CN112130505A - 火工品点火控制电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的火工品点火控制电路及其方法，以起飞信号做为执行点火的输入条件，同时采取三取二判决标准并辅之以复位信号操作来抑制点火误操作，以光MOS继电器替代现有的电磁继电器的机械式输出，从而达到缩小空间占比、延长使用寿命，实现可靠地提高点火操控的精确度、避免因错误开闭信号的干扰而导致误激活现象的发生。火工品点火控制电路，包括三组起飞信号接收模块、三取二判决模块、复位模块、时序控制模块、防误安全模块和点火执行模块。

Description

火工品点火控制电路及其方法

技术领域

本发明涉及一种应用于运载火箭等航天器发射装置的新型火工品点火控制电路及其方法，属于航空航天技术领域。

背景技术

在国内外航空航天领域的航天器发射装置中普遍地使用有火工品，火工品点火控制方式通常应用于热电池激活、发动机点火、关键机械设备中的爆炸螺栓点火等场合。

现有应用的热电池是一种高温能源，其具有大功率放电、使用环境温度宽、储存时间长、激活快、结构紧凑等特点，从而得以在运载火箭等航天器以及载荷设备中得到广泛使用。火工品点火的成败对于航天器至关重要，因此要求火工品能够可靠地点火、且不漏激活、不误激活。

热电池使用前需要激活，由控制电路提供电流点爆内埋在热电池内部的火工品，火工品发热、点燃发火装置。如果热电池激活失败，则航天器的部分电路将失去能源供给，无法正常工作。目前固体发动机由地面发控系统给航天器火工品起爆电流，火工品起爆引燃发动机推进剂，推进剂按预设推力曲线产生预设推力，发动机开始工作。如果发动机点火失败，则航天器无法起飞。

如图1所示的现有火工品点火控制电路，为了实现准确点火而采用两个火工品电路同时点火方式，互为备份。每个火工品经过两个电磁继电器串联控制。四个继电器线圈J1～J4由时序控制模块控制，四个继电器开关K1～K4闭合断开实现火工品电流的通断控制。现有的点火控制电路及方法中，继电器都采用电磁继电器，电磁继电器的线圈需要较大的驱动电流，所以需要增加达林顿管等驱动能力较强的芯片，因而随之形成以下缺点与不足：一是，电磁继电器在闭合、断开的过程中容易产生拉弧，从而造成触点氧化。二是，电磁继电器体积较大、占用空间大，而且其内部机械装置的力学环境适应性较差，在恶劣的力学环境下，容易产生瞬间的误通、误断，降低了控制电路整体的操控可靠性。三是，虽然采用了继电器串联的方式避免电池误激活，但是所有继电器都由时序控制模块统一控制，若该时序控制模块或者其自身程序发生故障，则将直接地错误发出闭合信号，出现所有继电器同时闭合的现象，则误引爆火工品的风险较高。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本申请所述的火工品点火控制电路及其方法，在于解决上述现有技术存在的问题而提出一种全新的点火控制电路设计与方式，是以起飞信号做为执行点火的输入条件，同时采取三取二判决标准并辅之以复位信号操作来抑制点火误操作，以光MOS继电器替代现有的电磁继电器的机械式输出，从而达到缩小空间占比、延长使用寿命，实现可靠地提高点火操控的精确度、避免因错误开闭信号的干扰而导致误激活现象的发生。

为实现上述设计目的，所述的火工品点火控制电路，包括三组起飞信号接收模块、三取二判决模块、复位模块、时序控制模块、防误安全模块和点火执行模块；起飞信号接收模块连接自动脱落分离连接器以识别起飞信号的通断；三取二判决模块执行起飞信号的三取二判决并输出判决结果，三取二判决模块输出的判决结果分别输出至时序控制模块和防误安全模块；时序控制模块根据起飞信号的判决结果，决定是否点燃火工品；2个点火执行模块中的光MOS继电器分别串联控制一个火工品；复位模块连接时序控制模块和2个防误安全模块以仅输出复位信号；防误安全模块的输入信号是起飞判决结果、以及复位模块输出的复位信号，防误安全模块的输出信号是指令供电。

