基于電荷平衡原理的引信模擬自毀電路

吳　奇，李曉晨，柳海斌

(西安機電信息技術研究所, 西安　710065)

?

基于電荷平衡原理的引信模擬自毀電路

吳奇，李曉晨，柳海斌

(西安機電信息技術研究所, 西安710065)

摘要:針對傳統分立電子元件模擬自毀技術的功耗高、可靠性較差，提出了一種基于電荷平衡原理的引信模擬自毀電路。該電路利用電荷平衡原理取能，輔以負電壓計時模塊和正電壓起爆模塊完成自毀功能。仿真計算和試驗驗證表明,該電路功耗低、計時精度高、體積小、可靠性高。

關鍵詞：引信；模擬自毀；電荷平衡

Citation format:WU Qi, LI Xiao-chen, LIU Hai-bin.Analog Circuit of Fuze Self-Destruction Based on the Charge Balance Principle[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):102-105.

對引信增加自毀模塊,提高自毀作用率,是提高子彈藥綜合作用率減少未爆彈藥的主要措施之一,也是世界各國子彈藥引信技術的主要發展方向[1]；實現子彈藥自毀裝置[2]的技術方法有機械自毀技術、火藥自毀技術、化學自毀技術、模擬自毀技術、專用IC 集成電路自毀技術和單片機( 微處理器) 自毀技術等。目前引信中的自毀模塊一般采用電子自毀模式，電子自毀一般分為專用IC電路的定時自毀、單片機自毀和傳統分立電子元件的模擬定時自毀3種方式[3]。采用傳統分立電子元件的模擬定時自毀的電路成本較低，但是功耗較高、自毀延時精度較差[4]、體積較大等缺點限制在引信自毀電路中的廣泛應用。針對傳統模擬自毀電路的缺點，提出了基于電荷平衡原理的引信模擬自毀電路。

1自毀和電荷平衡

1.1自毀實現方法

機械自毀技術一般采用鐘表定時自毀，是一種早期的自毀技術，鐘表自毀機構需要復雜的工序，體積大、結構復雜，現已很少使用。

火藥自毀技術大多數采用延期藥盤實現自毀功能，其計時精度差，自毀時間受限，體積大，也已很少使用[5]。

化學自毀技術是利用化學反應實現自毀，其發火時間較長、時間散布大、而且結構復雜，現已不再使用。

專用IC 集成電路自毀技術是在分立電子元件電路基礎上發展起來的[6]，質量、體積比分立元件電路小，適合小空間內加裝，目前已成功用于智能地雷上。但是成本較高，在低價值子彈藥引信中應用受到一定的限制。

單片機( 微處理器)[7]自毀技術是利用現代電子技術和微型計算機技術的新型自毀技術，通過軟件實現延時[8],但是功耗較高，工作電流約為10μA,所以適用環境受到一定制約。

傳統模擬自毀技術一般采用分立電子元件組合而成，它的出現使自毀技術由機械自毀方式向電子自毀方式轉變，組成結構是電路內部的各個模塊與電源共地設計，計時模塊、發火模塊和取能模塊并聯共零電平設計，組成框圖，如圖1；采用大電容充放電的方式完成自毀時間要求，自毀時間由電容充放電時間決定，自毀裝置體積較大，響應時間長，反應慢，影響自毀可靠性。在傳統模擬自毀電路中，取能模塊都是采取負載并聯的方法，將發火電容和和自毀計時電容并聯，由于這種取能方法遵循負載疊加的原則，所以缺點是發火電容和計時工作電容之間的能量匹配只能靠電容的容值來分配，電源負載高，所以利用率低，其簡化等效模型如圖2。

圖1　傳統模擬自毀電路原理框圖

圖2　傳統取能模型圖

1.2電荷平衡

電荷平衡原理是指系統中電荷處于穩定狀態[9]，整個系統中的正負電荷數合計為零；在取電的過程中將電源電荷分為正電荷、負電荷兩部分分別存儲起來，兩部分數學和為零即將取能電容串聯起來，電容上的電荷數學和為零[10]。電荷平衡原理簡化框圖如圖3所示。

