彈載“黑匣子”設(shè)計方法*

邵云峰，崔玉江

(北京電子工程總體研究所，北京　100854)

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測試、發(fā)控技術(shù)

彈載“黑匣子”設(shè)計方法*

邵云峰，崔玉江

(北京電子工程總體研究所，北京100854)

摘要：基于飛機“黑匣子”理念，充分利用導(dǎo)彈彈上數(shù)字總線和接口資源，通過對信號采集與存儲、設(shè)備回收、數(shù)據(jù)存貯、電源管理等關(guān)鍵技術(shù)研究，提出了彈載“黑匣子”總體方案及主要功能單元設(shè)計方法，并進行了抗沖擊環(huán)境分析。通過彈載“黑匣子”可獲取導(dǎo)彈飛行過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)，解決了列裝導(dǎo)彈飛行試驗中因缺乏遙測數(shù)據(jù)帶來的排故困難，也為導(dǎo)彈飛行試驗數(shù)據(jù)錄取提供了新的技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞：彈載；黑匣子；模擬量信號采集；數(shù)字量信號采集；數(shù)據(jù)存儲；回收

0引言

研制階段的實彈飛行試驗，通常采用遙測系統(tǒng)來獲取導(dǎo)彈各項飛行參數(shù)，為導(dǎo)彈總體設(shè)計指標(biāo)驗證與評估提供依據(jù)。在導(dǎo)彈武器定型列裝后，彈上一般取消了遙測設(shè)備和各類傳感器[1-2]，實彈飛行試驗時不再獲取導(dǎo)彈飛行相關(guān)數(shù)據(jù)。而對于部隊演習(xí)出現(xiàn)的飛試故障導(dǎo)彈，由于沒有彈上相關(guān)數(shù)據(jù)，往往造成故障無法準(zhǔn)確定位和隔離，無法快速完成歸零，影響了部隊作戰(zhàn)使用，也給工業(yè)部門的經(jīng)濟效益和聲譽造成極大影響，因此可以借鑒飛機設(shè)計經(jīng)驗，開展基于“黑匣子”理念的彈載測試技術(shù)研究。彈載黑匣子測試技術(shù)是以自主或半自主的方式實現(xiàn)導(dǎo)彈關(guān)鍵性能指標(biāo)的測試，并對測試結(jié)果進行可靠存儲，待導(dǎo)彈飛行試驗結(jié)束后，回收黑匣子并將結(jié)果下傳從而進行導(dǎo)彈飛行參數(shù)的分析與評定[3-5]。彈載黑匣子測試技術(shù)是針對列裝導(dǎo)彈獲取飛行試驗數(shù)據(jù)的一種創(chuàng)新手段，對于導(dǎo)彈批抽檢和部隊演習(xí)保駕具有重要意義。

1彈載黑匣子設(shè)計總體思路

彈載黑匣子測試是近些年發(fā)展起來的一種彈上參數(shù)實時采集與記錄存儲的測試方法，其目的是對導(dǎo)彈飛行全過程的關(guān)鍵參量進行采集和存儲，并在導(dǎo)彈完成作戰(zhàn)使命墮地后仍能保存并輸出所存數(shù)據(jù)，以供事后分析[6]。和其他測試存儲系統(tǒng)相比，彈載黑匣子具有體積小，功耗低，成本低，抗沖擊、耐高溫、高壓、低溫環(huán)境等特點[7]。

隨著導(dǎo)彈數(shù)字化程度提高，各類數(shù)字總線在彈上廣泛使用，這為彈載黑匣子測試盡可能多的采集數(shù)據(jù)和輕小型化奠定了基礎(chǔ)。目前彈上信號參量主要分為模擬量和數(shù)字量2類，模擬量主要有電源電壓和控制信號等，數(shù)字量主要有RS485，1553B，CAN總線等傳輸?shù)臄?shù)字量[8]。因此彈載黑匣子測試技術(shù)以彈上總線數(shù)據(jù)記錄為主，具備一定的模擬量采集功能，可以最大程度地獲取彈上數(shù)據(jù)并減輕體積和重量。本文以某型彈上RS485總線為例，開展彈載黑匣子方案論證和設(shè)計，黑匣子信息交互架構(gòu)框圖見圖1。

彈載黑匣子功能需求如下：

(1) 彈載黑匣子以導(dǎo)彈發(fā)射脫落為零點，啟動數(shù)據(jù)采集存儲；

(2) 具有模擬量采集轉(zhuǎn)換和數(shù)字量監(jiān)聽記錄功能；

(3) 具有安全可靠的數(shù)據(jù)存儲功能，記錄時間不小于10 min；

(4) 在黑匣子墜地時，具備信標(biāo)發(fā)射功能，以便搜尋；

(5) 具備低功耗，抗沖擊，耐高溫、高壓、低溫等環(huán)境能力。

2彈載黑匣子設(shè)計

根據(jù)彈載黑匣子具備數(shù)據(jù)采集、記錄、存儲、回收、抗爆、抗沖擊等要求[9-10]，黑匣子主要由模擬量采集與處理單元、數(shù)字量采集與處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元、電源管理單元、回收單元等組成，其組成框圖見圖2。

