CN114576042B - 一种适用于固体火箭发动机远程点火装置及点火方法 - Google Patents

一种适用于固体火箭发动机远程点火装置及点火方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于固体火箭发动机远程点火装置及点火方法，上位机置于点火安全距离外；下位机置于火箭发射车内，下位机与火箭发动机通信连接，上位机和下位机之间通过光端机通信连接；点火方法包括：设置下位机IP地址和网络端口号，并连接网络；测试上下位机通信是否正常；对下位机进行自检，确定下位机第一电源和第二电源是否正常；测试发动机安全机构是否处于保险状态；测试点火回路是否正常；对发动机安全机构进行解保；对发动机进行点火；点火人员可以在数公里外通过上位机向下位机发送指令，实现发动机通路电阻检测、发动机安全机构解复保和发动机点火，能够有效避免发动机异常爆炸对点火控制人员带来的安全威胁。

Description

一种适用于固体火箭发动机远程点火装置及点火方法
技术领域
本发明涉及嵌入式控制技术领域，尤其涉及一种适用于固体火箭发动机远程点火装置及点火方法。
背景技术
固体火箭发动机工作过程是一个极其复杂的物理化学过程，一般包括点火升压段、稳定工作段和压强下降段。点火是固体火箭发动机工作的第一步，发动机首先靠点火装置启动，点火升压阶段非常短暂，一般为几毫秒至几百毫秒，但工作机理复杂，包括燃烧、流动和传热，是固体火箭发动机工作过程的关键阶段，对发动机的正常工作起着至关重要的作用。由于时间非常短暂、工作环境恶劣、物理参数变化剧烈，在点火瞬态过程火箭发动机最易发生异常，有可能发生爆炸事故。例如：2000年美国“大力神4”运载火箭固体助推器地面试验时在点火瞬间发生严重爆炸。
为避免在点火瞬间固体发动机爆炸对点火控制人员带来伤害，有必要设计一种远程点火装置和点火方法，以便点火控制人员可以在发动机爆炸最大安全距离以外远程点火。
因此需要研发出一种适用于固体火箭发动机远程点火装置及点火方法。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种适用于固体火箭发动机远程点火装置及点火方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种适用于固体火箭发动机远程点火装置，包括：
上位机；上位机置于点火安全距离外；
下位机；下位机置于火箭发射车内，下位机与火箭发动机通信连接，上位机和下位机之间通过光端机通信连接。
具体地，下位机包括：
用于将220V交流电转换为5V、12V、28V直流电源的电源转换模块；电源转换模块分别为DSP模块、功率输出模块、信号调理模块供电；
DSP模块；DSP模块分别与功率输出模块、信号调理模块电性连接；
信号调理模块；
功率输出模块；功率输出模块分别与信号调理模块、航空连接器连接；
用于UDP协议到CAN协议相互转换的CAN转以太网模块；DSP模块通过CAN转以太网模块与外界通信。
进一步地，功率输出模块包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器、第五继电器、第六继电器、隔离放大器，第一继电器的第一端接第一电源正极，第一继电器的第二端分别与第三继电器的第一端、第四继电器的第一端、发送机点火正极连接，第四继电器的第二端与隔离放大器的第一端连接，隔离放大器的第二端与信号调理模块电性连接，恒流源在第四继电器处接入；第二继电器的第一端接第一电源负极，第二继电器的第二端分别与第三继电器的第二端、第五继电器的第一端、发送机点火负极连接，第五继电器的第二端接地。
具体地，远程点火装置还包括第六继电器、第七继电器、第八继电器、第九继电器，第二电源正极分别与第六继电器的第一端、第七继电器的第一端连接，第六继电器的第二端分别与发动机安全机构的正极、第八继电器的第二端连接，第七继电器的第二端分别与发动机安全机构的负极、第九继电器的第二端连接，第二电源负极分别与第八继电器的第一端、第九继电器的第一端连接。
一种适用于固体火箭发动机远程点火装置的点火方法，包括以下步骤：
S1：设置下位机IP地址和网络端口号，并连接网络；
S2：测试上下位机通信是否正常；如是则进入下一步；
S3：对下位机进行自检，确定下位机第一电源和第二电源是否正常；如是则进入下一步；
S4：测试发动机安全机构是否处于保险状态；如是则进入下一步；
S5：测试点火回路是否正常；如是则进入下一步；
S6：对发动机安全机构进行解保；
S7：对发动机进行点火。
具体地，测试点火回路是否正常包括：测试点火回路电阻，将第四继电器和第五继电器闭合，断开第三继电器，恒流源与火工品形成测试回路，将火工品电阻转换为电压输出，DSP模块采集该电压并上传到上位机，上位机进行电压比对判断点火回路是否正常。
