CN110287050A - 一种栅格舵自主配电时序控制装置 - Google Patents

一种栅格舵自主配电时序控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明一种栅格舵自主配电时序控制装置，包括综合配电器与自主式时序控制器；综合配电器在火箭起飞前连接电池，负责导航单机供电；火箭一二级分离后，综合配电器向自主式时序控制器供电，实现安全锁功能；所述综合配电器还具有火工品线路限流功能；自主式时序控制器用于引爆栅格舵拔销器和激活热电池；自主式时序控制器通电自检后开始计时，依据可擦写存储器中的时序数据，接通功率管，点燃栅格舵翼面拔销器，启动热电池。

Description

一种栅格舵自主配电时序控制装置
技术领域
本发明涉及一种栅格舵自主配电时序控制装置，属于运载火箭供配电与时序控制领域。
背景技术
运载火箭供配电部分负责火箭单机供电。火箭平台、箭机、速率陀螺等单机在通电时需要分组进行，避免加电时相互干扰。现有技术一般在箭上设置配电器，内置继电器或其他开关器件，用地面设备远程进行控制。前端地面设备通常距离火箭配电单机百米左右距离，而测试控制中心距离火箭通常几千米距离。测试需要在发射架井道中铺设测试电缆，连接前端地面设备与火箭。在地面测试时，测试控制中心发送配电指令到前端地面设备，前端地面设备控制火箭供配电装置对单机分组加电。
运载火箭时序控制器(程序指令配电器)负责在火箭飞行时，依据箭机指令，启动和关断各级伺服机构，引爆级间爆炸螺栓和发动机点火与关机电爆阀门等火工品、控制星箭分离等功能。现有技术一般使用箭上计算机负责导航运算，同时进行计时，依据时序要求发出时序地址码，箭上程序指令配电器进行解码并控制开关器件引爆级间爆炸螺栓、发动机电爆阀门或者电磁阀动作。程序指令配电器在火箭起飞前加电并处于等待指令状态工作，通常设有安全措施，在起飞一定时间后，箭机发指令解除安全措施。通常，地面测试甚至单机测试时，时序测试需要箭上计算机参与。
运载火箭时序控制部分还包括电阻盒，其内部安装限流电阻，用于调节火工品引爆电流。选取适当阻值的电阻与火工品串联，可以调节火工品线路的总阻值，调节火工品引爆电流，同时防止火工品炸后短路影响其他单机工作。
运载火箭时序控制对运载火箭安全具有重大影响，历史上多次出现时序控制故障引起箭毁人亡的重大事故。时序控制设计时需设置多重安全保护措施，比如在输出端保护继电器，在火箭起飞前闭合；使用多个继电器串并联控制输出；设置保护时间，起飞后一定时间锁定输出等。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种栅格舵自主配电时序控制装置，该装置体积小可安装于狭窄的火箭级间段；能够作为火箭附加系统，与主任务各系统独立，工作时不影响发射主任务；能自主计时并发出栅格舵解锁与热电池启动指令；维护测试成本尽可能地低。
本发明的技术方案是：一种栅格舵自主配电时序控制装置，包括综合配电器与自主式时序控制器；综合配电器在火箭起飞前连接电池，负责导航单机供电；火箭一二级分离后，综合配电器向自主式时序控制器供电，实现安全锁功能；所述综合配电器还具有火工品线路限流功能；自主式时序控制器用于引爆栅格舵拔销器和激活热电池；自主式时序控制器通电自检后开始计时，依据可擦写存储器中的时序数据，接通功率管，点燃栅格舵翼面拔销器，启动热电池。
所述综合配电器使用电磁继电器实现配电功能；综合配电器共有6个接插口，两个接插口X1、X2与电池连接，一个接插口X3与导航单机连接，一个接插口X6与自主式时序控制器连接，一个接插口X5与栅格舵的解锁火工品连接，一个接插口X4用于测量；
