CN114180016B - 潜艇应急救生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种潜艇应急救生装置，包括多个燃气发生器和电控系统，部分燃气发生器安装在潜艇前端载水仓，另一部分燃气发生器安装在潜艇后端载水仓，所述电控系统分别与舰艇系统和燃气发生器，控制燃气发生器的工作状态。本发明选择有金属保护网的电缆作为系统的连接电缆，可有效保护系统在使用中由于意外而形成的通讯和电路的切断。电缆分配器由于使用在深水高压的环境，对其设计提出了较高的要求，设计采用高冗余设计，以应对较高的工作水压及燃气发生器工作时的气体冲击。
Description
技术领域
本发明涉及救生装置，具体地，涉及一种潜艇应急救生装置，尤其是一种新型高可靠低功耗的潜艇应急救生装置。
背景技术
潜艇应急救生装置是一种当潜艇水下故障发生时，可使潜艇快速上浮，进而将水下事故转化为水面事故的一种应急响应系统。潜艇在海底工作运行时，如果发生由于液压传动装置系统出故障或者深度变化的影响造成水平舵在下潜位置卡住使潜艇无控下潜、艇上操纵系统出故障或无响应、艇上失火爆燃和水进入耐压艇体等特别危险的情况时，必须使潜艇在最短的时间内尽可能快地上浮的紧急状况，将水下事故就转化为水面事故，将事故损失降到最低。现役潜艇应急救生装置很多采用人工方式进行手动操作，耗费体力的同时速度的提高也很有限；部分采用阀门控制的装置响应时间和可靠性也无法达到快速响应的要求。
在公开号为CN109398657A的中国专利文献中，公开了一种潜艇防沉救生装置属于潜艇救生系统，本装置由气囊，供气系统和发射控制系统组成。气囊用高强度、柔性合成纤维布做受力骨架，布的两面是高强度PVC涂层。用环绕式绑带和缆绳与潜艇连接。用手动或者电控自动控制气囊的发射和充气、排气。用潜艇自有的高压气给气囊充气。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种潜艇应急救生装置。
根据本发明提供的一种潜艇应急救生装置，包括多个燃气发生器和电控系统，部分燃气发生器安装在潜艇前端载水仓，另一部分燃气发生器安装在潜艇后端载水仓，所述电控系统分别与舰艇系统和燃气发生器，控制燃气发生器的工作状态。
优选的，所述电控系统包括电缆分配器、连接电缆、就地控制装置、中央控制单元以及舰艇通信单元；
所述电缆分配器用于连接就地控制装置和燃气发生器，所述燃气发生器上连接的电缆汇集于电缆分配器，来自电缆分配器的电缆与就地控制装置连接；
所述连接电缆用于连接各设备单元；
所述就地控制装置包括前端就地控制装置和后端就地控制装置，所述前端就地控制装置用于连接位于前端载水仓的燃气发生器，所述后端就地控制装置用于连接位于后端载水仓的燃气发生器；
所述就地控制装置均包括控制芯片、蓄电池、电源电池监控电路、面板通信电路、功率放大电路以及传感器信号接收电路；
所述中央控制单元包括CPU、电源监控电路、CAN总线收发电路以及面板数据交互电路；
所述舰艇通信单元包括舰艇数据总线，所述舰艇通信单元与中央控制单元通信连接。
优选的，所述电缆分配器通过密封壳体紧扣固定于在主压载水舱的内壁，位于主压载水舱内的连接电缆上包裹有金属软管。
优选的，所述蓄电池对就地控制装置的其他设备以及燃气发生器进行供电，所述蓄电池采用电池组并联的方式按照150％的冗余设计。
优选的，所述电源电池监控电路与蓄电池连接，调节和监控蓄电池的输出，所述电源电池监控电路包括DC-DC模块和线性稳压器，在对就地控制装置的数字电路供电时采用DC-DC模块，对控制芯片供电时采用不同线性稳压器。