具体地，对发动机安全机构进行解保包括：闭合第六继电器、第九继电器后对安全机构加正向第二电源电压时，安全机构解保。
进一步地，闭合第七继电器、第八继电器后对安全机构加反向第二电源电压时，安全机构复保。
本发明的有益效果在于：
本发明中点火装置由上位机系统和下位机系统组成，上、下位机之间采用光纤实现远距离通信，下位机置于火箭发射车内，点火人员可以在数公里外通过上位机向下位机发送指令，实现发动机通路电阻检测、发动机安全机构解复保和发动机点火，能够有效避免发动机异常爆炸对点火控制人员带来的安全威胁。
附图说明
图1为远程点火装置的组成示意图；
图2为下位机的内部组成示意图；
图3为功率输出模块上的点火电路示意图；
图4为安全机构控制电路示意图；
图5为远程点火装置的点火方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，一种适用于固体火箭发动机远程点火装置，包括：
上位机；上位机置于点火安全距离外；
下位机；下位机置于火箭发射车内，下位机与火箭发动机之间通过弹地电缆通信连接，上位机和下位机之间通过光端机通信连接。
上位机、下位机之间采用光纤实现远距离通信，点火人员可以在数公里外通过上位机向下位机发送指令，实现发动机通路电阻检测、发动机安全机构解复保和发动机点火，能够有效避免发动机异常爆炸对点火控制人员带来的安全威胁。
如图2所示，下位机包括：
用于将220V交流电转换为5V、12V、28V直流电源的电源转换模块；电源转换模块分别为DSP模块、功率输出模块、信号调理模块等供电；
DSP模块；DSP模块分别与功率输出模块、信号调理模块电性连接；
信号调理模块；
功率输出模块；功率输出模块分别与信号调理模块、航空连接器连接；
用于UDP协议到CAN协议相互转换的CAN转以太网模块；DSP模块通过CAN转以太网模块与外界通信。
CAN转以太网模块主要用于UDP协议到CAN协议的相互转换，是DSP模块与外界通信的桥梁，通过协议转换，DSP片上CAN控制器就可以直接和上位机实现远程网络通信；DSP模块是下位机的控制器，用于接收上位机指令、并通过控制功率输出模块上继电器的开合来实现发动机安全机构解复保和发动机点火，同时DSP模块还要对各类信号进行数据采集，并将数据上传到上位机；功率输出模块由固态继电器组成，通过弹地电缆直接与火箭发动机连接，是DSP控制器的执行机构；信号调理模块将功率输出模块的各类信号的调理，模块内部分别采用线性光耦和数字光耦对模拟信号和数字信号进行了隔离，避免强电信号对弱电信号的干扰。远程点火装置采用AC/DC电源模块作为下位机体的点火电源，该模块可以将车载220V交流电转换为直流电源，为固态发动机内的安全机构控制和点火回路供电。本申请的远程点火装置由DSP控制固态继电器的开合实现控制发动机内的安全机构的解复保和点火通路电阻测试；本申请的远程点火装置由DSP控制固态继电器闭合将点火电源接入点火回路，实现点火；
如图3所示，功率输出模块包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器、第五继电器、第六继电器、隔离放大器，第一继电器的第一端接第一电源正极，第一继电器的第二端分别与第三继电器的第一端、第四继电器的第一端、发送机点火正极连接，第四继电器的第二端与隔离放大器的第一端连接，隔离放大器的第二端与信号调理模块电性连接，恒流源在第四继电器处接入；第二继电器的第一端接第一电源负极，第二继电器的第二端分别与第三继电器的第二端、第五继电器的第一端、发送机点火负极连接，第五继电器的第二端接地。
功率输出模块为了提高系统可靠性，采用冗余设计思路，设计了两路相同的点火电路，本实施例设计的点火装置点火电压为12V(第一电源电压)，点火电路工作原理为：下位机上电后，第一继电器、第二继电器、第四继电器、第五继电器处于断开状态，第三继电器为闭合状态对发动机内火工品进行短路保护；在测试点火回路电阻时，第四继电器、第五继电器闭合，断开第三继电器，恒流源与火工品形成测试回路，将火工品电阻转换为电压输出，DSP采集电压并上传到上位机，测试完成后断开第四继电器、第五继电器，闭合第三继电器；点火系统收到点火指令后，断开第三继电器，闭合第一继电器、第二继电器完成发动机点火。
如图4所示，远程点火装置还包括第六继电器、第七继电器、第八继电器、第九继电器，第二电源正极分别与第六继电器的第一端、第七继电器的第一端连接，第六继电器的第二端分别与发动机安全机构的正极、第八继电器的第二端连接，第七继电器的第二端分别与发动机安全机构的负极、第九继电器的第二端连接，第二电源负极分别与第八继电器的第一端、第九继电器的第一端连接。