基于上述火工品点火控制电路的改进设计，本申请同时提出一种新型火工品点火控制方法，包括以下执行步骤：

1)设备加电流程

设备加电后，在最初时刻，各种供电电压处于上升阶段，在几毫秒时间段内，所有电压都会稳定，时序控制模块开始加载程序，在几十毫秒时间段内完成程序加载；

设备加电的复位时间段内，复位模块输出低电平复位信号。通过防误安全模块切断指令供电，避免火工品点火执行模块发送错误点火指令；

2)起飞流程

当航天器起飞后，自动脱落分离连接器断开，起飞信号接收模块输出高电平，经过三取二判决模块输出起飞判决结果(低电平)，起飞判决结果送给防误安全模块、时序控制模块，从硬件和软件两个角度控制火工品点火信号的输出；

3)点火流程

时序控制模块根据飞行器飞行状态按照预设时间点完成火工品点火流程；先输出“预令信号”(低电平有效)，几十毫秒后输出“动令信号”(低电平有效)，几百毫秒后撤销“动令信号”，间隔几十毫秒后撤销“预令信号”。

综上内容，本申请所述的火工品点火控制电路及其方法具有如下优点：

1、建立以起飞信号作为执行点火执行操作的前提输入条件，而且起飞判决结果分别通过软件和硬件两种方式控制点火执行，从而显著地降低误点火操作，点火执行条件更加符合航天器实际姿态控制结果。

2、对起飞信号进行三取二判决，以更具较高可靠性的判决结果控制火工品点火的执行，从而彻底地避免设备在起飞前错误地执行点火动作。

3、用复位信号抑制火工品点火的误操作，能够有效地避免设备在加电和程序加载过程中错误地执行点火动作，形成更为有效的误操作防范措施。

4、相对于以往的电磁继电器，本申请采用的光MOS继电器控制点火电压的输出，有利于提高在力学环境下的可靠性，缩小了电路整体空间占比与重量，延长了控制电路的使用寿命。

5、整体点火控制方式更为安全、有效，能够从整体上提高航天器发射执行的可靠性。

附图说明

以下附图是本申请具体实施方式的举例说明。

图1是现有火工品点火控制电路的结构框图；

图2是本申请所述的火工品点火控制电路及其方法的结构框图；

图3是起飞信号接收模块的结构图；

图4是起飞信号三取二判决模块的结构图；

图5是复位模块的结构图；

图6是防误安全模块的结构图；

图7是点火执行模块的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的实施方案作进一步地说明。

实施例1，如图2所示，本申请所述的火工品点火控制电路，包括三组起飞信号接收模块、三取二判决模块、复位模块、时序控制模块、防误安全模块和点火执行模块。

其中，点火执行模块和时序控制模块是点火控制电路的核心，分别负责点火动作执行和点火时间控制，时序控制模块是独立的FPGA芯片；起飞信号接收模块、三取二判决模块、复位模块和防误安全模块，作用分别是为了提高点火执行的可靠性，复位模块是独立的复位芯片。具体地，

起飞信号接收模块

起飞信号接收模块连接自动脱落分离连接器。自动脱落分离连接器控制起飞信号的通断，起飞信号接收模块识别起飞信号的通断以生成起飞信号，并做为后续点火执行的输入条件。

如图3所示，起飞信号接收模块采用光耦电路，光耦输入端11串接电阻R1后连接自动脱落分离连接器的+28V，光耦输入端12连接自动脱落分离连接器的+28V地。光耦输出端13直接输出作为起飞指示信号，同时，输出端13串接电阻R2连接+3.3V。光耦输出端14连接+3.3V地。光耦OC1的输入端串接限流电阻R1，输出端采用电阻R2上拉。

自动脱落分离连接器插合时，起飞信号接收模块光耦导通，输出低电平；自动脱落分离连接器脱落时，起飞信号接收模块光耦未导通，输出高电平。

起飞信号接收模块有2个输入信号和1个输出信号，2个输入信号分别通过自动脱落分离连接器接到+28V、+28V地；输出信号是起飞指示信号，起飞信号接收模块被使用三次，共输出3个起飞指示信号，分别是起飞指示信号1、起飞指示信号2、起飞指示信号3，3个信号都连接到三取二判决模块。

