KR101343421B1 - 고에너지 기폭관용 기폭 장치 - Google Patents

Abstract

본 명세서는 스파크갭 스위치 대신 모스 제어 사이리스터(MOS controlled thyristor, MCT)를 기폭 스위치로 사용함으로써 수명이 길고, 저가 제작이 가능한 고 에너지 기폭관용 기폭장치에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 고 에너지 기폭관용 기폭장치는, 다수의 독립적인 장전신호를 입력받아 소정 크기 이상인 경우 전기적으로 격리하여 출력하는 회로 격리부; 상기 회로 격리부로부터 전기적으로 격리된 장전신호들을 수신하고, 상기 수신된 장전 신호들이 소정의 조건에 부합하면 장전제어신호를 출력하는 마이크로 컨트롤러; 상기 마이크로 컨트롤러의 장전제어신호가 수신되면 입력 전압을 상승시켜 고전압을 발생하는 고전압 발생부; 상기 장전제어신호와 소정 펄스폭 이상의 기폭신호가 입력되면 상기 고전압 발생부에서 출력되는 고전압을 기폭관으로 인가시켜 상기 기폭관을 기폭시키는 기폭부를 포함할 수 있다.

Description

고에너지 기폭관용 기폭 장치{FIRING DEVICE FOR HIGH ENERGY DETONATOR}

본 명세서는 고에너지 기폭관용 기폭 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 유도탄의 탄두는 전기적 반응이 민감한 화약에서부터 점차 둔감한 화약의 순으로 배치시켜 기폭작용이 있을 때 배치된 폭발계열에 따라 순차적으로 폭발이 일어나도록 한다. 즉, 기폭장치를 사용하여 폭발물 연쇄의 최초 과정을 일으키는 기폭관을 점화시켜 폭발시킴으로써, 첫 번째 폭발물이 기폭되면 그 다음 폭발물에 기폭 작용을 하여 마침내 탄두까지 폭발되도록 한다.

폭발계열 구성방법은 기폭관의 종류에 따라 비정렬(Out of line) 방식과 정렬(In line) 방식으로 구분된다. 비정렬 방식은 저 에너지에서도 작동하는 기폭관을 사용하는 경우 적용하는 방법인데, 폭발계열에 에너지 차단장치를 두어 기계적으로 기폭관을 격리시킴으로써 탄두의 안전을 확보하며 유도탄의 장전시점에 도달하면 에너지 차단장치를 해제하여 폭발계열을 정렬시키는 방식이다. 이러한 비정렬 방식은 탄두의 안전은 확실히 보장되나 에너지 차단장치의 기계적인 동작이 필요하므로 탄두의 작동 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

이에 반해 정렬 방식은 고 에너지에서만 작동하는 기폭관을 사용할 경우 적용하는 방법으로, 폭발계열에 기계적인 차단장치를 사용하지 않고 또한 둔감화약으로 조성된 기폭관을 사용함으로써 탄두의 안전성뿐만 아니라 작동 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 정렬 방식에 사용할 수 있는 고 에너지 기폭관으로는 금속박막 폭발형 기폭관(Exploding Foil Initiator: EFI), 금속선 폭발형 기폭관(Exploding Bridge Wire: EBW), 저에너지 금속박막 폭발형 기폭관(Low Energy Exploding Foil Initiator: LEEFI) 등이 있다.

현재까지 고 에너지 기폭관용 기폭장치로는 스파크갭 스위치를 기폭 스위치로 사용하는 정렬형 전자식 안전장전장치(한국특허등록번호:10-0652905)가 있으나 이 장치는 스파크갭 스위치의 수명으로 인해 일정 기폭 횟수 동안만 사용이 가능할 뿐만 아니라 고가이면서도 부피가 큰 단점이 있다.