固体发动机中通常有安全机构，只有在安全机构解保的情况下才能正常对发动机点火。其解保和复保的方法为：对安全机构加正向28V电压(第二电源电压)时，安全机构解保；对安全机构加反向28V电压时，安全机构复保。对此，设计了如图4的安全机构控制电路，电路的工作原理为：闭合第六继电器和第九继电器可对安全机构加正向电压，安全机构解保；闭合第七继电器和第八继电器可对安全机构加反向电压，安全机构复保；安全机构的状态经光耦隔离转换为电压信号送入DSP模块。
如图5所示，一种适用于固体火箭发动机远程点火装置的点火方法，包括以下步骤：
S1：设置下位机IP地址和网络端口号，并连接网络；
S2：测试上下位机通信是否正常；如是则进入下一步；
S3：对下位机进行自检，确定下位机第一电源和第二电源是否正常；如是则进入下一步；
S4：测试发动机安全机构是否处于保险状态；如是则进入下一步；
S5：测试点火回路是否正常，包括：测试点火回路电阻，将第四继电器和第五继电器闭合，断开第三继电器，恒流源与火工品形成测试回路，将火工品电阻转换为电压输出，DSP模块采集该电压并上传到上位机，上位机进行电压比对判断点火回路是否正常；如是则进入下一步；
S6：对发动机安全机构进行解保，包括：闭合第六继电器、第九继电器后对安全机构加正向第二电源电压时，安全机构解保；闭合第七继电器、第八继电器后对安全机构加反向第二电源电压时，安全机构复保；
S7：对发动机进行点火。若未能成功点火，可以点击关闭点火按钮，然后点击安全机构复保按钮对发动机进行复保。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于固体火箭发动机远程点火装置，其特征在于：包括：
上位机；上位机置于点火安全距离外；
下位机；下位机置于火箭发射车内，下位机与火箭发动机通信连接，上位机和下位机之间通过光端机通信连接；
下位机包括：
用于将220V交流电转换为5V、12V、28V直流电源的电源转换模块；电源转换模块分别为DSP模块、功率输出模块、信号调理模块供电；
DSP模块；DSP模块分别与功率输出模块、信号调理模块电性连接；
信号调理模块；
功率输出模块；功率输出模块分别与信号调理模块、航空连接器连接；
用于UDP协议到CAN协议相互转换的CAN转以太网模块；DSP模块通过CAN转以太网模块与外界通信；
功率输出模块包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器、第五继电器、隔离放大器，第一继电器的第一端接第一电源正极，第一继电器的第二端分别与第三继电器的第一端、第四继电器的第一端、发送机点火正极连接，第四继电器的第二端与隔离放大器的第一端连接，隔离放大器的第二端与信号调理模块电性连接，恒流源在第四继电器处接入；第二继电器的第一端接第一电源负极，第二继电器的第二端分别与第三继电器的第二端、第五继电器的第一端、发送机点火负极连接，第五继电器的第二端接地；
远程点火装置还包括第六继电器、第七继电器、第八继电器、第九继电器，第二电源正极分别与第六继电器的第一端、第七继电器的第一端连接，第六继电器的第二端分别与发动机安全机构的正极、第八继电器的第二端连接，第七继电器的第二端分别与发动机安全机构的负极、第九继电器的第二端连接，第二电源负极分别与第八继电器的第一端、第九继电器的第一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于固体火箭发动机远程点火装置的点火方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设置下位机IP地址和网络端口号，并连接网络；
S2：测试上下位机通信是否正常；如是则进入下一步；
S3：对下位机进行自检，确定下位机第一电源和第二电源是否正常；如是则进入下一步；
S4：测试发动机安全机构是否处于保险状态；如是则进入下一步；
S5：测试点火回路是否正常；如是则进入下一步；
S6：对发动机安全机构进行解保；
S7：对发动机进行点火；
测试点火回路是否正常包括：测试点火回路电阻，将第四继电器和第五继电器闭合，断开第三继电器，恒流源与火工品形成测试回路，将火工品电阻转换为电压输出，DSP模块采集该电压并上传到上位机，上位机进行电压比对判断点火回路是否正常。
3.根据权利要求2所述的一种适用于固体火箭发动机远程点火装置的点火方法，其特征在于，对发动机安全机构进行解保包括：闭合第六继电器、第九继电器后对安全机构加正向第二电源电压时，安全机构解保。
4.根据权利要求3所述的一种适用于固体火箭发动机远程点火装置的点火方法，其特征在于，闭合第七继电器、第八继电器后对安全机构加反向第二电源电压时，安全机构复保。
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