本申请设计有三个并行的起飞信号接收模块，以同时判断起飞信号状态并分别地产生三个起飞指示信号，输出至三取二判决模块。

三取二判决模块

如图4所示，三取二判决模块执行起飞信号的三取二判决并输出判决结果，三取二判决模块输出的判决结果分别输出至时序控制模块和防误安全模块。

三取二判决模块有3个输入、1个输出，其中三个输入是起飞指示信号1、起飞指示信号2、起飞指示信号3，各连接1个起飞信号接收模块。输出是起飞判决结果信号，连接时序控制模块和2个防误安全模块。

若三个起飞指示信号形成两个或三个高电平(表示已经起飞)，则三取二判决模块输出低电平(表示已经起飞)；若三个起飞指示信号形成两个或三个低电平(表示未起飞)，则三取二判决模块输出高电平(表示未起飞)。

三取二判决模块用了6个三级管并分成三组，V1、V2一组，V3、V4一组，V5、V6一组。V1的发射极23与V2的集电极24连接，V2的发射极26连接+3.3V地。V3的发射极33与V4的集电极34连接，V4的发射极36连接+3.3V地。V5的发射极43与V6的集电极44连接，V6的发射极46连接+3.3V地。V1集电极21、V3集电极31、V5集电极41连接，形成起飞判断结果信号，同时，串接电阻R3连接+3.3V。

每个三级管基极串接1个电阻后连接起飞指示信号。V1的基极22串接电阻R4连接起飞指示信号1；V2的基极25串接电阻R5连接起飞指示信号2；V3的基极32串接电阻R6连接起飞指示信号2；V4的基极35串接电阻R7连接起飞指示信号3；V5的基极42串接电阻R8连接起飞指示信号3；V6的基极45串接电阻R9连接起飞指示信号1。

只要2个或者3个起飞指示信号高电平，就会有1组或者3组三极管导通，三取二判决模块输出低电平，否则输出高电平。

时序控制模块

时序控制模块是可编程器件，根据起飞信号的判决结果，决定是否点燃火工品，即是否执行激活电池的操作。

时序控制模块有2个输入4个输出，2个输入是起飞判决结果信号和复位信号，分别与三取二判决模块、复位模块连接，输出包含2组，每组包含1个预令信号和动令信号，每组信号连接1个火工品点火执行模块。

执行火工品点火时，时序控制模块先输出“预令信号”(低电平有效)，几十毫秒后输出“动令信号”(低电平有效)，几百毫秒后撤销“动令信号”，间隔几十毫秒后撤销“预令信号”。

时序控制模块的核心芯片使用FPAG，采用国产SRAM型芯片BQ2V6000BG676，配置芯片用SM32PVO48。晶振采用40MHz时钟。BQ2V6000BG676内部具备600万门逻辑单元，300MHz内部时钟速度，内部集成2592kbit的双端口RAM，16个全局时钟多路缓冲器，232个用户通用可编程I/O。通过用户通用编程I/O接收起飞指示判决结果，通过四个用户通用编程I/O输出火工品点火控制的预令信号和动令信号。FPGA程序中设计了延时计数器，并进行了计数器的三模冗余设计，控制指令发送的时刻。

点火执行模块

如图7所示，两个光MOS继电器VK1、VK2的MOS管串连，VK1的MOS管正端63连接+28V，VK1的MOS管负端64与VK2的MOS管正端67连接，VK2的MOS管负端68串火工品电阻R18输出，作为火工品正端。光MOS继电器的输入是光耦。光耦导通继电器导通，光耦断开继电器断开。光耦负端由FPGA控制，正端由指令供电信号提供电压。

指令供电串限流电阻R13连接VK1的光耦正端61，指令供电串限流电阻R16连接VK2的光耦正端65。预令信号连接VK1的光耦负端62，动令信号连接VK2的光耦负端66。VK1的光耦正端61和负端62之间跨接电阻R12，VK2的光耦正端65和负端66之间跨接电阻R15。VK1的光耦负端62连接上拉电阻R14，R14连接+3.3V，VK2的光耦负端66连接上拉电阻R17，R17连接+3.3V。