优选的，所述功率放大电路包括大功率晶闸管、固态继电器和保护电阻，所述功率放大电路输出的电流脉冲宽度根据燃气发生器的电气性能进行调节，所述电流脉冲宽度调整范围为10ms～50ms。
优选的，所述传感器信号接收电路包括电压信号采集模块和电流信号采集模块，所述传感器信号接收电路用于接收燃气发生器的状态信号。
优选的，所述连接电缆采用带有金属保护网的电缆。
优选的，所述CPU采用MSP430F44X处理器。
优选的，所述舰艇通信单元包括舰艇数据总线，所述舰艇数据总线分别连接中央控制单元和舰艇系统，所述舰艇数据总线采用总线式网络拓扑结构。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明选择有金属保护网的电缆作为系统的连接电缆，可有效保护系统在使用中由于意外而形成的通讯和电路的切断。
2、电缆分配器由于使用在深水高压的环境，对其设计提出了较高的要求，设计采用高冗余设计，以应对较高的工作水压及燃气发生器工作时的气体冲击。
3、本发明设计了不间断电源系统，作为潜艇救生系统的能量核心，不间断电源的工作状态影响整个系统的运行，为确保在外部电源切断的状态下可以启动全部的燃气发生装置，电源采用蓄电池并联的方式并进行150％的冗余设计，可提供足够的驱动电流。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中潜艇救生系统总体框图；
图2为本发明实施例中前后端就地控制装置原理框图；
图3为本发明实施例中前端就地控制装置面板示意；
图4为本发明实施例中后端就地控制装置面板示意；
图5为本发明实施例中中央控制单元面板示意；
图6为本发明实施例中潜艇应急救生装置的驱动控制流程。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
系统组成包括数个燃气发生器和电控系统。其中电控系统又包括电缆分配器、连接电缆、前端就地控制装置、后端就地控制装置、中央控制单元及舰艇通信单元等主要部件，原理框图见图1。
燃气发生器主要存储高压气体，在紧急启动后通过打开高压阀门，迅速释放高压气体，快速排除潜艇载水仓中的水。燃气发生器采用运载型号用大功率燃气发生器，燃气温度650～900℃，余氧系统为0.05～0.08，质量流量密度为20～80g/(cm2.s),前端载水仓安装10个燃气发生器，后端载水仓安装4个燃气发生器，保证在20s内将载水仓中的水全部排出。
电控系统中的核心部分是前后端就地控制装置和中央控制单元，如图2所示，前端就地控制装置和后端就地控制装置，就地控制装置包括控制芯片、蓄电池、电源电池监控电路、面板通信电路、功率放大电路以及传感器信号接收电路。
控制芯片采用TI公司出品的微处理器MPS430F44X系列芯片为主控芯片、蓄电池、电源电池监控电路、CAN总线收发电路、功率放大电路及传感器信号接收电路组成。其中以低功耗MSP430F44X系列处理器组成最小系统，作为控制核心装置；以蓄电池组为供电电源，机构轻便小巧。主要功能为将中央控制单元产生控制信号转化为驱动信号驱动预案设定的燃气发生装置。应急手动驱动预案外燃气发生装置的功能及燃气发生装置状态信号采集处理显示于面板并通过总线传递中央控制单元。
MSP430F44X是一个16位采用精简指令集(RISC)结构处理功能强大的处理器。在8MHz晶振驱动下指令周期位125ns，运行环境为-40～+85℃，在低功耗模式下可实现2μA甚至0.1μA的低功耗，大大延长了电池的寿命。
功率放大电路具有将就地控制装置产生的控制动作信号转换为可驱动燃气发生装置电爆阀的大电流信号的功能。功率放大电路由大功