所述接插口X1内接点包含电池正负极输入和火箭一、二级级间分离信号；火箭未分离时，分离信号两点间为连通状态导线，当火箭分离时，两点间导线断开；接插口X2连接电池正极，用于时序控制器供电；配电器内部有两组继电器K1和K2，其中继电器K1线包一端与配电器内正线连接，一端连接分离信号再连接至负母线；继电器K1的常闭触点与继电器K2的第一组常开触点并联后，一端连接X2插座，另一端连接继电器K2的第二组常开触点和继电器K2的线包一端；继电器K2的线包另一端连接至配电器内部负线；继电器K2的第二组常开触点另一端连接至时序控制器配电接插口X6。配电器内负母线在插头连接好后，与电池负极和各单机负极直接连接。
加电前连接接插口X3-X6电缆；加电时，先连接插口X1，再连接插口X2；接插口X1连接后，配电器内正线和负母线与电池连接，通过接插口X3对导航单机供电；此时分离信号为导通状态，继电器K1线圈通过分离信号与配电器正负线连接通电，继电器K1常闭触点断开；随后连接插口X2，继电器K2触点为断开状态，时序控制器未供电；。火箭一二级分离后，分离信号断开，继电器K1线圈断电，继电器K1常闭触点接通，随后继电器K2线包通电，继电器K2触点闭合，继电器K2通过第一组触点处于自保持状态，此时配电器通过第二组触点对时序控制器供电。
综合配电器内部还设置有12个火工品限流电阻，该电阻与火工品串联，调节最多12路火工品线路阻值，调整火工品引爆电流；此外火工品引爆后出现瞬间短路时，这条火工品线路上的电阻会熔断，保护供电线路。
所述自主式时序控制器包括电源模块、CPU模块、4个隔离驱动模块，提供4路时序输出；电源模块采用DC/DC电路将外部提供的+28V直流电源转换为+5V直流电源为其他模块供电；CPU模块为四冗余设计，由四组相同的CPU1-4电路组成，CPU电路输入为1、2及分离信号，CPU1-4分别控制每个隔离驱动模块的功率管1-4，实现冗余控制功能。
时序控制器加电后，CPU检测分离信号，确认分离后，开始计时，计时结束发送火工品接通指令给隔离驱动模块；隔离驱动模块采用功率管作为开关器件；每个隔离驱动模块使用4个功率管，功率管1与2并联，3与4并联，随后再串联起来负责一路输出，实现冗余输出功能；4个隔离模块总共提供4路时序输出。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)现有火箭时序控制设备一般在火箭地面发射前加电。为防止时序系统在地面测试中误动作，通常在火工品通道中保护继电器作为安全措施，然而保护错误也存在失效风险。栅格舵系统安装于火箭1子级，在火箭1、2级分离开始工作，因此本发明中采用综合配电器在地面加电、时序控制器在火箭1、2级分离后加电的方案，可以最大限度减小栅格舵系统对火箭发射主任务的风险；
(2)时序控制器采用冗余设计，其中控制部分采用4个CPU计时，输出部分采用4个功率管串并联实现，任意一个CPU或者开关管故障，不会引起时序系统失效；
(3)本装置简单可靠，设备体积小，适合安装在空间狭小的火箭一子级；
(4)供配电无需地面设备控制，测试时仅需一台笔记本，对测试场地没有限制，可以在发射塔架活动平台等处进行测试。
附图说明
图1为综合配电器框图。
图2为时序控制器框图。
图3是时序控制器模块图。
图4是时序控制器驱动模块串并联冗余设计示意图。
具体实施方式
栅格舵系统安装在火箭1子级，主要用于运载火箭一子级落点导航与控制。本系统设计的基本原则，是优先保证发射主任务的安全。栅格舵系统对运载火箭主任务的最大隐患，就是时序系统出现故障，导致栅格舵翼面提前打开。因此本发明采用时序控制器空中加电的方案，隔绝栅格舵系统对运载火箭主任务的风险。
本发明包括2个单机：综合配电器用于起飞前导航单机通电，同时在火箭1、2级分离后给自主式时序控制器配电；时序控制器负责具有较大风险的火工品引爆任务，在火箭1、2级分离后加电自动计时开始工作。