+28V地信号输出，作为火工品负端。

点火执行模块有3个输入信号2个输出信号，2个输入信号是预令信号、动令信号，都连接时序控制模块，另外1个输入信号是指令供电，与防误安全模块连接。2个输出信号分别是火工品正端、火工品负端。

点火执行模块控制+28V的输出。当指令供电高电平、预令信号低电平、动令信号低电平三个条件同时满足时，点火执行模块输出+28V电压；否则，点火执行模块输出高阻(断路)信号。

本申请设计使用2个点火执行模块，以分别控制一个火工品，两个火工品互为备份以防止漏激活。为了防止误点火，2个光MOS继电器串联控制一个火工品。每组火工品先导通一个供电继电器，50ms后再导通激活继电器。火工品导通200ms后断电，先断开激活继电器，50ms后再断开供电继电器。

复位模块

如图5所示，复位模块只输出复位信号，连接时序控制模块和2个防误安全模块。复位模块在设备加电之初输出低电平，设备加电200ms后输出高电平。

复位模块采用SM706T芯片，SM706T由+3.3V供电。

防误安全模块

防误安全模块的输入信号是起飞判决结果、以及复位模块输出的复位信号，防误安全模块的输出信号是指令供电。

如图6所示，复位信号串电阻R11连接光MOS继电器光耦正端51，起飞指示信号判决结果连接光MOS继电器光耦负端52。在光MOS的光耦输入的正端51与负端52之间跨接电阻R10。继电器中MOS管的正端53连接+3.3V，负端54作为指令供电输出。

防误安全模块有2个输入1个输出，第1个输入是复位信号，与复位模块连接，第2个输入是起飞判决结果信号，与三取二判决模块连接，输出是指令供电，防误安全模块被使用2次，每个防误安全模块输出1个指令供电，每个指令供电信号连接1个火工品点火执行模块。

当起飞判决结果低电平(表示起飞)、复位信号高电平(表示复位释放)，这2个条件同时满足时，防误安全模块输出高电平；否则，防误安全模块一直输出低电平。

即只有加电复位结束、起飞信号判决结果判决已起飞后，防误安全模块的指令供电才会输出高电平，才会允许时序控制模块、点火执行模块执行后续点火动作。

基于上述火工品点火控制电路的设计，本申请同时提出如下火工品点火控制方法，包括以下执行步骤：

1)设备加电流程

设备加电后，在最初时刻，各种供电电压处于上升阶段，在几毫秒时间段内，所有电压都会稳定，时序控制模块开始加载程序，在几十毫秒时间段内完成程序加载。

设备加电的复位时间段内，复位模块输出低电平复位信号。通过防误安全模块切断指令供电，避免火工品点火执行模块发送错误点火指令。

2)起飞流程

当航天器起飞后，自动脱落分离连接器断开，起飞信号接收模块输出高电平，经过三取二判决模块输出起飞判决结果(低电平)，起飞判决结果送给防误安全模块、时序控制模块，从硬件和软件两个角度控制火工品点火信号的输出。

3)点火流程

时序控制模块根据飞行器飞行状态按照预设时间点完成火工品点火流程。先输出“预令信号”(低电平有效)，几十毫秒后输出“动令信号”(低电平有效)，几百毫秒后撤销“动令信号”，间隔几十毫秒后撤销“预令信号”。

综上内容，结合附图中给出的实施例仅是优选方案。对于所属领域技术人员来说可以据此得到启示，而直接推导出符合本发明设计构思的其他替代结构，也应属于本发明所述的方案范围。

Claims (7)

