零長(zhǎng)發(fā)射方式無人機(jī)點(diǎn)火器設(shè)計(jì)

沈曉兵，孫亮，葉宏，高洪波，邊文昆，沈驊

（1.空軍預(yù)警學(xué)院，湖北武漢，430019；2.93110部隊(duì)，北京，100843；3.新昌技師學(xué)院，浙江紹興，312500）

0 引言

無人機(jī)的發(fā)射方式可分為手拋發(fā)射、零長(zhǎng)發(fā)射、彈射發(fā)射、滑跑起飛、母機(jī)空中發(fā)射、容器式發(fā)射裝置發(fā)射和垂直起飛等類型[1]。其中，零長(zhǎng)發(fā)射是保證無人機(jī)起飛的一種重要發(fā)射方式，發(fā)射過程為將無人機(jī)安裝在發(fā)射架上，先對(duì)無人機(jī)的助推火箭點(diǎn)火，在助推火箭的推力下，使無人機(jī)起飛并達(dá)到一定的速度后，無人機(jī)將助推火箭丟掉，主發(fā)動(dòng)機(jī)完成飛行任務(wù)。這種發(fā)射方式主要應(yīng)用于中、小型無人機(jī)，如英國(guó)的ASAT/“小鷹”（Merline）[2]、德國(guó)的RT-900 “巨嘴鳥”、意大利的“奎宿九星”(Mirach)、伊朗的卡拉爾以及國(guó)際合作的CL-289[3]等。要完成無人機(jī)的零長(zhǎng)發(fā)射，最核心的部件為助推火箭，如圖1 所示。助推火箭內(nèi)裝有藥柱，藥柱的燃燒需要由電爆火頭點(diǎn)火提供初始能量，電爆火頭點(diǎn)火依靠點(diǎn)火器提供的電能實(shí)現(xiàn)。在助推火箭點(diǎn)火時(shí)，火箭會(huì)發(fā)出大量的熱能，人不能靠近，因此需要遠(yuǎn)距離點(diǎn)火，針對(duì)這種情況，需進(jìn)行助推火箭的點(diǎn)火器設(shè)計(jì)。

圖1 伊朗卡拉爾無人機(jī)和機(jī)上的助推火箭

1 整體設(shè)計(jì)要求

對(duì)于零長(zhǎng)發(fā)射方式無人機(jī)點(diǎn)火器，具體設(shè)計(jì)要求如圖2所示。

圖2 點(diǎn)火器設(shè)計(jì)要求

（1）點(diǎn)火功能

為保證點(diǎn)火器對(duì)助推火箭的點(diǎn)火，要求點(diǎn)火器能夠輸出一定的電壓、電流，對(duì)于無人機(jī)助推火箭，要求點(diǎn)火電流不小于0.5A，測(cè)得助推火箭的電爆火頭阻值為8Ω ～12Ω，助推火箭與點(diǎn)火器連接的導(dǎo)線為長(zhǎng)導(dǎo)線，阻值為2Ω ～4Ω。

（2）檢測(cè)功能

在助推火箭點(diǎn)火前要求檢測(cè)點(diǎn)火器的電源電壓和電爆火頭的阻值，以確定點(diǎn)火器是否能為助推火箭提供足夠的點(diǎn)火電流，并確認(rèn)電爆火頭的好壞。對(duì)于電爆火頭阻值檢測(cè)，要求不能使用指針式萬用表。

（3）安全保護(hù)

點(diǎn)火器需要重點(diǎn)做好兩個(gè)防護(hù)，即防電池短路和防電爆火頭檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)。電池防短路需防止電池在為點(diǎn)火器提供點(diǎn)火電流時(shí)短路以及電池充電時(shí)的短路。在檢測(cè)電爆火頭電阻時(shí)，如果檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致電爆火頭因熱量積累而誤點(diǎn)火。對(duì)電爆火頭測(cè)試時(shí)間要求不大于15s。

2 點(diǎn)火器設(shè)計(jì)

