范和简化电源设计，又保证了散热和电源品质的要求，使电源系统的设计更加通用化、标准化和模块化，提高电源系统的性能和可靠性。

3.2 电源系统的性能大幅度提高

热电池和电力电子器件水平的不断提高，为导弹电源系统的性能提高提供了有效的保证。电源系统性能的提高主要体现在以下几个方面：(1)大功率、小体积、小质量；(2)快速的起动反应时间；(3)高效率、低噪声。

3.3 电源系统的智能化、数字化

随着电源系统功能的不断增强，特别是涉及到火工品的点火控制功能，对导弹的安全性有至关重要的影响，因此需要电源系统具备自检功能。采用常规的模拟电路很难实现，同时会造成接口和电路的复杂性，降低可靠性。所以，在未来的导弹电源系统中将会采用智能化数字系统如DSP，实现对电源系统的自检，保证电源系统安全、可靠。