1.一种火工品点火控制电路，其特征在于：包括三组起飞信号接收模块、三取二判决模块、复位模块、时序控制模块、防误安全模块和点火执行模块；

起飞信号接收模块连接自动脱落分离连接器以识别起飞信号的通断；

三取二判决模块执行起飞信号的三取二判决并输出判决结果，三取二判决模块输出的判决结果分别输出至时序控制模块和防误安全模块；

时序控制模块根据起飞信号的判决结果，决定是否点燃火工品；

2个点火执行模块中的光MOS继电器分别串联控制一个火工品；

复位模块连接时序控制模块和2个防误安全模块以仅输出复位信号；

防误安全模块的输入信号是起飞判决结果、以及复位模块输出的复位信号，防误安全模块的输出信号是指令供电。

2.根据权利要求1所述的火工品点火控制电路，其特征在于：所述的起飞信号接收模块采用光耦电路，光耦输入端11串接电阻R1后连接自动脱落分离连接器的+28V，光耦输入端12连接自动脱落分离连接器的+28V地；光耦输出端13直接输出作为起飞指示信号，同时，输出端13串接电阻R2连接+3.3V；光耦输出端14连接+3.3V地，光耦OC1的输入端串接限流电阻R1，输出端采用电阻R2上拉。

3.根据权利要求1所述的火工品点火控制电路，其特征在于：所述的三取二判决模块，采用6个三级管并分成三组，V1的发射极23与V2的集电极24连接，V2的发射极26连接+3.3V地；V3的发射极33与V4的集电极34连接，V4的发射极36连接+3.3V地；V5的发射极43与V6的集电极44连接，V6的发射极46连接+3.3V地；V1集电极21、V3集电极31、V5集电极41连接，形成起飞判断结果信号，串接电阻R3连接+3.3V。

当2个或者3个起飞指示信号高电平，则有1组或者3组三极管导通，三取二判决模块输出低电平，否则输出高电平。

4.根据权利要求1所述的火工品点火控制电路，其特征在于：所述的时序控制模块有2个输入4个输出，2个输入是起飞判决结果信号和复位信号，分别与三取二判决模块、复位模块连接；输出包含2组，每组包含1个预令信号和动令信号，每组信号连接1个火工品点火执行模块。

5.根据权利要求1所述的火工品点火控制电路，其特征在于：所述的点火执行模块，两个光MOS继电器VK1、VK2的MOS管串连，VK1的MOS管正端63连接+28V，VK1的MOS管负端64与VK2的MOS管正端67连接，VK2的MOS管负端68串火工品电阻R18输出，作为火工品正端；光MOS继电器的输入是光耦，光耦导通继电器导通，光耦断开继电器断开；光耦负端由FPGA控制，正端由指令供电信号提供电压；

指令供电串限流电阻R13连接VK1的光耦正端61，指令供电串限流电阻R16连接VK2的光耦正端65；预令信号连接VK1的光耦负端62，动令信号连接VK2的光耦负端66；VK1的光耦正端61和负端62之间跨接电阻R12，VK2的光耦正端65和负端66之间跨接电阻R15；VK1的光耦负端62连接上拉电阻R14，R14连接+3.3V，VK2的光耦负端66连接上拉电阻R17，R17连接+3.3V；

+28V地信号输出，作为火工品负端。

6.根据权利要求1所述的火工品点火控制电路，其特征在于：所述的防误安全模块，复位信号串电阻R11连接光MOS继电器光耦正端51，起飞指示信号判决结果连接光MOS继电器光耦负端52；在光MOS的光耦输入的正端51与负端52之间跨接电阻R10；继电器中MOS管的正端53连接+3.3V，负端54作为指令供电输出。

7.应用如权利要求1至6任一所述火工品点火控制电路的控制方法，其特征在于：包括以下执行步骤，

1)设备加电流程

设备加电后，在最初时刻，各种供电电压处于上升阶段，在几毫秒时间段内，所有电压都会稳定，时序控制模块开始加载程序，在几十毫秒时间段内完成程序加载；

设备加电的复位时间段内，复位模块输出低电平复位信号。通过防误安全模块切断指令供电，避免火工品点火执行模块发送错误点火指令；

2)起飞流程

当航天器起飞后，自动脱落分离连接器断开，起飞信号接收模块输出高电平，经过三取二判决模块输出起飞判决结果(低电平)，起飞判决结果送给防误安全模块、时序控制模块，从硬件和软件两个角度控制火工品点火信号的输出；

3)点火流程

时序控制模块根据飞行器飞行状态按照预设时间点完成火工品点火流程；先输出“预令信号”(低电平有效)，几十毫秒后输出“动令信号”(低电平有效)，几百毫秒后撤销“动令信号”，间隔几十毫秒后撤销“预令信号”。

Images