零长发射方式无人机点火器设计

2023-09-11沈晓兵孙亮叶宏高洪波边文昆沈骅

电子制作 2023年15期

沈晓兵，孙亮，叶宏，高洪波，边文昆，沈骅

（1.空军预警学院，湖北武汉，430019；2.93110部队，北京，100843；3.新昌技师学院，浙江绍兴，312500）

0 引言

无人机的发射方式可分为手抛发射、零长发射、弹射发射、滑跑起飞、母机空中发射、容器式发射装置发射和垂直起飞等类型[1]。其中，零长发射是保证无人机起飞的一种重要发射方式，发射过程为将无人机安装在发射架上，先对无人机的助推火箭点火，在助推火箭的推力下，使无人机起飞并达到一定的速度后，无人机将助推火箭丢掉，主发动机完成飞行任务。这种发射方式主要应用于中、小型无人机，如英国的ASAT/“小鹰”（Merline）[2]、德国的RT-900 “巨嘴鸟”、意大利的“奎宿九星”(Mirach)、伊朗的卡拉尔以及国际合作的CL-289[3]等。要完成无人机的零长发射，最核心的部件为助推火箭，如图1 所示。助推火箭内装有药柱，药柱的燃烧需要由电爆火头点火提供初始能量，电爆火头点火依靠点火器提供的电能实现。在助推火箭点火时，火箭会发出大量的热能，人不能靠近，因此需要远距离点火，针对这种情况，需进行助推火箭的点火器设计。

图1 伊朗卡拉尔无人机和机上的助推火箭

1 整体设计要求

对于零长发射方式无人机点火器，具体设计要求如图2所示。

图2 点火器设计要求

（1）点火功能

为保证点火器对助推火箭的点火，要求点火器能够输出一定的电压、电流，对于无人机助推火箭，要求点火电流不小于0.5A，测得助推火箭的电爆火头阻值为8Ω ～12Ω，助推火箭与点火器连接的导线为长导线，阻值为2Ω ～4Ω。

（2）检测功能

在助推火箭点火前要求检测点火器的电源电压和电爆火头的阻值，以确定点火器是否能为助推火箭提供足够的点火电流，并确认电爆火头的好坏。对于电爆火头阻值检测，要求不能使用指针式万用表。

（3）安全保护

点火器需要重点做好两个防护，即防电池短路和防电爆火头检测时间过长。电池防短路需防止电池在为点火器提供点火电流时短路以及电池充电时的短路。在检测电爆火头电阻时，如果检测时间过长，可能会导致电爆火头因热量积累而误点火。对电爆火头测试时间要求不大于15s。

2 点火器设计

根据前述点火器设计要求，对点火器进行如下设计。

■2.1 整体设计

根据整体设计要求，绘制点火器组成框图，如图3 所示。点火器通过内置充电器可以为电池充电，使用检测仪表实现对电池电压和电爆火头阻值检测。而点火器主电路则需要为电池充电、助推火箭点火、仪表检测提供通路，还应有安保电路防止助推火箭误点火和电池短路，点火器主电路是整个点火器的核心。

图3 点火器组成框图

■2.2 点火器主电路设计

（1）电池及电池接口的选用

点火器在复杂的环境中工作，需要适应较宽的温度范围，因此电池组采用镍镉电池，电池性能稳定，高低温性能良好，安全度高。单个镍镉电池的标称值为1.2V，为了保证输出电流大于0.5A，电爆火头和长导线的阻值之和为16Ω，点火器输出电压至少应为8V，为保证电爆火头能可靠点火，采用8 个SC4500 型镍镉电池（4500mAh）串联，以保证足够的电流输出。电池组采用无人机通用的XT60 插拔式连接接头，与点火器其他电路连接，如图4 所示，提高了点火器的通用性，使点火器可用无人机上常用的3S 电池替换。另外，充电器的输出口也使用XT60 插头，保证了对电池的充电。

图4 点火器所用电池和XT60 电池插头

（2）防短路设计

为了防止点火器短路，在电池输出线上设置相应的保险丝，防止电池发生短路，在充电器输出端也增加充电保险丝，防止充电时的短路，该部分电路设计如图5 所示。充电保险丝和电池保险丝都采用常见的管状保险丝，易于更换。

图5 点火器防短路电路

（3）电池电压检测和电爆火头阻值检测

点火器使用万用表实现对电池电压和电爆火头阻值的检测。为了实现用一块万用表完成对电池电压和电爆火头阻值的检测，使用钮子开关作为选测开关实现电池电压检测和电爆火头阻值检测功能的切换。检测电路如图6 所示。

图6 电池电压和电爆火头阻值检测电路

考虑到电爆火头的检测时间不能超过15s，选测开关采用较大的自恢复钮子开关，检测电池电压或电爆火头阻值时需要扳动钮子开关，不检测时钮子开关自动复位，且扳动开关时需要用较大的力，可防止对电爆火头阻值的长时间检测导致电爆火头误点火。万用表使用性能稳定、质量可靠、准确度高的FLUKE15B 型万用表，防止检测电爆火头时输出电路过大。

（4）防检测时间过长保护电路设计

使用自恢复钮子开关可在一定程度上防止对电爆火头的检测时间过长，但人为差错仍不可完全避免，因此，通过设计防止检测时间过长电路可以进一步保证检测的安全性。如图7 所示为设计的基于NE555 的保护电路，电路工作原理为：当选测开关接至阻值检测时，图7 中的开关S1闭合，保护电路上电。NE555 接成施密特触发器[4]，在R1和C1组成的充电电路控制电路下工作，上电的初始时刻，电容C1两端的电压为0，即NE555 的2 和6 引脚输入低电平，NE555 的3 引脚输出高电平，这时，直流继电器K1 控制端通电，继电器的常开触点闭合，万用表可以检测电爆火头的阻值。随着电容C1的充电，C1两端电压逐渐上升，当C1两端电压UC1上升至NE555 的3 引脚输出低电平，直流继电器K1 断开，万用表与电爆火头之间的检测通路断开，这时的充电时间记为t。当S1 在任何时间断开时，都能使NE555 的3 引脚输出低电平，直流继电器常开触点断开，万用表停止对电爆火头的检测。电容C1两端的电压UC1从0 上升至所用时间t 为：

图7 防检测时间过长保护电路

时间t 即防检测时间过长保护电路的检测限制时间，当选测开关接至电阻检测，检测时间超过t 后，万用表与电爆火头的通路被切断，能有效防止因检测时间过长导致电爆火头误点火。

因对电爆火头测试时间要求不大于15s，将检测限制时间t 设置为12s，选取电容C1为100μF，计算得R1的理论值为109kΩ，可选取110kΩ 电阻或者电位器，通过电位器调节时间t。

（5）整体电路

设计的整体电路如图8 所示，电路中还使用了一个点火准备开关和两个自复位点火开关进一步防止点火器的误点火。点火时的具体操作为打开点火准备开关，按下自复位点火开关1，再按下自复位点火开关2，电池为电爆火头供电，电爆火头点火，启动无人机的助推火箭。同时将图6 中的6 脚自复位开关升级为9 脚自复位开关，多出的一路开关控制防检测时间过长电路的供电，替代图7 中的开关S1。