弹载“黑匣子”设计方法*

邵云峰，崔玉江

(北京电子工程总体研究所，北京　100854)



测试、发控技术

弹载“黑匣子”设计方法*

邵云峰，崔玉江

(北京电子工程总体研究所，北京100854)

摘要：基于飞机“黑匣子”理念，充分利用导弹弹上数字总线和接口资源，通过对信号采集与存储、设备回收、数据存贮、电源管理等关键技术研究，提出了弹载“黑匣子”总体方案及主要功能单元设计方法，并进行了抗冲击环境分析。通过弹载“黑匣子”可获取导弹飞行过程关键数据，解决了列装导弹飞行试验中因缺乏遥测数据带来的排故困难，也为导弹飞行试验数据录取提供了新的技术途径。

关键词：弹载；黑匣子；模拟量信号采集；数字量信号采集；数据存储；回收

0引言

研制阶段的实弹飞行试验，通常采用遥测系统来获取导弹各项飞行参数，为导弹总体设计指标验证与评估提供依据。在导弹武器定型列装后，弹上一般取消了遥测设备和各类传感器[1-2]，实弹飞行试验时不再获取导弹飞行相关数据。而对于部队演习出现的飞试故障导弹，由于没有弹上相关数据，往往造成故障无法准确定位和隔离，无法快速完成归零，影响了部队作战使用，也给工业部门的经济效益和声誉造成极大影响，因此可以借鉴飞机设计经验，开展基于“黑匣子”理念的弹载测试技术研究。弹载黑匣子测试技术是以自主或半自主的方式实现导弹关键性能指标的测试，并对测试结果进行可靠存储，待导弹飞行试验结束后，回收黑匣子并将结果下传从而进行导弹飞行参数的分析与评定[3-5]。弹载黑匣子测试技术是针对列装导弹获取飞行试验数据的一种创新手段，对于导弹批抽检和部队演习保驾具有重要意义。

1弹载黑匣子设计总体思路

弹载黑匣子测试是近些年发展起来的一种弹上参数实时采集与记录存储的测试方法，其目的是对导弹飞行全过程的关键参量进行采集和存储，并在导弹完成作战使命堕地后仍能保存并输出所存数据，以供事后分析[6]。和其他测试存储系统相比，弹载黑匣子具有体积小，功耗低，成本低，抗冲击、耐高温、高压、低温环境等特点[7]。

随着导弹数字化程度提高，各类数字总线在弹上广泛使用，这为弹载黑匣子测试尽可能多的采集数据和轻小型化奠定了基础。目前弹上信号参量主要分为模拟量和数字量2类，模拟量主要有电源电压和控制信号等，数字量主要有RS485，1553B，CAN总线等传输的数字量[8]。因此弹载黑匣子测试技术以弹上总线数据记录为主，具备一定的模拟量采集功能，可以最大程度地获取弹上数据并减轻体积和重量。本文以某型弹上RS485总线为例，开展弹载黑匣子方案论证和设计，黑匣子信息交互架构框图见图1。

弹载黑匣子功能需求如下：

(1) 弹载黑匣子以导弹发射脱落为零点，启动数据采集存储；

(2) 具有模拟量采集转换和数字量监听记录功能；

(3) 具有安全可靠的数据存储功能，记录时间不小于10 min；

(4) 在黑匣子坠地时，具备信标发射功能，以便搜寻；

(5) 具备低功耗，抗冲击，耐高温、高压、低温等环境能力。

2弹载黑匣子设计

根据弹载黑匣子具备数据采集、记录、存储、回收、抗爆、抗冲击等要求[9-10]，黑匣子主要由模拟量采集与处理单元、数字量采集与处理单元、数据存储单元、电源管理单元、回收单元等组成，其组成框图见图2。

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模拟量采集与处理单元将采集的多路模拟信号统一进行变换处理，并进行统一编码后将采集数据传输到数据存储单元；数字量总线信号由总线隔离变换电路进行光电隔离，并统一编码后传输到数据存储单元。数据存储单元将接收到的数据存储到内部存储器，在试验结束并回收后，可通过数据下载接口下载试验数据。回收单元采用无线信标方式[11]，将内置的GPS位置信息通过天线发送微波信号，方便地面寻找和回收。电源管理单元负责提供各单元用电，特别是为回收单元提供电池供电，以维持黑匣子坠地后一定时间的信标不间断发射。

图1　弹载黑匣子信息交互架构框图Fig.1　Interactive information framework of black casket in missile

图2　弹载黑匣子组成框图Fig.2　Composing of black casket in missile

2.1模拟量信号采集与处理单元

模拟量信号采集与处理单元实现弹上电源电压等模拟量信号调理和采集，其功能原理如图3所示。各通道模拟量经信号适配电路进行电压调理，再经低通滤波后送至AD采样，AD转换成数字信号后由数据编码电路对数据统一编码后输出。

图3　模拟量采集处理单元功能组成Fig.3　Functional components of analog data acquisition processing

数据编码处理FPGA可控制10路8通道的A/D转换器同步进行数据采集，采用RS422差分串行总线将数据发送到数据存储部分。

2.2数字量信号采集与处理单元

数字量信号采集与处理单元实现弹上RS485总线等数字信号调理和采集，其功能原理如图4所示。由于RS485总线是弹上控制总线，要确保黑匣子接入弹上总线后任何时候都不能影响到弹上总线的正常工作，因此首先需要对弹上总线进行物理隔离，隔离电路见图5。RS485总线信号经总线隔离后接入数据编码处理单元，对总线数据接收编码后通过RS422差分串行总线将数据发送到数据存储部分。