综合配电器内部包括配电部分和限流电阻部分。由图1可见，综合配电器共有6个接插口，两个接插口X1、X2与电池连接，一个接插口X3与导航单机连接，一个接插口X6与时序控制器连接，一个接插口X5与栅格舵解锁火工品连接，一个接插口X4用于测量；X1接插口内接点包含电池正负极输入和火箭1、2级级间分离信号；火箭未分离时，分离信号两点间为连通状态导线，当火箭分离时，两点间导线断开；X2接插口连接电池正极，用于时序控制器供电；配电器内部有两组继电器K1和K2，其中继电器K1线包一端与配电器内正线连接，一端连接分离信号再连接至负母线。继电器K1的常闭触点与继电器K2的第一组常开触点并联后，一端连接X2插座，另一端连接继电器K2的第二组常开触点和继电器K2的线包一端；继电器K2的线包另一端连接至配电器内部负线；继电器K2的第二组常开触点另一端连接至时序控制器配电接插口X6。配电器内负母线在插头连接好后，与电池负极和各单机负极直接连接。
加电前连接X3-X6接插口电缆。加电时，先连接插口X1，再连接插口X2。接插口X1连接后，配电器内正线和负母线与电池连接，通过接插口X3对导航单机供电；此时分离信号为导通状态，继电器K1线圈通过分离信号与配电器正负线连接通电，继电器K1常闭触点断开。随后连接插口X2，继电器K2触点为断开状态，时序控制器未供电；。火箭一二级分离后，分离信号断开，继电器K1线圈断电，继电器K1常闭触点接通，随后继电器K2线包通电，触点闭合，继电器K2通过第一组触点处于自保持状态，此时配电器通过第二组触点对时序控制器供电。
实际配电器中，K1、K2均采用双继电器并联冗余设计，提高设计安全性。
综合配电器限流电阻部分包括一块包含12个限流电阻(TRY-A)的线路板，可以用于调节最多12路引爆线路电流，确保火工品在合适的电流范围内引爆。由于火工品引爆后可能会出现搭线等异常状态，限流电阻能够在短路时迅速烧断，隔离短路点。
综上，综合配电器设计用于发射前导航单机供电和火箭1、2级分离后时序控制器供电，保证火箭主任务安全不受栅格舵时序故障影响。
自主时序控制器原理框图见图2。控制器由电源模块、CPU模块、4个相同的隔离驱动模块共6个模块构成，见图3。每个模块单独设计一块PCB板。控制器可以控制4路时序输出，必要时可以扩展。
电源模块将配电器输入的直流+28V经DC/DC变换转化为直流+5V，给其它模块供电。
CPU模块包含4组相同的控制电路。外部的级间分离信号，经过输入信号接口电路进行电平转换后给CPU，CPU检测到任一路分离信号后根据程序和预先存储的时序控制输出，输出信号由信号锁存电路稳定后输出，再由接口匹配电路进行电平转换(3.3V转5V)，由隔离驱动电路所需的OC门输出。
锁存电路的主要功能是将CPU的输出信号锁存，目的是防止CPU在上电初始化过程中IO口的不确定状态造成错误输出，信号匹配电路采用OC输出，用于匹配隔离驱动电路DCP所需的控制输入。
隔离驱动电路的输出端直接与火工品相连，采用DCP+功率管实现。由于功率管同时存在开路和短路两种失效模式，因此每个时序输出采用并串冗余共4个功率管进行容错设计。每个功率管由不同的CPU指令控制，任一CPU或者驱动电路故障，不会影响控制器工作，如图4。
时序控制器的特点可以独自接收分离信号，自主计时并发出时序控制指令；设计上采用4个CPU同时计时控制，每路输出使用4个功率管串并联设计，保证时序输出安全可靠。
全套系统设计完成后，综合配电器重量约2.4kg，体积约275×140×110mm，时序控制器重量约2.6kg，体积约225×154×128mm。该套装置能够满足栅格舵配电与时序控制的全部功能，并能够安装于火箭一子级箱间段空间内。