率晶闸管、固态继电器和保护电阻组成，根据就地控制装置的接收的控制动作指令，打开指令相对应的驱动通路，电源功率经过放大电路，形成瞬时大电流，驱动对应的燃气发生装置，完成控制指令动作，其电流脉冲宽度根据燃气发生装置电爆阀的电气性能可调，调整范围为10ms～50ms。
蓄电池除了给就地控制装置提供稳定的电源外，还须驱动燃气发生装置，故采用电池组并联的方式按照150％的冗余设计获得足够大的电流驱动燃气发生装置的电爆阀。电源监控电路主要功能是确保系统稳定供电，由DC-DC模块和线性稳压器组成，在数字电路部分采用DC-DC模块实现电压的稳定供给，对处理器部分所需的多电压，分别采用不同线性稳压器给其供电，对于AD转换器工作电流很小且对电源稳定性要求高的部分直接使用线性稳压器给其供电。
CAN总线收发电路，采用总线式网络拓扑结构，具有多主传送方式，节省网络上的数据流量，提高传输效率。CAN通讯硬件采用Philips公司的SJA1000型CAN总线控制器，它是一款独立的CAN总线控制器，主要用于工业环境。同时，线路上采用屏蔽电缆以避免射频干扰，提高总线数据传输的稳定性。
传感器信号接收电路主要由电压信号采集模块和电流信号采集模块组成，接收潜艇工作状态、渗漏进水情况的信号。
前端在就地控制装置的面板如图3所示，面板按键上采用具有带有误操作保护的防水按钮，分别对应紧急状态下燃气发生装置的动作指令。蓄电池更换提醒指示灯提醒用户当前电池老化状态，随时更换电池。
后端就地控制装置原理组成与前端就地控制装置相同，面板如图4所示，面板按键上采用具有带有误操作保护的防水按钮，分别对应紧急状态下燃气发生装置的动作指令。蓄电池更换提醒指示灯提醒用户当前电池老化状态，随时更换电池。
中央控制单元是整个电控系统的指挥部。中央控制单元包括CPU、电源监控电路、CAN总线收发电路、以及面板数据交互电路。中央控制单元的CPU采用MSP430F44X系列处理器，其工作电压为1.8～3.6V，正常工作时功耗可控制在200μA左右，低功耗模式可实现2μA甚至0.1μA的低功耗，芯片具有高集成度，集成了12位的A/D转换器、多个定时器、以及片内看门狗和LCD驱动器。通过不间断电源对中央控制单元进行供电，外扩电源监控电路、及面板数据交互电路，具有实时显示系统工作模式及各部分功能工作状态、接收面板和就地控制装置的控制指令、驱动指令相对应的燃气发生装置、以及与舰艇通讯的功能。
如图6所示，系统软件根据预先设定好的工作程序完成控制程序。单机上电后即启动主程序，首先完成系统的初始化设置(主要包括接口的设置、A\D转换的设置、看门狗的设置、控制输出的设置、CAN总线遥测接口的设置、各个定时计数器的设置、数据存储器的初始化等)，同时对各个接口以及数据存储器完成自检，通过自检后则执行驱动控制程序。
中央控制单元的面板示意如图5所示，中央控制单元主要实现以下功能：
1)接收舰艇系统潜艇状态信号并根据指定算法处理数据形成控制预案；
2)读取和发送数据至CAN总线控制器；
3)接收面板上手动控制信号；
4)根据设定优先级顺序，处理形成驱动控制信号；
5)根据要求形成自动系统测试信号。
舰艇数据通信单元主要包括CAN总线收发电路及舰艇数据总线。其中CAN总线收发电路主要实现与就地控制装置的的实时通信，保证准确安全及时的接受就地控制装置的控制指令，这部分电路与就地控制装置的CAN总线收发电路相同，确实保证了之间的通讯质量。而舰艇数据总线是潜艇救生系统与舰艇指挥系统的通讯保证，将救生系统的各个传感器状态及燃气发生装置的开关状态实时传送给舰艇指挥系统，中央控制单元通过舰艇数据总线接收舰艇深度、速度、姿态等信号，经过预先设定好的救生预案算法产生应急救生预案，显示于其面板。