본 명세서는, 스파크갭 스위치 대신 모스 제어 사이리스터(MOS controlled thyristor, MCT)를 기폭 스위치로 사용함으로써 수명이 길고, 저가 제작이 가능한 고 에너지 기폭관용 기폭장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 고에너지 기폭관용 기폭 장치는, 다수의 독립적인 장전신호를 입력받아 소정 크기 이상인 경우 전기적으로 격리하여 출력하는 회로 격리부와, 상기 회로 격리부로부터 전기적으로 격리된 장전신호를 제공받아 그 신호들이 소정의 조건에 부합하면 장전제어신호를 출력하는 마이크로 컨트롤러와, 상기 마이크로 컨트롤러의 장전제어신호를 입력받으면 인가된 전압을 상승시켜 출력하는 고전압 발생부와, 상기 장전제어신호와 소정 펄스폭 이상의 기폭신호가 입력되면 상기 고전압 발생부에서 출력되는 고전압을 기폭관으로 인가시켜 기폭관을 기폭시키는 기폭부로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 고에너지 기폭관용 기폭 장치는, 스파크갭 스위치를 기폭 스위치로 사용하는 기폭장치보다 수명이 훨씬 길고 또한 저가로 제작할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기폭장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고전압 발생부의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기폭부의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기폭장치 회로도의 작동에 따른 입출력신호의 파형도이다.

이하에서는, 스파크갭 스위치 대신 모스 제어 사이리스터(MOS controlled thyristor, MCT)를 기폭 스위치로 사용함으로써 수명이 길고, 저가 제작이 가능한 고 에너지 기폭관용 기폭장치를 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기폭장치의 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 기폭장치는, 다수의(예를 들면, 3개) 장전신호와 기폭신호를 전기적으로 분리하여 이를 입력받아 소정 크기 이상의 신호만을 출력하고, 마이크로 컨트롤러(20)에서 출력되는 정상신호를 전기적으로 분리하여 출력하는 회로 격리부(10)와; 상기 회로 격리부(10)와 연결되어 장전신호가 소정의 조건을 만족하며 입력되는지 판단하여 그에 따라 FET(Field Effect Transistor) 제어신호를 출력하며, 또한 상기 기폭신호가 소정의 조건을 만족하며 입력되는지 판단하여 그에 따라 기폭신호를 출력하는 마이크로 컨트롤러(20)와; 상기 마이크로 컨트롤러(20)의 FET 제어신호를 입력받아 소정의 조건을 만족하면 고전압을 발생시키는 고전압 발생부(30)와; 상기 고전압 발생부(30)와 연결되어 마이크로 컨트롤러(20)에서 출력되는 기폭신호가 인가되면 고전압이 충전된 기폭 콘덴서의 에너지를 순간적으로 기폭관에 전달하여 탄두를 동작시키는 기폭부(40)로 구성된다.

상기 회로 격리부(10)는 장전1신호, 장전2신호, 장전3신호 및 기폭신호를 입력받고, 옵토 커플러(Opto coupler)와 버퍼(Buffer)를 사용해 소정 크기 이상의 장전신호 및 기폭신호만을 전기적으로 분리하여 마이크로 컨트롤러(20)로 전달한다.

상기 마이크로 컨트롤러(20)는 RA0, RA1, RA2, RA3의 4개의 입력단자를 가지며, RB0, RB1, RB2, RB3, RB4의 5개의 출력단자를 가진다. 상기 회로 격리부(10)를 거친 장전 1신호, 장전 2신호, 장전 3신호 및 기폭신호가 각각 RA0, RA1, RA2, RA3의 입력단자를 통해 마이크로 컨트롤로(20)로 전달된다.

상기 마이크로 컨트롤러(20)는 전원이 인가되면, 입력단자(RA0, RA1, RA2, RA3)의 초기상태를 점검하고, 내부 프로그램을 검사하여 이상이 없으면 출력단자 RB0로 정상신호를 출력하고, 각 입력단자로 유입되는 입력신호의 유무를 확인한다. 이때, 장전1, 2, 3신호가 소정의 조건에 각각 부합하게 입력되면 RB1은 하이(High) 신호, RB2는 로우(Low) 신호, RB3은 하이(High) 신호를 출력한다. 반면, 장전1, 2, 3신호가 소정의 조건에 부합하지 않는다면 상기와 반대되는 논리 값을 가지는 신호를 출력한다.