根據(jù)前述點(diǎn)火器設(shè)計(jì)要求，對(duì)點(diǎn)火器進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

■2.1 整體設(shè)計(jì)

根據(jù)整體設(shè)計(jì)要求，繪制點(diǎn)火器組成框圖，如圖3 所示。點(diǎn)火器通過內(nèi)置充電器可以為電池充電，使用檢測(cè)儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓和電爆火頭阻值檢測(cè)。而點(diǎn)火器主電路則需要為電池充電、助推火箭點(diǎn)火、儀表檢測(cè)提供通路，還應(yīng)有安保電路防止助推火箭誤點(diǎn)火和電池短路，點(diǎn)火器主電路是整個(gè)點(diǎn)火器的核心。

圖3 點(diǎn)火器組成框圖

■2.2 點(diǎn)火器主電路設(shè)計(jì)

（1）電池及電池接口的選用

點(diǎn)火器在復(fù)雜的環(huán)境中工作，需要適應(yīng)較寬的溫度范圍，因此電池組采用鎳鎘電池，電池性能穩(wěn)定，高低溫性能良好，安全度高。單個(gè)鎳鎘電池的標(biāo)稱值為1.2V，為了保證輸出電流大于0.5A，電爆火頭和長(zhǎng)導(dǎo)線的阻值之和為16Ω，點(diǎn)火器輸出電壓至少應(yīng)為8V，為保證電爆火頭能可靠點(diǎn)火，采用8 個(gè)SC4500 型鎳鎘電池（4500mAh）串聯(lián)，以保證足夠的電流輸出。電池組采用無人機(jī)通用的XT60 插拔式連接接頭，與點(diǎn)火器其他電路連接，如圖4 所示，提高了點(diǎn)火器的通用性，使點(diǎn)火器可用無人機(jī)上常用的3S 電池替換。另外，充電器的輸出口也使用XT60 插頭，保證了對(duì)電池的充電。

圖4 點(diǎn)火器所用電池和XT60 電池插頭

（2）防短路設(shè)計(jì)

為了防止點(diǎn)火器短路，在電池輸出線上設(shè)置相應(yīng)的保險(xiǎn)絲，防止電池發(fā)生短路，在充電器輸出端也增加充電保險(xiǎn)絲，防止充電時(shí)的短路，該部分電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。充電保險(xiǎn)絲和電池保險(xiǎn)絲都采用常見的管狀保險(xiǎn)絲，易于更換。

圖5 點(diǎn)火器防短路電路

（3）電池電壓檢測(cè)和電爆火頭阻值檢測(cè)

點(diǎn)火器使用萬用表實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓和電爆火頭阻值的檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)用一塊萬用表完成對(duì)電池電壓和電爆火頭阻值的檢測(cè)，使用鈕子開關(guān)作為選測(cè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)電池電壓檢測(cè)和電爆火頭阻值檢測(cè)功能的切換。檢測(cè)電路如圖6 所示。

圖6 電池電壓和電爆火頭阻值檢測(cè)電路

考慮到電爆火頭的檢測(cè)時(shí)間不能超過15s，選測(cè)開關(guān)采用較大的自恢復(fù)鈕子開關(guān)，檢測(cè)電池電壓或電爆火頭阻值時(shí)需要扳動(dòng)鈕子開關(guān)，不檢測(cè)時(shí)鈕子開關(guān)自動(dòng)復(fù)位，且扳動(dòng)開關(guān)時(shí)需要用較大的力，可防止對(duì)電爆火頭阻值的長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)導(dǎo)致電爆火頭誤點(diǎn)火。萬用表使用性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、準(zhǔn)確度高的FLUKE15B 型萬用表，防止檢測(cè)電爆火頭時(shí)輸出電路過大。

