精确延时微爆轰再传递控制器设计

保慧琴，李 茹，李 婧

精确延时微爆轰再传递控制器设计

保慧琴，李 茹，李 婧

（西北工业大学明德学院，陕西 西安，710124）

针对新一代微爆轰型弹射救生系统在弹射通道清理过程中因机舱内外气压不平衡而可能引起弹射事故问题，设计了一种基于直列式点火的精确延时微爆轰再传递控制器。该控制器采用MLVDS总线实时接收机载计算机发送的飞行高度与舱内外气压差编码数据，并严格按照数据交互协议与数据间的关系确定泄压平衡时间，接收到泄压窗口开启爆轰信号时执行气压平衡延时点火功能，使舱内外气压达到平衡后再引爆爆炸箔点火器，将执行弹射任务的爆轰信号再传递，有效降低弹射救生事故发生可能性。试验验证结果表明，控制器的数据交互模块运行正常，安全控制模块精密执行了500ms与1.1s程控延时，且控制高压点火模块在触发后215ns处达到峰值电压2.4kV，对应的爆发电压为2.3kA，可靠引爆内嵌爆炸箔点火器的爆轰逻辑传递器。

直列式点火；控制器；弹射救生；通道清理；微爆轰传递

弹射救生系统是飞机、航天器等装备在高速飞行过程中遇到故障、人为失误和环境因素等导致飞机不能正常飞行，以及致使飞机不可挽回的情况下，确保飞行员迅速弹射离机并安全获救的必不可少的关键装备，其对最大限度地发挥飞机的作战效能、增强飞行员的信心及保护飞行员生命起着非常重要的作用[1-3]。在弹射救生过程中由于舱内外气压不平衡将可能造成弹射救生失败[4]，因此本文针对新一代微爆轰型弹射救生系统装置对具有本质安全、精确延时及可靠传爆控制模块的需求[5-9]，设计了一种基于直列式点火的具备本质安全性的气压平衡与微爆轰再传递控制器。其实时采集机载计算机发送的飞机飞行高度与舱内外气压差数据信号，并根据飞行高度与舱内外气压差之间的关系，确定泄压平衡时间，待接收到弹射救生系统中泄压窗口开启爆轰触发信号后，控制器启动精确延时，在确保舱内外气压达到平衡后立即触发高压点火模块，使执行弹射救生通道清理与弹射功能的爆轰信号可靠地传爆下去，顺利完成弹射救生。

1 控制器关键硬件设计与实现

1.1 总体设计

本文采用模块化、集成化设计思路，设计了基于直列式点火技术的集安全控制模块与高压点火模块于一体，具备本质安全特性的精确延时微爆轰再传递控制器。安全控制模块由电源管理模块、FPGA微处理器、数据交互模块、爆轰触发模块构成，其中爆轰触发模块接受舱盖泄压孔开启微爆轰信号，采用烟火开关将微爆轰信号转换为电平信号；高压点火模块由升压电路、高压点火电路、高压触发电路、采样电路构成。控制器设计原理如图1所示。

图1 控制器设计原理

1.2 数据交互模块设计

采用多点低电压查分信号（MLVDS）数据传输方式作为机载计算机与气压平衡与微爆轰再传递控制器之间串行数据交互总线，并采用Xilinx FPGA器件与verilog HDL语言设计数据交互模块以及气压平衡与微爆轰再传递控制器中确保安全的逻辑控制部分，串行数据交互模块包含波特率发生器、串行数据接收模块、高压自检模块、同步FIFO和串行数据发送模块，如图2所示。

为了保证机载计算机与气压平衡与微爆轰再传递控制器之间数据传输的正确性，除了采用抗干扰能力强的MLVDS总线，还必须设计一个合理的通信协议，通信双方必须按照协议的规范收发数据，才能保证系统通信顺畅，准确实施各项操作，本文设计采用的数据交互帧格式如图3所示。串行数据接收模块接收机载计算机发送的飞行高度和机舱内外气压差的数据帧，将每个数据帧转换成1个字节存储在同步FIFO中，并进行奇偶校验和CRC32校验，如果校验不正确丢包并向机载计算机发送重传指令，如果校验正确则计算当前飞行高度和机舱内外气压差条件下的延时时间。相应的有限状态机的状态跳转如图4所示。

