用于拦截弹的弹上控制装置研制*

周军，边友，王锐

(1.北京机械设备研究所，北京 100854;2.中国人民解放军驻航天科工集团第二研究院206所军事代表室，北京 100854)

0 引言

低慢小目标，又称低空、慢速、小型飞行器，主要指航空模型、小型无人机等。随着近几年航空科技的发展，低慢小目标扩散速度加快，恐怖分子和敌对势力利用低慢小目标对重要活动、大型集会和政治场所等实施恐怖袭击或破坏性活动的可能性逐渐加大。拦截低慢小目标逐渐成为安保、反恐领域的新需求。

低慢小目标拦截系统能够快速、准确的捕获各类低慢小目标，此拦截系统中拦截弹是主要的空中战斗部，而拦截弹正常工作，需要由一种可靠稳定的弹上控制装置给出动作时间，因此迫切需要研制一种抗高过载的弹上控制装置，这种控制器必须确保在拦截弹的发射过程中可靠稳定运行，可在经历几千g的发射过载后，仍稳定输出拦截部件的动作时间，确保拦截系统正常工作。

弹上控制装置是拦截弹的重要组成部分，是在预定条件下引爆或引燃战斗部装药的控制系统或装置[1-5]。它是拦截弹的重要组成部分，用于控制战斗部在相对目标的最佳位置和时机上起爆。其中，弹上控制装置既要保证使用安全，又能使战斗部充分发挥预定功能，特别是对目标发挥最大毁伤效能[6-9]。

本文中的拦截弹没有单独的引信，而是由弹上控制装置、点火器和弹上安执共同完成引信的功能。其中检测、装订和输出点火电流主要功能是由弹上控制装置完成[10-12]。

本文主要介绍弹上控制装置的设计内容、关键技术和研制过程中遇到的问题。其中关键技术中主要介绍双环境力解除保险设计，即保证运输过程中拦截弹的安全性，又要确保发射后的可靠作用。

1 弹上控制装置总体设计

1.1 系统框图

弹上控制装置是拦截弹的重要组成部分，实现与瞄具的实时信息交互，可靠地对发射过载与出筒断电信号进行检测，在满足发射条件后按预定时间完成开伞、开网动作。

弹上控制装置由胶体、惯性保险机构、储能电容、通信电路、检测电路与执行电路组成。弹上控制装置的系统框图如图1所示。

图1 弹上控制装置组成框图Fig.1 Block diagram of control device on missile

1.2 工作原理流程

拦截弹发射前，筒外瞄具通过充电电路为弹上控制装置内部储能电容进行充电，并通过485通信给弹上控制装置装订开伞时间参数t1和开网时间参数t2，弹上控制装置回复装订成功后处于待发状态。

发射时，发射过载会使弹上控制装置内部的惯性保险机构闭合，MCU检测到惯性保险机构闭合后，如果在窗口时间内检测到断电信号，则弹上控制装置确认拦截弹已发射，电路开始计时，定时到t1时刻输出一路点火信号，定时到t2输出另一路点火信号。如果弹上控制装置先检测到断电信号，也开启时间窗口，在时间窗口内检测到过载信号，同样开始点火计数。

当MCU检测到断电信号后，在窗口时间内没有检测到过载信号，则说明拦截弹取消发射。此时弹上控制装置需对储能电容进行放电，耗散掉电容能量。

如果MCU检测到惯性保险机构闭合后，在窗口时间内没有检测到断电信号，则引信判断拦截弹没有发射，不执行定时，程序返回重新检测过载。

1.3 关键参数设计

弹上控制装置的工作储能电容用于提供拦截弹发射后电路的运行所需能量和输出点火信号所需的能量。储能电容选择小了无法提供足够的能量保证拦截弹的正常工作；储能电容选择大了会影响整体的体积，所以储能电容的选择至关重要。

储能电容分为2个点火电容和系统工作电容，3个储能电容彼此隔离，不会互相充放电，以保证各模块的正常工作。

点火电容分为开伞点火电容和开网点火电容，根据点火器厂家提供指标，开伞、开网电容选用27 V，68 μF的电容即可可靠点火，实际应用中选取了50 V，100 μF的高分子固体电解质钽电容。

拦截弹发射后弹上控制装置工作由系统工作电容提供，由于工作时间指标要求并考虑到储存时间的条件，弹上控制装置选用了高能钽电容，储存期限可以到达15年且电容器性能不下降。

根据实际测量，在输入值35 V时，消耗功率为7 mA，由此计算弹上控制装置工作1.5 s所需能量为0.357 J，具体计算过程为

E1=U1I1t1，

(1)

式中：E1为弹上控制装置工作电路所需能量；U1为弹上控制装置工作电路电压；I1为弹上控制装置平均工作电路电流；t1为弹上控制装置工作时间，为1.5 s。

电路储能电容需要提供维持弹上控制装置工作所需能量，计算储能电容总容值要不小于607 μF，故选取1 000 μF/63 V电容。具体计算过程为

(2)

式中：E1为弹上控制装置工作电路所需能量，0.357 J；WC为充电电容储存能量；U为充电电压，35 V；Umin为最小工作电压，7 V；C为电容总容值。

2 硬件电路设计

弹上控制装置硬件电路主要包括电容充电电路、电起爆执行电路、MCU电路和通信电路。

2.1 电容充电电路设计

充电回路由筒外电池，开关S1，电阻R1，R2，R3，储能电容C1，C2，C3和保护二极管D1，D2，D3组成。其电路图如图2所示。

开关S1控制充电电路的通断，当S1闭合时，能同时也给储能电容C1，C2，C3充电。

C1，C2为点火电容，根据点火头参数，选用100 μF/50 V电容；C3为系统供电电容，选用1 000 μF/63 V的电容。

D1,D2,D3为保护二极管，即保证三电容之间不互相充放电，同时当充电线缆发射后短接可保护储能电容不被短路而放电，通过检查D3正端电压即可判断充电电源线是否断开。