本系统测试时，仅需连接综合配电器上的测试接口，使用一台笔记本即可完成测试，对测试场地要求较小，可以在发射塔活动平台进行。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种栅格舵自主配电时序控制装置，其特征在于：包括综合配电器与自主式时序控制器；综合配电器在火箭起飞前连接电池，负责导航单机供电；火箭一二级分离后，综合配电器向自主式时序控制器供电，实现安全锁功能；所述综合配电器还具有火工品线路限流功能；自主式时序控制器用于引爆栅格舵拔销器和激活热电池；自主式时序控制器通电自检后开始计时，依据可擦写存储器中的时序数据，接通功率管，点燃栅格舵翼面拔销器，启动热电池。
2.根据权利要求1所述的一种栅格舵自主配电时序控制装置，其特征在于：所述综合配电器使用电磁继电器实现配电功能；综合配电器共有6个接插口，两个接插口X1、X2与电池连接，一个接插口X3与导航单机连接，一个接插口X6与自主式时序控制器连接，一个接插口X5与栅格舵的解锁火工品连接，一个接插口X4用于测量。
3.根据权利要求2所述的一种栅格舵自主配电时序控制装置，其特征在于：所述接插口X1内接点包含电池正负极输入和火箭一、二级级间分离信号；火箭未分离时，分离信号两点间为连通状态导线，当火箭分离时，两点间导线断开；接插口X2连接电池正极，用于时序控制器供电；配电器内部有两组继电器K1和K2，其中继电器K1线包一端与配电器内正线连接，一端连接分离信号再连接至负母线；继电器K1的常闭触点与继电器K2的第一组常开触点并联后，一端连接X2插座，另一端连接继电器K2的第二组常开触点和继电器K2的线包一端；继电器K2的线包另一端连接至配电器内部负线；继电器K2的第二组常开触点另一端连接至时序控制器配电接插口X6。配电器内负母线在插头连接好后，与电池负极和各单机负极直接连接。
4.根据权利要求3所述的一种栅格舵自主配电时序控制装置，其特征在于：加电前连接接插口X3-X6电缆；加电时，先连接插口X1，再连接插口X2；接插口X1连接后，配电器内正线和负母线与电池连接，通过接插口X3对导航单机供电；此时分离信号为导通状态，继电器K1线圈通过分离信号与配电器正负线连接通电，继电器K1常闭触点断开；随后连接插口X2，继电器K2触点为断开状态，时序控制器未供电；。火箭一二级分离后，分离信号断开，继电器K1线圈断电，继电器K1常闭触点接通，随后继电器K2线包通电，继电器K2触点闭合，继电器K2通过第一组触点处于自保持状态，此时配电器通过第二组触点对时序控制器供电。
5.根据权利要求3所述的一种栅格舵自主配电时序控制装置，其特征在于：综合配电器内部还设置有12个火工品限流电阻，该电阻与火工品串联，调节最多12路火工品线路阻值，调整火工品引爆电流；此外火工品引爆后出现瞬间短路时，这条火工品线路上的电阻会熔断，保护供电线路。
6.根据权利要求1所述的一种栅格舵自主配电时序控制装置，其特征在于：所述自主式时序控制器包括电源模块、CPU模块、4个隔离驱动模块，提供4路时序输出；电源模块采用DC/DC电路将外部提供的+28V直流电源转换为+5V直流电源为其他模块供电；CPU模块为四冗余设计，由四组相同的CPU1-4电路组成，CPU电路输入为1、2及分离信号，CPU1-4分别控制每个隔离驱动模块的功率管1-4，实现冗余控制功能。
7.根据权利要求1所述的一种栅格舵自主配电时序控制装置，其特征在于：时序控制器加电后，CPU检测分离信号，确认分离后，开始计时，计时结束发送火工品接通指令给隔离驱动模块；隔离驱动模块采用功率管作为开关器件；每个隔离驱动模块使用4个功率管，功率管1与2并联，3与4并联，随后再串联起来负责一路输出，实现冗余输出功能；4个隔离模块总共提供4路时序输出。
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