图2 顶层模块图

图3 数据交互帧格式

注：状态机包含6个状态， IDLE(初始状态)、FIRST (判断初始位)、ALTITUDE(接收飞机飞行高度)、PRESSURE(接收机舱内外气压差)、CRCRE CEIVE(接收CRC32数据)、CRC_ CHECK(CRC32校验)。

图5为串行数据接收模块接收数据帧并把数据帧转换成字节存储在同步FIFO中，其中rxd为机载中央计算机发送的串行数据，realtime为数据帧转换成的字节。机载计算机发送了8个数据帧，分别为8`HFF、8`H23、8`H28、8`HFF、8`HAD、8`HF0、8`HD2。根据数据交互协议第1个字节为初始位、第2和第3字节为飞机飞行高度、第4个字节为机舱内外气压差、最后4个字节为CRC32校验码。

图5 串行数据接收和同步FIFO存储

图6 有限状态机计算延时时间

图6为计算延时时间的波形，当同步FIFO存储的字节个数为8个，即机载计算机发送给泄压平衡控制1个完整的数据包时，有限状态机开始读取同步FIFO中存储的数据并根据飞机飞行高度和机舱内外气压差计算延时时间。有限状态机state的时序为：初始状态→判断初始位是否是8`HFF→确定飞机飞行高度→确定机舱内外气压差→确定CRC32校验码→CRC32校验是否正确→计算延时时间→返回初始状态等待下1个完整数据包。

1.3 高压点火模块设计

高压点火模块是控制器的关键模块之一，其必须具备很高的安全性与可靠性。为实现控制器将执行抛盖与弹射功能的爆轰信号安全可靠地再传递，本文设计了基于直列式点火的高安全性点火模块，如图7所示。图7中FPGA控制电子安全保险模块确保安全，其由2个静态安全保险开关与1个动态安全保险开关构成，升压电路由动态开关、升压变压器、整流二极管构成。动态安全保险开关采用场效应晶体管（MOSFET），升压电路将12V电压变换为2kV的交流高压。FPGA输出动态频率信号控制动态开关MOSFET栅极施加特定的频率电平信号，MOSFET导通，12V电源给变压器原边电感供电储能；MOSFET截止，由于变压器原边电流无法突变，变压器原边极性发生调转，且d/d很大，MOSFET漏极电压可为12V电源的10~20倍，同时在副边感应出交流高压。本设计中MOSFET截止时，漏极电压为100~150V，设计变压比为20，因此，变压器副边最高输出电压为3kV。采样电路由采样电阻及比较器构成，采样电阻跨接在高压电容器两端。设计参数1∶2=500∶1，即2kV高压形成4V取样电压，并将该采样电阻上的电压采用电压比较器转换输入至FPGA，实时检测高压电容器中的电压是否达到点火阈值。高压触发电路由触发储能电容、触发线圈、可控硅开关、光耦、稳压二极管等器件组成，当点火信号到来时，经过稳压二极管和光耦，使闸流管导通，触发储能电容对触发线圈原边放电，触发线圈副边产生2kV触发脉冲，该触发脉冲施加到高压开关的触发极，在触发脉冲的作用下，高压开关导通，发火电容产生2.3kA左右的强瞬时电流将爆炸箔点火器引爆，爆炸箔点火器再引爆后续执行通道清理与弹射的功能微导爆索。

图7 高压点火模块设计

2 试验与结果分析

试验采用计算机模拟机载中央控制器发送飞行高度与舱内外气压差数据，采用电子开关模拟爆轰触发烟火开关，建立了控制器性能测试系统，如图8所示。该测试系统验证控制器的数据交互功能、爆轰触发功能、精确延时功能以及发火电性能等。

图9所示为控制器的爆发电压与爆发电流曲线，高压点火模块点火触发后215ns时达到峰值电压2.4 kV，对应的爆发电压为2.3kV，该高压点火模块的峰值电流可达2.5kA，爆发电流循环时间约为1 215ns。典型爆炸箔点火器的最小全发火电压为1.8kV，因此，该控制器输出的爆发电压与爆发电流可激励爆炸箔点火器可靠作用。

针对控制器在弹射救生系统中的应用问题，建立了控制器与弹射救生系统微爆轰传递控制装置的气压平衡微爆轰传递控制系统，如图10所示，重点验证了数据交互控制的精确延时发火功能。