图4　数字量采集处理单元功能组成Fig.4　Functional components of digital data acquisition processing

数据存储单元接收数据采集单元发送的数据并进行存储，其原理组成如图6所示。数据存储单元在FPGA的控制下，将RS422串行数据解码缓存至固态电子硬盘。地面设备通过千兆以太网接口与弹载黑匣子通讯，可下载固态电子硬盘中存储的数据。

图5　RS485总线隔离电路原理图Fig.5　Isolated circuit schematic diagram of RS485 bus

图6　数据存储单元原理组成Fig.6　Principle components of data storage unit

弹载黑匣子共83路数据输入，固态电子硬盘存储按下表1计算。

表1　电子硬盘存储统计表

按照表1计算，记录600 s数据所需存储容量为

(80×2 kB+3×250 kB)×600=533 MB

配置8 GB存储容量固态电子硬盘可存储2 h以上数据。

2.4电源管理单元

电源管理单元提供黑匣子各功能单元的二次电源，其一次供电既可接弹上一次电源，也可接内部锂电池，功能组成如图7所示。电源管理单元包含转配电电路、接口保护电路、充电电路、一级换流模块、二级换流模块等，内部配置锂电池，实现黑匣子坠地后回收单元的供电，锂电池容量要满足回收单元4 h不间断工作需求。

图7　电源管理单元功能组成Fig.7　Functional components of power management unit

2.5回收单元

回收单元由射频发射模块、GPS定位模块、天线组成，在黑匣子坠地后通过无线射频模块将接收到的GPS数据发送出去，GPS数据包含设备位置信息[12]。通过内部电池供电，可在持续工作4 h以上。考虑到设备落地方向不确定，在黑匣子外壁四周布置4个发射天线，以保证射频信号的对外发射。

2.6结构设计

弹载黑匣子要承受落地最大冲击20 000g，其外壳设计至关重要。壳体采用双层壳体结构，外壳体2A12铝，内壳体Q235钢，壳体采用整体加工而成，壁厚5～8 mm。数据存储单元作为关重件采用独立内壳体，做进一步抗冲击设计。

在内壳和外壳之间，填充灌封胶作为设备的固定及减震[13]。数据存储单元与其他部分的连接不使用电连接器，直接焊接电缆，内外壳体之间的密封胶为泡沫胶，固化后具有弹性，可以起到吸收冲击，强化结构及隔热的效果。内壳体与外壳体没有刚性连接，通过密封胶悬浮在外壳体舱室中，不会将外部冲击受力直接传递到内壳体。壳体内各设备间也采用密封胶灌封。

3抗冲击环境设计分析

弹载黑匣子在导弹爆炸或坠地时需要经受住巨大冲击，因此，抗冲击设计是黑匣子设计的关键[14-15]。

以某型号导弹战斗部在空中爆炸为例，可由下式计算冲击波超压(MPa)：

(1)

(2)

式中：R为冲击波波面距爆心距离，m；w为TNT当量的装药量，kg；r为对比距离(m/kg3)。

按装药当量等效为5 kgTNT，与战斗部中心距离40 cm，接触面积按直径0.2 m的圆截面积计算：

13.278 MPa，

83 385.84 m/s2=8 508g.

通过理论计算，弹载黑匣子所受冲击为8 500g左右。

由上述计算过程可知，爆炸冲击波的大小与装药量、冲击接触面积、弹载黑匣子的质量及其安装位置有关，在战斗部装药量一定的情况下，通过减小冲击接触面积、存储装置质量及增大与战斗部的距离可减小爆炸冲击当量，从而减小对弹载黑匣子的冲击。其中，增大安装距离最为有效，因此为了确保数据存储部分可靠回收，弹载黑匣子的安装位置尽量远离导弹战斗部。

4结束语

本文通过对弹载黑匣子设计技术的研究，系统地提出了数据采集、存储、回收等设计方法，并对黑匣子抗冲击特性进行了理论分析，为弹载黑匣子研制应用奠定了基础。通过进一步低成本设计，可广泛用于各类列装导弹，在导弹演习飞行试验出现故障开展归零时，黑匣子录取的数据能够提供充分、可靠的分析依据。

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Design Method of Black Casket in Missile

SHAO Yun-feng, CUI Yu-jiang

(Beijing Inst. of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

Abstract:Based on the theory of black casket in airplane, by using digital bus and interface resource, an overall scheme of black casket in missile and design method of its main functional unit are proposed through the key technology research of signal collection and storage, equipment callback, data storage, power Management etc. The relevant anti-shock environment test is analyzed. Key data of flying missile can be acquired through the black casket. The difficulty of trouble shooting due to lacking telemetry data is solved when a post-deployment missile is flying, and a new technology of data acquisition is also provided for the flight test of missile.

Key words:missile-borne; black casket; analog data acquisition; digital data acquisition; data storage; recover

*收稿日期：2015-08-18；修回日期：2015-10-05

基金项目：有

作者简介：邵云峰(1971-)，男，江苏宜兴人。研究员，硕士，研究方向为导弹电气与测发控总体设计。

通信地址：100854北京市142信箱30分箱17号E-mail：syf90092@sohu.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.032

中图分类号：TN919

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2016)-02-0203-06