电缆分配器是连接舰艇内部控制单元与外部燃气发生装置的电路连接枢纽，提供各种传感器信号及电流控制信号的电气通路。电缆分配器由于使用在深水高压的环境，对其设计提出了较高的要求，设计采用高冗余设计，以应对较高的工作水压及燃气发生器工作时的气体冲击。电缆分配器安装于主压载水仓内壁上。高强度密封壳体紧扣固定于载水仓内壁，耐压隔水穿舱插座与特制水下电缆实现与燃气发生装置的电气连接，其中载水仓内的各种电连接器均采用宇航级连接器，既具有良好的电器特性，同时也具有优异的气密性、抗冲击、耐腐蚀等机械及物理特性。水下特制电缆外部采用耐腐蚀的金属软管包裹，具有一定的可塑性，固定于载水仓内壁，可有效降低冲击对电路的影响。
以上所述各部分的连接关系如下：
燃气发生器安装在潜艇的主压载水舱，与燃气发生器的电缆连接汇集于电缆分配器。来自电缆分配器的电缆穿过耐压艇体和主压载水舱之间的进口连接到前、后端就地控制装置，前、后端就地装置与位于潜艇主控室的中央控制单元通过CAN总线连接进行数据交换，而中央控制单元通过舰艇数据总线接收舰艇深度、速度、姿态等信号，经过预先设定好的救生预案算法产生应急救生预案，显示于其面板，指挥员可根据预案指示，操作对应按钮，也可根据实际情况手动操作预案操作外的其余燃气发生器动作。燃气发生装置动作信号经由中央控制单元与就地装置之间的CAN总线通讯，传递与前后端就地装置，通过放大处理，产生驱动燃气发生器电爆管的电流信号，使其按照指令依次点爆，从而生成足够潜艇上升至水面的排水浮力，转水下事故为水面事故处理。
本发明采用了高可靠防护设计：一、当气体发生器电爆阀接通时，会发生短路现象，因此设计了电流检测和功率放大电路，当电爆阀电流超过规定电流时，电路自动切断这路电爆阀供电，从而保证了其他电路的正常工作。二、为了增加采集数据的有效性和控制可靠性对采集的压力开关状态量进行容错处理。三、为了增加控制可靠性，在控制电爆阀回路的正、负端均加控制开关，进行正、负端同时控制，保证控制信号执行可靠。四、选择有金属保护网的电缆作为系统的连接电缆，可有效保护系统在使用中由于意外而形成的通讯和电路的切断。五、电缆分配器由于使用在深水高压的环境，对其设计提出了较高的要求，设计采用高冗余设计，以应对较高的工作水压及燃气发生器工作时的气体冲击。
本发明设计了长时间高可靠工作控制系统，支持潜艇长时间执行任务。由于潜艇救生系统处于长时间连续工作状态，电控系统必须保证在免维护期间内稳定可靠运行。元器件选用具有较高环境试验条件的产品，采取有效的硬件或软件保护措施，延长其使用寿命。在硬件设计上采用有效的电磁屏蔽措施，提高系统抗干扰能力。软件设计为模块化设计，采用尽量少的中断嵌套，多平行结构，提高系统的运行稳定，另外设计了硬件看门狗电路，在系统异常时复位系统。另外在系统空闲时，进入低功耗模式，可有效减慢器件老化，延长电池的使用时间。
本发明设计了不间断电源系统，作为潜艇救生系统的能量核心，不间断电源的工作状态影响整个系统的运行。为确保在外部电源切断的状态下可以启动全部的燃气发生装置，电源采用蓄电池并联的方式并进行150％的冗余设计，可提供足够的驱动电流。另外在电源监控电路中增加监测电源性能的模块，如电池管理模块，在电池老化程度超过指标时报警，提示更换，提高系统的可靠性。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (9)
1.一种潜艇应急救生装置，其特征在于，包括多个燃气发生器和电控系统，部分燃气发生器安装在潜艇前端载水仓，另一部分燃气发生器安装在潜艇后端载水仓，所述电控系统分别与舰艇系统和燃气发生器连接，控制燃气发生器的工作状态；