상기 고전압 발생부(30)는 마이크로 컨트롤러(20)의 RB1, RB2, RB3의 출력신호를 전송받으며, 이에 따른 동작 과정은 도 2에 도시된 고전압 발생부(30)의 회로도를 참조하여 이하에서 기술한다.

상기 고전압 발생부(30)는 마이크로 컨트롤러(20)의 RB1의 출력 신호를 입력 받는 변압기 제 1 구동부(31), 마이크로 컨트롤러(20)의 RB2의 출력 신호를 입력 받는 변압기 제 2 구동부(32), 마이크로 컨트롤러(20)의 RB3의 출력 신호를 입력 받는 변압기 제 3 구동부(33) 및 1차측 코일이 변압기 구동부(32, 33)와 연결되는 고전압 변압기(34)로 구성된다.

또한, 변압기 제 1, 3 구동부(31, 33)는 각각 N-채널의 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)(Q1, Q3)와 이를 동작시키기 위한 FET 구동회로로 구성되며, 변압기 제 2 구동부(32)는 FET 구동회로, P-채널의 FET(Q2)로 구성된다.

상기 변압기 제 1 구동부(31) FET 구동회로의 입력단자는 마이크로 컨트롤러(20)의 RB1에 접속되고, FET 구동회로의 구동신호는 FET Q1의 게이트 단자로 입력된다. FET Q1의 소스(Source) 단자는 접지되고 드레인(Drain) 단자는 변압기 제 3 구동부(33)의 FET Q3의 소스 단자와 접속된다.

상기 변압기 제 2 구동부(32)의 FET 구동회로의 입력단자는 마이크로 컨트롤러(20)의 RB2에 접속되고, FET 구동회로의 구동신호는 FET Q2의 게이트 단자로 입력된다. FET Q2의 소스(Source) 단자는 전원(Vcc)과 연결되고, 드레인(Drain) 단자는 고전압 변압기(34)의 1차측 코일의 입력단에 연결된다.

상기 변압기 제 3 구동부(33) FET 구동회로의 입력단자는 마이크로 컨트롤러(20)의 RB3에 접속되고, FET 구동회로의 구동신호는 FET Q3의 게이트 단자로 입력된다. FET Q3의 소스(Source) 단자는 FET Q1의 드레인(Drain) 단자와 접속되고, 드레인(Drain) 단자는 고전압 변압기(34)의 1차측 코일의 입력단에 연결된다. 고전압 변압기(34) 2차측 코일은 기폭부(40)와 연결된다.

상기와 같이 구성된 고전압 발생부(30)의 동작을 구체적으로 살펴본다. 여기서, 고전압 발생부(30)를 동작시키기 위한 조건에 부합하는 장전1, 2, 3신호가 입력되는 경우, 즉, 탄두를 동작시키기 위한 신호가 입력되는 경우를 전제로 한다.

우선, 변압기 제 1~3 구동부(31~33)의 FET 구동회로가 마이크로 컨트롤러(20)로부터 입력되는 신호를 증폭시킨다.

변압기 제 1, 3 구동부(31, 33)는 마이크로 컨트롤러(20)의 RB1, RB3으로 하이 신호가 입력되면 FET 구동회로를 통해 이를 증폭하여 FET Q1, Q3를 동작시키고, 변압기 제 2 구동부(32)는 마이크로 컨트롤러(20)의 RB2로 로우 신호가 입력되면 FET 구동회로로 증폭하여 FET Q2을 동작시킨다.

상기 변압기 제 1~3 구동부(31~33)가 동작함에 따라, 변압기 1차측 코일로 전류가 흐른다.

따라서 일례로, 변압기 제 2 구동부(32)의 FET Q2의 소스 단자(Vcc)에 19V의 전압을 인가하면 변압기(34)의 2차측에는 약 1,400V의 전압을 얻을 수 있다. 이와 같이 얻어진 변압기(34) 2차측의 전압은 기폭부(40)로 전달하게 된다.