電荷平衡原理遵循的數學模型如下

C1×U1=C2×U2

由電荷平衡原理的數學模型得到電源負載為(C1+C2)/C1×C2，即將負載有效降低，提高了電源利用率。

圖3　電荷平衡原理簡化框圖

2基于電荷平衡原理的引信模擬自毀電路

本研究提出了基于電荷平衡原理的全新模擬自毀電路架構，將計時模塊和發火模塊串聯浮地設計。自毀電路按照功能分為取能模塊、負電壓計時模塊、正電壓起爆模塊和正負電平轉換模塊。組成原理框圖如圖4。該方案適用于直流、交流和脈沖電源，特別應用在磁后坐電機作為電源的引信系統中，可有效提高電源利用率。

圖4　組成框圖

取能模塊負責吸收和儲存電源能量并給負壓計時模塊和正壓起爆模塊提供電源，正負電平轉換模塊負責將起爆信號轉換后傳遞給正電壓起爆模塊，然后輸出起爆信號。

基于電荷平衡原理的自毀電路取能方式是將發火電容和和自毀計時電容串聯起來，并輔以過壓保護和能量分配電路，這樣等效電容值下降，就實現了取能模塊阻抗的變換，對電源的利用率提高2倍左右；電源隨著負載的減小，輸出的能量也會提高，由于這種取能方法遵循電荷相等原則，其簡化等效模型如圖5。

圖5　串聯等效模型

負電壓計時模塊負責監測計時電容電壓，并利用計時電容當作電源產生電壓基準作為比較器的參考基準，當電壓到達預定閥值后經推挽放大輸出負電壓起爆信號，組成框圖如圖6。

圖6　負電壓計時模塊組成框圖

如圖所示，電容通過2個串聯電阻放電，同時為電壓基準和微電流源提供能量，電容上的電壓通過電阻緩慢放電，當電容上的電壓比基準電壓低時，比較器翻轉，信號經過半導體場效應管推挽后輸出負電平起爆信號。

正電壓起爆模塊主要負責接收起爆指令后輸出起爆能量，原理如圖7所示 。如圖所示計時儲能的電壓經過電壓調整后儲存，當電平轉換模塊驅動電子開關2導通后，觸發信號經整形后導通電子開關1，將起爆能量導通至雷管，從而起爆。

圖7　正電壓起爆模塊組成框圖

正負電平轉換模塊負責將負電壓計時模塊輸出的負電壓起爆信號，轉換為正電壓信號，然后驅動電子開關，導通觸發能量至閘流管，從而起爆雷管。

3仿真計算及試驗驗證

3.1仿真計算

按照簡化等效模型圖2和圖5進行取能仿真計算。按照碰目標時的過載驅動磁芯運動，從而磁電機發電的方式計算，其計算方法如下

磁電機發出的能量E(t)計算方法如下：

(1)

其中：N為磁后座電機線圈匝數；Vr為磁芯速度；S為磁芯運動行程；Φ0為線圈截面積。

假設子彈的加速度曲線a(t)是線性上升，子彈的運動速度為

(2)

其中：V為子彈落速；Vc為子彈落點速度；am為加速度。

得到磁芯的運動速度為

(3)

磁芯的位移為

(4)

并聯取能電路的微分方程為

(5)

其中：R為磁電機等效內阻；L為磁電機等效電感；E(t)為磁后座電機在速度V時發出的瞬態電壓。

串聯取能電容電荷E(c)遵循平衡原理

(6)

其中：C1、C2為電容值；U為電容電壓。

RLC對E(t)的響應，就是它對δ(t)的響應與E(t)的卷積，即電路對E(t)的響應

(7)

其中E(ξ)=Asinw1ξ。

積分可得到取能電容上電壓的表達式為

(8)

經過編程計算，對不同的速度可計算出不同的磁電機發電曲線,求出儲能電路中電容器儲存電壓V與不同落速之間的關系，如圖8所示。

圖8　并聯模型儲存電壓V與不同落速之間的關系

在本方案中是將取能電容串聯起來，經過編程計算，對不同的落速可計算出不同的磁電機電壓E(t)曲線,可求出儲能電路中電容器儲存電壓V與不同落速之間的關系如圖9中的曲線所示。

圖9　串聯模型儲存電壓V與不同落速之間的關系

經過仿真計算得到串聯方式比并聯方式獲得多約1倍的電荷數，這樣在電路工作電流固定的情況下，獲得了更多的有效使用能量，使電路的性能大大提高。在串聯實際應用中通過調整2個電容的容值匹配不同的電壓，使參數得到進一步優化。