家里出事的時候，哥們兒朝洛蒙不在家，到天津見客戶去了。天津離北京近，本打算當(dāng)天就能返回來，但是客戶說啥晚上要拉他去塘沽吃螃蟹。再加上事也湊巧，那天又沒帶充電器，手機沒電強行關(guān)機。沒有耳信，這樣哥們兒朝洛蒙就成了聾子，家里什么事也不知道了。

模擬量采集與處理單元將采集的多路模擬信號統(tǒng)一進行變換處理，并進行統(tǒng)一編碼后將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲單元；數(shù)字量總線信號由總線隔離變換電路進行光電隔離，并統(tǒng)一編碼后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲單元。數(shù)據(jù)存儲單元將接收到的數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)部存儲器，在試驗結(jié)束并回收后，可通過數(shù)據(jù)下載接口下載試驗數(shù)據(jù)?；厥諉卧捎脽o線信標(biāo)方式[11]，將內(nèi)置的GPS位置信息通過天線發(fā)送微波信號，方便地面尋找和回收。電源管理單元負(fù)責(zé)提供各單元用電，特別是為回收單元提供電池供電，以維持黑匣子墜地后一定時間的信標(biāo)不間斷發(fā)射。

圖1　彈載黑匣子信息交互架構(gòu)框圖Fig.1　Interactive information framework of black casket in missile

圖2　彈載黑匣子組成框圖Fig.2　Composing of black casket in missile

2.1模擬量信號采集與處理單元

模擬量信號采集與處理單元實現(xiàn)彈上電源電壓等模擬量信號調(diào)理和采集，其功能原理如圖3所示。各通道模擬量經(jīng)信號適配電路進行電壓調(diào)理，再經(jīng)低通濾波后送至AD采樣，AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后由數(shù)據(jù)編碼電路對數(shù)據(jù)統(tǒng)一編碼后輸出。

圖3　模擬量采集處理單元功能組成Fig.3　Functional components of analog data acquisition processing

數(shù)據(jù)編碼處理FPGA可控制10路8通道的A/D轉(zhuǎn)換器同步進行數(shù)據(jù)采集，采用RS422差分串行總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲部分。

2.2數(shù)字量信號采集與處理單元

數(shù)字量信號采集與處理單元實現(xiàn)彈上RS485總線等數(shù)字信號調(diào)理和采集，其功能原理如圖4所示。由于RS485總線是彈上控制總線，要確保黑匣子接入彈上總線后任何時候都不能影響到彈上總線的正常工作，因此首先需要對彈上總線進行物理隔離，隔離電路見圖5。RS485總線信號經(jīng)總線隔離后接入數(shù)據(jù)編碼處理單元，對總線數(shù)據(jù)接收編碼后通過RS422差分串行總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲部分。

圖4　數(shù)字量采集處理單元功能組成Fig.4　Functional components of digital data acquisition processing

數(shù)據(jù)存儲單元接收數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送的數(shù)據(jù)并進行存儲，其原理組成如圖6所示。數(shù)據(jù)存儲單元在FPGA的控制下，將RS422串行數(shù)據(jù)解碼緩存至固態(tài)電子硬盤。地面設(shè)備通過千兆以太網(wǎng)接口與彈載黑匣子通訊，可下載固態(tài)電子硬盤中存儲的數(shù)據(jù)。

圖5　RS485總線隔離電路原理圖Fig.5　Isolated circuit schematic diagram of RS485 bus

圖6　數(shù)據(jù)存儲單元原理組成Fig.6　Principle components of data storage unit

彈載黑匣子共83路數(shù)據(jù)輸入，固態(tài)電子硬盤存儲按下表1計算。

表1　電子硬盤存儲統(tǒng)計表

按照表1計算，記錄600 s數(shù)據(jù)所需存儲容量為

(80×2 kB+3×250 kB)×600=533 MB

配置8 GB存儲容量固態(tài)電子硬盤可存儲2 h以上數(shù)據(jù)。

2.4電源管理單元

電源管理單元提供黑匣子各功能單元的二次電源，其一次供電既可接彈上一次電源，也可接內(nèi)部鋰電池，功能組成如圖7所示。電源管理單元包含轉(zhuǎn)配電電路、接口保護電路、充電電路、一級換流模塊、二級換流模塊等，內(nèi)部配置鋰電池，實現(xiàn)黑匣子墜地后回收單元的供電，鋰電池容量要滿足回收單元4 h不間斷工作需求。