상기 기폭부(40)의 회로 구성은, 도 3에 도시된 바와 같이 트랜지스터(Q1), P-채널의 FET(Q2), 저항기(R1R6), 필터(L1) 및 콘덴서(C1C4)을 포함하는 기폭 트리거부(41)와, 기폭 트리거부(41)의 출력단(Q2의 드레인 단자)에 접속되어 그 출력에 따라 동작하는 모스 제어 사이리스터(MOS controlled thyristor, MCT)와, MCT의 게이트 전류를 제어하는 저항기(R7)과, MCT의 게이트와 캐소드사이의 전압을 제어하는 제너 다이오드(D2)와, LEEFI 기폭관의 양단자를 접속시키는 입력되는 저항기(R8)과, 고전압을 충전하는 기폭 콘덴서(C5)와, 기폭 콘덴서(C5)에 흐르는 전류를 조절하는 저항기(R8)과, 기폭 콘덴서(C5)에 충전된 전압의 방전을 막는 다이오드(D1)와, 기폭관을 포함하는 기폭관 작동부(42)와, 기폭 콘덴서(C5)에 충전되어 있는 전압을 감소시키기 위한 저항기(R9R10) 및 콘덴서(C6)를 포함하는 충전전압 점검부(43)로 구성된다.

먼저, 전원(Vcc)가 입력되면 기폭 트리거부(41)의 저항(R1, R2, R3)에 의해 전압이 분배되며 콘덴서(C2, C3) 양단에는 약 8V가 충전이 된다. 또한 고전압 발생부(30)에서 출력되는 고전압은 기폭관 작동부(42)의 다이오드(D1) 및 저항(R8)을 통하여 기폭 콘덴서(C5)에 저장된다. 이런 상태에서 저항(R5, R6)과 콘덴서(C4)에 의해 소정 펄스 폭 이상의 기폭신호가 인가될 경우에 한하여 트랜지스터(Q1)이 작동이 되고 트랜지스터(Q1)의 작동에 의해 FET(Q2)가 턴온(Turn on)된다. FET(Q2)의 작동에 의해 콘덴서(C2,C3)에 충전된 전압은 FET Q2의 드레인과 연결된 접지를 통해 방전이 되며 콘덴서(C2,C3)의 - 단자에는 순간적으로 약 -8V가 형성되어 기폭관 작동부(42)로 전달된다.

한편, 기폭관 작동부(42)의 MCT의 캐소드 단자는 FET(Q2)의 작동에 의해 약 -8V가 형성되면 MCT의 게이트 단자와 캐소드 단자 사이의 전압 차에 의해 MCT가 작동된다. MCT가 작동되면 기폭 콘덴서(C5)에 충전되어 있는 고전압을 순간적으로 기폭관으로 전달시켜 기폭관을 폭발시키게 되는 것이다.

충전전압 점검부(43)는 기폭 콘덴서(C5)의 양단을 연결하는 저항 (R9, R10) 및 콘덴서(C6)로 구성되며, 저항(R9)과 저항(R10)의 저항 값은 100대 1의 비율을 가져 기폭 콘덴서(C5)의 전압을 감소시켜 출력함으로써 본 발명에 의한 기폭관의 기폭전압을 테스트 할 수 있도록 한다.

도 4는 본 발명에 의한 기폭장치 각 구성요소의 입출력 신호의 파형도로서, 이에 도시된 바와 같이 장전 1 신호(a), 장전 2 신호(b), 장전 3 신호(c)가 각각 하이가 되면 상기 언급한 바와 같이 마이크로 컨트롤러(20)의 FET 제어 RB1 신호(d)는 하이가 되고, FET 제어 RB2 신호(e)는 로우가 되며, FET 제어 RB3 신호(f)는 하이가 된다. 이 경우, 고전압 발생부(30)에서 발생하는 고전압은 기폭 콘덴서(C5)에 충전되며 기폭콘덴서 충전전압(g)은 점차 상승하여 포화상태에 이른다.