2.2 电起爆执行电路设计

在电起爆执行电路中，起爆控制器件是电容放电起爆电路的关键元器件之一，要求起爆控制器件具有开关迅速、可通过大电流冲击等工作性能。

放电电路控制器件主要有可控硅、三极管和MOS管3种。考虑到三极管功耗大，不选择三极管为放电电路控制器件。因此，重点考虑可控硅和MOS管这2种控制器件。参考工程研制的成功经验，选择PMOS为放电电路控制器件，可以控制点火器的正向开关。

MOS管能在高电压、大电流条件下工作，导通速率极高，具有耐压高、容量大的特点。放电回路由点火电容V_UMB，MOS管Q1，控制器件NPN管Q2，火工品R5,稳压管D1和电阻R1,R2,R3,R4组成。其功能是接收放电起爆控制指令，处理器控制NPN导通，此时由于R1,R2分压，Vsg>4 V，即可选通Q1，使得电容器对电起爆器R5进行放电起爆。电容放电起爆电路如图3所示。

2.3 MCU电路设计

弹上控制装置的控制电路是通过MCU检查发射过载信号与充电回路弹动信号，经延时后控制两路电容放电起爆电路，引爆开伞、开网点火头；选择MCU具有64 kbytes的FLASH存储能力，能够在掉电情况下保存记录的各个关键时刻的参数(储能电容电压、装订时间、点火执行情况等)。

图2 电容充电电路图Fig.2 Capacitor charging circuit diagram

图3 电容放电起爆电路图Fig.3 Schematic diagram of capacitance discharge initiation circuit

2.4 通信电路设计

弹上控制装置通过通信电路与外部瞄具进行通信，接收拦截目标信息。通信电路包括瞬态抑制二极管、限流电阻、上下拉电阻和电平转换芯片D1，具体电路如图4所示。瞬态抑制二极管V5～V7用于防止高电压干扰导致电平转换芯片D1烧毁，导致电起爆控制器不能正常工作。

图4 通信电路图Fig.4 Communication circuit diagram

3 软件设计

3.1 软件CSCI设计

弹上控制软件的外部接口为与瞄具的RS485总线通讯接口、与弹上控制装置内部惯性保险机构的开关量信号接口、与弹上控制装置内部点火的控制信号接口、与弹上控制装置内部AD模块的输入信号接口。弹上控制软件的外部接口框图如图5所示。

图5 弹上控制装置外部接口框图Fig.5 Block diagram of external interface of control device on missile

3.2 双环境力软件流程设计

弹上控制装置应用于拦截系统，拦截系统为在城市环境下应用的单兵肩扛式武器系统，在系统设计时必须充分考虑操作人员的安全性、城市复杂环境中周边人员和设施的安全性。因此弹上控制装置也得充分进行安全性设计，主要进行了双环境力解保设计[13-15]。

弹上控制装置内部设计有惯性保险机构，用于敏感发射过载；同时在设定的窗口时间内检测到断电信号，则弹上控制装置才确认拦截弹已发射，电路开始作战计时。

如图6所示，当弹上控制装置检测到断电信号后，在设定的窗口时间内没有检测到发射过载信号，则说明系统取消发射。此时弹上控制装置需对弹上控制装置内部储能电容进行泄放电，耗散掉电容能量，保证安全性。

如果弹上控制装置检测到发射过载信号后，在设定的窗口时间内没有检测到断电信号，则判断拦截弹没有发射，不执行作战计时，而是将此故障信息上报瞄具，进行分析处理。

图6 双保险检测软件流程框图Fig.6 Flow chart of double insurance detection software

4 试验验证

弹上控制装置自开始研制起，前后出现2个问题，均已解决。且从问题解决开始，又进行各种发射试验125发，所有试验产品中出现均为成功。且所有运输、发射过程中均未出现过安全问题。表明此弹上控制装置设计合理，其中双环境力设计方法既保证了运输过程中的安全性，又确保了拦截弹发射时的可靠性，能够满足系统使用要求。

参考GJB376—87《火工品可靠性评估方法》的表A2，抗高过载弹上控制器在置信度0.9情况下，其实际点火可靠度为98.18%，大于98%，满足任务书要求。

弹上控制装置在研制过程中经过了一系列的功能性能验证试验和环境可靠性试验，具体的试验情况见表1，2所示。

表1 功能性能试验Table 1 Functional performance tests

表2 环境适应性试验Table 2 Environmental adaptation tests

经以上试验证明，弹上控制装置不仅功能性能满足使用要求，而且能够适用各环境使用要求，具备实战型。

5 结论

目前弹上控制装置设计虽然能够满足系统使用要求，但仍有一些不足，下一步可以从下面这几个方面开展工作：

(1) 目前弹上控制装置与点火器连接是通过导线直接连接，存在装配不方便，容易压线，可能导致连接错误等不足，下一步需要对连接方式进行改进，研究简单、快捷的连接方式。

(2) 目前弹上控制装置点火时间是由瞄具装订，而由于拦截弹的发射初速误差，导致拦截概率的下降，下一步开展弹上控制装置对发射初速的测量，根据发射初速与目标位置计算得点火时间，增大拦截概率。