圖7　電源管理單元功能組成Fig.7　Functional components of power management unit

2.5回收單元

回收單元由射頻發(fā)射模塊、GPS定位模塊、天線組成，在黑匣子墜地后通過無線射頻模塊將接收到的GPS數(shù)據(jù)發(fā)送出去，GPS數(shù)據(jù)包含設(shè)備位置信息[12]。通過內(nèi)部電池供電，可在持續(xù)工作4 h以上?？紤]到設(shè)備落地方向不確定，在黑匣子外壁四周布置4個發(fā)射天線，以保證射頻信號的對外發(fā)射。

2.6結(jié)構(gòu)設(shè)計

彈載黑匣子要承受落地最大沖擊20 000g，其外殼設(shè)計至關(guān)重要。殼體采用雙層殼體結(jié)構(gòu)，外殼體2A12鋁，內(nèi)殼體Q235鋼，殼體采用整體加工而成，壁厚5～8 mm。數(shù)據(jù)存儲單元作為關(guān)重件采用獨立內(nèi)殼體，做進一步抗沖擊設(shè)計。

在內(nèi)殼和外殼之間，填充灌封膠作為設(shè)備的固定及減震[13]。數(shù)據(jù)存儲單元與其他部分的連接不使用電連接器，直接焊接電纜，內(nèi)外殼體之間的密封膠為泡沫膠，固化后具有彈性，可以起到吸收沖擊，強化結(jié)構(gòu)及隔熱的效果。內(nèi)殼體與外殼體沒有剛性連接，通過密封膠懸浮在外殼體艙室中，不會將外部沖擊受力直接傳遞到內(nèi)殼體。殼體內(nèi)各設(shè)備間也采用密封膠灌封。

3抗沖擊環(huán)境設(shè)計分析

彈載黑匣子在導(dǎo)彈爆炸或墜地時需要經(jīng)受住巨大沖擊，因此，抗沖擊設(shè)計是黑匣子設(shè)計的關(guān)鍵[14-15]。

以某型號導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部在空中爆炸為例，可由下式計算沖擊波超壓(MPa)：

(1)

(2)

式中：R為沖擊波波面距爆心距離，m；w為TNT當(dāng)量的裝藥量，kg；r為對比距離(m/kg3)。

按裝藥當(dāng)量等效為5 kgTNT，與戰(zhàn)斗部中心距離40 cm，接觸面積按直徑0.2 m的圓截面積計算：

13.278 MPa，

83 385.84 m/s2=8 508g.

通過理論計算，彈載黑匣子所受沖擊為8 500g左右。

由上述計算過程可知，爆炸沖擊波的大小與裝藥量、沖擊接觸面積、彈載黑匣子的質(zhì)量及其安裝位置有關(guān)，在戰(zhàn)斗部裝藥量一定的情況下，通過減小沖擊接觸面積、存儲裝置質(zhì)量及增大與戰(zhàn)斗部的距離可減小爆炸沖擊當(dāng)量，從而減小對彈載黑匣子的沖擊。其中，增大安裝距離最為有效，因此為了確保數(shù)據(jù)存儲部分可靠回收，彈載黑匣子的安裝位置盡量遠離導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部。

4結(jié)束語

本文通過對彈載黑匣子設(shè)計技術(shù)的研究，系統(tǒng)地提出了數(shù)據(jù)采集、存儲、回收等設(shè)計方法，并對黑匣子抗沖擊特性進行了理論分析，為彈載黑匣子研制應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過進一步低成本設(shè)計，可廣泛用于各類列裝導(dǎo)彈，在導(dǎo)彈演習(xí)飛行試驗出現(xiàn)故障開展歸零時，黑匣子錄取的數(shù)據(jù)能夠提供充分、可靠的分析依據(jù)。

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Design Method of Black Casket in Missile

SHAO Yun-feng, CUI Yu-jiang

(Beijing Inst. of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

Abstract:Based on the theory of black casket in airplane, by using digital bus and interface resource, an overall scheme of black casket in missile and design method of its main functional unit are proposed through the key technology research of signal collection and storage, equipment callback, data storage, power Management etc. The relevant anti-shock environment test is analyzed. Key data of flying missile can be acquired through the black casket. The difficulty of trouble shooting due to lacking telemetry data is solved when a post-deployment missile is flying, and a new technology of data acquisition is also provided for the flight test of missile.

Key words:missile-borne; black casket; analog data acquisition; digital data acquisition; data storage; recover

*收稿日期：2015-08-18；修回日期：2015-10-05

基金項目：有

作者簡介：邵云峰(1971-)，男，江蘇宜興人。研究員，碩士，研究方向為導(dǎo)彈電氣與測發(fā)控總體設(shè)計。

通信地址：100854北京市142信箱30分箱17號E-mail：syf90092@sohu.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.032

中圖分類號：TN919

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2016)-02-0203-06