所述燃气发生器采用运载型号用大功率燃气发生器，燃气温度650~900℃，余氧系统为0.05~0.08，质量流量密度为20~80g/(cm2·s)；
所述电控系统包括电缆分配器、连接电缆、就地控制装置、中央控制单元以及舰艇通信单元；
所述电缆分配器用于连接就地控制装置和燃气发生器，所述燃气发生器上连接的电缆汇集于电缆分配器，来自电缆分配器的电缆与就地控制装置连接；
所述连接电缆用于连接各设备单元；
所述就地控制装置包括前端就地控制装置和后端就地控制装置，所述前端就地控制装置用于连接位于前端载水仓的燃气发生器，所述后端就地控制装置用于连接位于后端载水仓的燃气发生器；
所述就地控制装置均包括控制芯片、蓄电池、电源电池监控电路、面板通信电路、功率放大电路以及传感器信号接收电路；
所述中央控制单元包括CPU、电源监控电路、CAN总线收发电路以及面板数据交互电路；
所述舰艇通信单元包括舰艇数据总线，所述舰艇通信单元与中央控制单元通信连接；
来自电缆分配器的电缆穿过耐压艇体和主压载水舱之间的进口连接到前、后端就地控制装置，前、后端就地控制装置与位于潜艇主控室的中央控制单元通过CAN总线连接进行数据交换，而中央控制单元通过舰艇数据总线接收舰艇深度、速度、姿态信号，经过预先设定好的救生预案算法产生应急救生预案，显示于其面板，指挥员根据预案指示，操作对应按钮，或者根据实际情况手动操作预案操作外的其余燃气发生器动作；
燃气发生器动作信号经由中央控制单元与前、后端就地控制装置之间的CAN总线通讯，传递于前、后端就地控制装置，通过放大处理，产生驱动燃气发生器电爆管的电流信号，使其按照指令依次点爆，从而生成足够潜艇上升至水面的排水浮力，转水下事故为水面事故处理；
当电爆阀电流超过规定电流时，电路自动切断这路电爆阀供电；对采集的压力开关状态量进行容错处理；在控制电爆阀回路的正、负端均加控制开关，进行正、负端同时控制，保证控制信号执行可靠。
2.根据权利要求1所述的潜艇应急救生装置，其特征在于：所述电缆分配器通过密封壳体紧扣固定于在主压载水舱的内壁，位于主压载水舱内的连接电缆上包裹有金属软管。
3.根据权利要求1所述的潜艇应急救生装置，其特征在于：所述蓄电池对就地控制装置的其他设备以及燃气发生器进行供电，所述蓄电池采用电池组并联的方式按照150%的冗余设计。
4.根据权利要求1所述的潜艇应急救生装置，其特征在于：所述电源电池监控电路与蓄电池连接，调节和监控蓄电池的输出，所述电源电池监控电路包括DC-DC模块和线性稳压器，在对就地控制装置的数字电路供电时采用DC-DC模块，对控制芯片供电时采用不同线性稳压器。
5.根据权利要求1所述的潜艇应急救生装置，其特征在于：所述功率放大电路包括大功率晶闸管、固态继电器和保护电阻，所述功率放大电路输出的电流脉冲宽度根据燃气发生器的电气性能进行调节，所述电流脉冲宽度调整范围为10ms~50ms。
6.根据权利要求1所述的潜艇应急救生装置，其特征在于：所述传感器信号接收电路包括电压信号采集模块和电流信号采集模块，所述传感器信号接收电路用于接收燃气发生器的状态信号。
7.根据权利要求1所述的潜艇应急救生装置，其特征在于：所述连接电缆采用带有金属保护网的电缆。
8.根据权利要求1所述的潜艇应急救生装置，其特征在于：所述CPU采用MSP430F44X处理器。
9.根据权利要求1所述的潜艇应急救生装置，其特征在于：所述舰艇通信单元包括舰艇数据总线，所述舰艇数据总线分别连接中央控制单元和舰艇系统，所述舰艇数据总线采用总线式网络拓扑结构。
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