이때, 회로격리부(10)를 통해 소정 폭 이상의 펄스를 가지는 기폭신호(h)가 입력되면 기폭콘덴서 충전전압(g)이 급격히 떨어지면서 그 전압이 기폭관으로 전달되어 기폭관이 작동하는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고에너지 기폭관용 기폭 장치는, 스파크갭 스위치를 기폭 스위치로 사용하는 기폭장치보다 수명이 훨씬 길고 또한 저가로 제작할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 회로 격리부 20 : 마이크로 컨트롤러
30 : 고전압 발생부 31 : 변압기 제1 구동부
32 : 변압기 제2 구동부 33 : 변압기 제3 구동부
34 : 고전압 변압기 40 : 기폭부
41 : 기폭 트리거부 42 : 기폭관 작동부
43 : 충전전압 점검부

Claims (5)

1. 다수의 독립적인 장전신호를 입력받아 소정 크기 이상인 경우 전기적으로 격리하여 출력하는 회로 격리부;
   상기 회로 격리부로부터 전기적으로 격리된 장전신호들을 수신하고, 상기 수신된 장전 신호들이 소정의 조건에 부합하면 장전제어신호를 출력하는 마이크로 컨트롤러;
   상기 마이크로 컨트롤러의 장전제어신호가 수신되면 입력 전압을 상승시켜 고전압을 발생하는 고전압 발생부;
   상기 장전제어신호와 소정 펄스폭 이상의 기폭신호가 입력되면 상기 고전압 발생부에서 출력되는 고전압을 기폭관으로 인가시켜 상기 기폭관을 기폭시키는 기폭부를 포함하며,
   상기 회로 격리부는, 3개의 장전신호와 기폭신호를 전기적으로 분리하여 입력받아 소정 크기 이상의 신호만을 출력하며, 상기 마이크로 컨트롤러에서 출력되는 정상신호를 전기적으로 분리하여 외부로 출력하는 것을 특징으로 하는 고에너지 기폭관용 기폭장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 컨트롤러는,
   RA0, RA1, RA2, RA3의 4개의 입력단자를 가지며, RB0, RB1, RB2, RB3, RB4의 5개의 출력단자를 가지며, 전원이 인가되면 입력단자(RA0, RA1, RA2, RA3)의 초기상태를 점검하고 내부 프로그램을 검사하여 이상이 없으면 출력단자 RB0로 정상신호를 출력하며, 장전1, 2, 3신호가 소정의 조건에 각각 부합하게 입력되면 RB1은 하이(High) 신호, RB2는 로우(Low) 신호, RB3은 하이(High) 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 고에너지 기폭관용 기폭장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 고전압 발생부는,
   상기 마이크로 컨트롤러의 RB1의 출력 신호를 입력 받는 변압기 제 1 구동부, 마이크로 컨트롤러의 RB2의 출력 신호를 입력 받는 변압기 제 2 구동부, 마이크로 컨트롤러의 RB3의 출력 신호를 입력 받는 변압기 제 3 구동부 및 1차측 코일이 변압기 구동부와 연결되는 고전압 변압기로 구성된 것을 특징으로 하는 고에너지 기폭관용 기폭장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 기폭부는,
   트랜지스터(Q1), P-채널의 FET(Q2), 저항기(R1R6), 필터(L1) 및 콘덴서(C1C4)을 포함하는 기폭 트리거부와;
   상기 기폭 트리거부의 출력단에 접속되어 상기 기폭 트리거부의 출력에 따라 동작하는 모스 제어 사이리스터(MOS controlled thyristor, MCT)와;
   상기 MCT의 게이트 전류를 제어하는 저항기(R7)과;
   상기 MCT의 게이트와 캐소드사이의 전압을 제어하는 제너 다이오드(D2)와;
   상기 기폭관의 양단자를 접속시키는 입력되는 저항기(R8)과;
   고전압을 충전하는 기폭 콘덴서(C5)와;
   상기 기폭 콘덴서(C5)에 흐르는 전류를 조절하는 저항기(R8)과;
   기폭 콘덴서(C5)에 충전된 전압의 방전을 막는 다이오드(D1)와;
   상기 기폭관을 포함하는 기폭관 작동부와;
   상기 기폭 콘덴서(C5)에 충전되어 있는 전압을 감소시키기 위한 저항기(R9R10) 및 콘덴서(C6)를 포함하는 충전전압 점검부로 구성된 것을 특징으로 하는 고에너지 기폭관용 기폭장치.

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