（4）防檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

使用自恢復(fù)鈕子開關(guān)可在一定程度上防止對(duì)電爆火頭的檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)，但人為差錯(cuò)仍不可完全避免，因此，通過設(shè)計(jì)防止檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)電路可以進(jìn)一步保證檢測(cè)的安全性。如圖7 所示為設(shè)計(jì)的基于NE555 的保護(hù)電路，電路工作原理為：當(dāng)選測(cè)開關(guān)接至阻值檢測(cè)時(shí)，圖7 中的開關(guān)S1閉合，保護(hù)電路上電。NE555 接成施密特觸發(fā)器[4]，在R1和C1組成的充電電路控制電路下工作，上電的初始時(shí)刻，電容C1兩端的電壓為0，即NE555 的2 和6 引腳輸入低電平，NE555 的3 引腳輸出高電平，這時(shí)，直流繼電器K1 控制端通電，繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，萬用表可以檢測(cè)電爆火頭的阻值。隨著電容C1的充電，C1兩端電壓逐漸上升，當(dāng)C1兩端電壓UC1上升至NE555 的3 引腳輸出低電平，直流繼電器K1 斷開，萬用表與電爆火頭之間的檢測(cè)通路斷開，這時(shí)的充電時(shí)間記為t。當(dāng)S1 在任何時(shí)間斷開時(shí)，都能使NE555 的3 引腳輸出低電平，直流繼電器常開觸點(diǎn)斷開，萬用表停止對(duì)電爆火頭的檢測(cè)。電容C1兩端的電壓UC1從0 上升至所用時(shí)間t 為：

圖7 防檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)保護(hù)電路

時(shí)間t 即防檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)保護(hù)電路的檢測(cè)限制時(shí)間，當(dāng)選測(cè)開關(guān)接至電阻檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間超過t 后，萬用表與電爆火頭的通路被切斷，能有效防止因檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致電爆火頭誤點(diǎn)火。

因?qū)﹄姳痤^測(cè)試時(shí)間要求不大于15s，將檢測(cè)限制時(shí)間t 設(shè)置為12s，選取電容C1為100μF，計(jì)算得R1的理論值為109kΩ，可選取110kΩ 電阻或者電位器，通過電位器調(diào)節(jié)時(shí)間t。

（5）整體電路

設(shè)計(jì)的整體電路如圖8 所示，電路中還使用了一個(gè)點(diǎn)火準(zhǔn)備開關(guān)和兩個(gè)自復(fù)位點(diǎn)火開關(guān)進(jìn)一步防止點(diǎn)火器的誤點(diǎn)火。點(diǎn)火時(shí)的具體操作為打開點(diǎn)火準(zhǔn)備開關(guān)，按下自復(fù)位點(diǎn)火開關(guān)1，再按下自復(fù)位點(diǎn)火開關(guān)2，電池為電爆火頭供電，電爆火頭點(diǎn)火，啟動(dòng)無人機(jī)的助推火箭。同時(shí)將圖6 中的6 腳自復(fù)位開關(guān)升級(jí)為9 腳自復(fù)位開關(guān)，多出的一路開關(guān)控制防檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)電路的供電，替代圖7 中的開關(guān)S1。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)的點(diǎn)火器如圖9、圖10 所示，點(diǎn)火器實(shí)現(xiàn)了電爆火頭的點(diǎn)火、阻值檢測(cè)以及點(diǎn)火器電池電壓檢測(cè)。并測(cè)得萬用表能對(duì)電爆火頭檢測(cè)的最長(zhǎng)時(shí)間為12.2s，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖9 點(diǎn)火器

圖10 電爆火頭檢測(cè)時(shí)間上限

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的零長(zhǎng)發(fā)射方式無人機(jī)點(diǎn)火器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)火器內(nèi)電池電壓檢測(cè)、電爆火頭阻值檢測(cè)、電池防短路、電爆火頭點(diǎn)火等功能，并設(shè)計(jì)了基于NE555 接成的施密特觸發(fā)器的防止電爆火頭阻值檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)電路，使點(diǎn)火器在能夠完成助推火箭點(diǎn)火的前提下，具有較高的安全性。