图8 控制器性能测试系统

图9 控制器爆发电压与爆发电流

图10 气压平衡微爆轰传递控制系统

计算机发送代表某飞行高度与气压差的2组编码数据，只有数据交互模块数据校验正常的情况下控制器执行500ms与1.1s泄压平衡延时发火试验。结果如图11所示，控制器分别延时500ms与1.1s发火，表明控制器数据交互与爆轰触发功能正常，且实现了精确延时点火，能使飞机舱内外气压达到平衡，提高弹射救生安全性。

图11 500ms和1.1s延时点火试验结果

3 结论

本文采用模块化设计与一体化集成方法，设计了基于直列式点火的气压平衡与微爆轰再传递控制器，该控制器采用直列式点火实现微爆轰型弹射救生系统中爆轰信号的再传递，具有本质的安全性；经试验验证，控制器可通过MLVDS数据交互总线实现高速数据交互与精确延时发火控制，能够确保舱内外气压达到平衡，降低弹射事故；同时，实现了微爆轰型弹射救生系统中执行弹射通道清理与座椅弹射微爆轰信号的再传递，极大地提高了新一代微爆轰型弹射救生系统安全性。

[1] Sandstedt P．Experience of rocket seat ejection in the Swedish air force 1967-1987[J]. Aviation, Space, and Environmental Medicine,1989,60(6):367-373．

[2] Milanov L. Aircrew ejection on the republic of Bulgaria, 1953-1993[J].Aviation, Space, and Environmental Medicine, 1996,67(4):364-368.

[3] Moreno Vazquez J M，Duran Tededa M R，Garcia Alcon J L．Report of ejections in the spanish air force，1979-1995：an epidemiological and comparative study[J]．Aviation，Space，and Environmental Medicine,1999,70(3):686-691．

[4] 郁嘉,毛晓东,林贵平.风对弹射座椅救生性能的影响[J].航空学报,2013,34(4):727-740.

[5] 李志强,赵隆茂,刘晓明.微爆索线型切割某战斗机舱盖的研究[J].航空学报,2008,29(4):1 049-1 054．

[6] 李志强,王志华,刘晓明.人/椅弹射救生系统穿盖过程的数值模拟[J].爆炸与冲击,2014, 34 (5):567-573.

[7] 姚小虎，韩强，刘晓明. 微爆索切割航空有机玻璃的研究[J]. 航空学报,2006, 27 (1):152-156.

[8] 王志华,李志强,任会兰.有机玻璃的几何形状对爆炸切割影响的研究[J].高压物理学报,2010, 24 (1):43-48.

[9] 李志强,王志华,刘晓明.微爆索切割航空有机玻璃板实验研究[J].兵工学报,2013, 34 (8):970-974.

Design on A Precise Delay and Micro-detonation Retransmission Controller

BAO Hui-qin，LI Ru，LI Jing

(Northwestern Polytechnical University Ming De College, Xi’an,710124)

Aiming at the new generation micro-detonation transition model ejection escape system, the accident in the channel cleaning process of ejection escape might happen, due to the air pressure imbalance inside and outside the aircraft cockpit, so a controller was designed to realize precise delay and micro-detonation retransmission based on in-line initiation. The MLVDS bus was used to real-time receive the coded data from onboard computer, which is about flight height and the air pressure difference inside and outside the aircraft cockpit, based on the data interaction protocol and the relationship of data, the time to reach equilibrium for the air pressure inside and outside the cabin was determined. The delay ignition was executed as receiving the detonation signal from the pressure relief window. After the air pressure in the cabin was balanced, the high-security explosion foil initiator was exploded to re-transmit the detonation signal that performs the ejection function, so the possibility of catapult rescue accidents could be avoided. The test results showed that the data interaction module runs normally, safety control module can realize 500ms and 1.1s delay time, and after the high voltage ignition module is triggered for 215ns, the voltage will reach peak value of 2.4kV, corresponding to 2.3kV burst voltage, which can initiate the explosive foil initiator reliabily.

Ejection Escape System：Channel cleaning; Micro-detonation

1003-1480（2019）02-0027-04

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.007

2019-02-05

保慧琴（1986-），女，讲师，主要从事电子工程控制技术研究。