3.2試驗驗證

將該基于電荷平衡原理的模擬自毀電路和傳統并聯取電方式模擬自毀電路進行了同條件下的磁電機取電試驗，試驗結果如表1所示。

由試驗結果得到，在等效容抗一致、同等電源的情況下，電荷平衡型的取電方式比傳統并聯取電方式獲得多約1倍的能量，和仿真結果一致。

該基于電荷平衡原理的模擬自毀電路已經應用在火箭子彈引信中,共進行了1 000發原理樣機試制和20 000發生產,試制合格率達到了99%，并經過了高溫，低溫的性能測試，技術參數對比如表2所示。

基于電荷平衡原理的模擬自毀電路通過對1 000發數據統計結果顯示，工作電流、常溫計時精度、高低溫計時精度和體積都達到了專用集成電路水平，試制產品合格率提高了約10%，成本最低。

表1　試驗結果對照

表2　參數對照

4結論

提出了基于電荷平衡原理的引信模擬自毀電路。該電路利用電荷平衡原理取能，將電源電荷分為正電荷、負電荷分別存儲，輔以負電壓計時模塊利用負電荷完成計時工作；正電壓起爆模塊利用正電荷完成起爆輸出功能，正負轉換模塊完成計時模塊和起爆模塊之間的信號傳遞。仿真計算和試驗驗證表明該架構的模擬自毀電路功耗低、計時精度高、體積小、可靠性高、成本低。該自毀電路架構模式為引信自毀電路的設計提供了一種新的技術途徑，可以廣泛地應用于多種引信。

參考文獻：

[1]郅斌偉,馬寶華.子母彈子彈藥引信自毀技術[J].探測與控制學報,2008,30(1):6-10.

[2]秦棟澤，范寧軍.自毀裝置的安全性和可靠性[J].爆炸與沖擊,2014(1):111-114.

[3]王為奎,張孝虎,黃強.某型空空導彈自毀裝置技術研究[J].航空兵器,2012(2):53-54.

[4]姚則武，方向東.發射條件對某型引信離心自毀時間散布的影響分析[J].四川兵工學報,2011,32(2):24-26.

[5]王為奎,王偉策,顧月兵.地雷自毀自失效的五種實現方案比較分析[J].彈箭與制導學報,2005,25(3):501-503.

[6]周明安，郭天天，程小冬，等.數碼手榴彈引信研究與設計[J].四川兵工學報，2015,35(8):8-10.

[7]王曉方，劉秋生，趙曉利.單片機電子時間引信執行級電路的可靠性分析[J].四川兵工學報,2008,29(4):33-34.

[8]郭宏泓,楊念念.基于多閾值技術的超低功耗電路設計[J].微計算機信息,2010,26(2):152-153.

[9]郭曉君，林維明.電容電荷平衡控制技術的研究進展與分析[J].電源學報,2012(2):90-94.

[10]趙晉斌，戴劍豐，屈克慶.基于電容電荷平衡的滯環控制策略[J].電工技術學報,2015(16):63-69.

(責任編輯楊繼森)

Analog Circuit of Fuze Self-Destruction Based on the Charge Balance Principle

WU Qi, LI Xiao-chen, LIU Hai-bin

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Abstract:Aiming at the low reliability and high power consumption of discrete electronic components, a analog circuit of fuze self-destruction was designed based on the principle of charge balance. Obtaining the energy on the basis of the charge balance principle, the circuit can realize the function of self-destruction with negative voltage timing module and positive voltage ignition module. The simulation and the experiment both prove that the circuit have advantages of low power consumption, high timing accuracy, small size and high reliability.

Key words:fuze；analog circuit of fuze self-destruction; charge balance principle

文章編號：1006-0707(2016)03-0102-05

中圖分類號：TJ430.1

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.025

作者簡介：吳奇(1980—)，男，主要從事引信研究。

收稿日期：2015-10-19；修回日期：2015-10-31

本文引用格式：吳奇，李曉晨，柳海斌.基于電荷平衡原理的引信模擬自毀電路[J].兵器裝備工程學報，2016(3):102-105.

【信息科學與控制工程】