固体火箭发动机电容充电式点火控制系统设计

王晓晖， 陈 纲

(1.中国航天科技集团公司 第四研究院第四十一研究所 燃烧、流动和热结构国家级重点实验室，西安 710025； 2.陕西电器研究所，西安 710025)

0 引言

固体火箭推进剂的顺利点火是火箭发动机正常工作的关键因素，有可能直接影响发动机的全程工作状态和系统飞行试验结果。对于一个性能良好的点火系统来讲，必须保证在发动机的技术指标范围内，可靠地点爆发动机火工品。基于固体发动机的点火特性，实际应用时一般采用电起爆器作为发动机的发火元件，由一定功率的激励源完成电起爆器的激活，通过其内部的具有一定阻值的桥丝，实现从电能到热能的转换，加热桥丝周围的点火药包并起爆主装药。

发动机是构成火箭的总体质量和结构外形的主体部分，其特性决定了需要提供较大的点火电流和瞬间功率，才能实现发动机的正常点火。以往的点火系统在实现发动机点火控制时，大都是采用具有较大输出参数的电源模块或供电电池，利用其放电实现发动机的点火控制。由于大容量的供电电池或电源模块不仅体积庞大而且质量沉重，故整个点火控制系统的外形和重量均不利于外场携行和设备展开，也不便应用于对安装空间有要求的载体。如果能够应用体积小、质量轻的小容量电源模块或电池给电容充电，存储完成发动机点火所需的能量，利用电容瞬间放电实现对电起爆器的激活，就可以降低电源模块的参数，大大减小点火控制系统整套设备的质量和体积。

综上需求，本文对电容充电式点火控制系统进行了整体设计，以假定电起爆器的点火电流为大电流5～10 A，且大于5 A的持续时间需要大于50 ms进行论述，给出了充放电电路的参数计算方法，设计了充/放电控制电路、激励转换电路及火工品安全保护电路等，探讨了电容充放电电路的状态特性，为进一步研究充电式点火提供了一种测控手段。

1 电容充电式点火控制系统组成及原理

1.1 系统组成

电容充电式点火控制系统由交流电源、直流电池、点火控制器和相关电缆组成。其中点火控制器为整个系统的核心设备，由电源单元、检测单元和发射控制单元三部分组成。考虑为了便于外场野外环境使用，点火控制器的供电输入方式设计为交、直流两种形式，依据不同的控制信号，可将处理后的交流信号或直流电池激励接入电容充电电路，配合控制电路完成发动机火工品点火。具体系统组成结构框图如图1所示。

图1 电容充电式点火控制系统组成结构框图

1.2 工作原理

电容充电式点火控制系统电气原理图如下图2所示，点火控制器面板布局示意图如下图3所示，下面结合图2～3对系统工作原理进行说明。

图2 电容充电式点火控制系统电气原理图

图3 点火控制器面板布局示意图

在常态时，由点火控制器内部的安全保护电路完成对发动机火工品的保护。当需要对发动机火工品进行点火控制时，按照现场环境选择合适的输入激励(内场或者有220 V的外场环境选择交流电源作为输入激励，没有220 V的外场环境选择直流电池作为输入激励)，接入内部的直流电源升压转换电路(按下“交流供电”开关后，即将交流电源接入点火控制器。首先需经过一组AC-DC电源模块，完成输入交流信号的直流变换，然后再接入直流电源升压转换电路；按下“直流供电”开关后，即将点火控制器内部装载的电池的输出信号直接接入直流电源升压转换电路)。直流电压信号经过升压转换电路调理后，作为充电电压，可待接入电容充电电路。

当需要进行火工品点火时，将电容充放电选择开关拨至“充电”档，接通电容充电电路，即可对电容进行充电，同时应用数字表头对电容两端的电压进行实时监控。待在点火控制器的表头上观测到电容两端电压满足要求后，将充放电选择开关拨至“关闭”档(空档)，断开电容充电电路，然后将保险开关拨至“打开”档，去除火工品的安全保险，按下“点火控制”开关，接通火工品的点火控制通路，即可实现发动机的点火控制。当因外因需要取消发射时，将充放电选择开关拨至“放电”档，接通电容放电电路，即可对电容进行放电，待在点火控制器的表头上观测到电容两端电压为零后，将充放电选择开关拨至“关闭”档(空档)，断开电容放电电路，然后将保险开关拨至“关闭”档，接通火工品的安全保险，为发动机火工品提供安全保护回路，即可恢复常态。

2 点火控制器设计与实现

点火控制器由电源单元、检测单元和发射控制单元三部分组成，检测单元包含多组开关状态指示灯及数字电压监控表头，用于完成对给点火控制器供电的220 V交流电压、给点火控制器供电的24 V直流电池电压、电容充电/放电电压及点火控制状态的实时监测，工作原理较为简单，故着重对电源单元和发射控制单元进行介绍。

2.1 电源单元设计

考虑为满足外场无交流供电条件下使用的环境要求，点火控制器采用交流、直流两种供电输入形式，故电源单元包含3部分电路，分别为交流电源供电电路、直流电池供电电路和激励转换电路。

2.1.1 电源模块电压的选择

根据国家标准，电源模块的直流电压应是5 V、12 V、24 V、28 V、48 V、96 V等标准电压。由于电容放电点火电流呈指数衰减，要满足上述要求，必须提高点火电流的初始值。因此，按照点火电流初始值为9～12 A进行点火电压选择。

如果点火电压选择48 V，则整个点火回路阻值应在4.0～5.3 Ω。扣除点火电缆的线路阻值和火工品的阻值，点火电路的限流电阻应为1～1.7 Ω，查常用元器件手册可知，大功率电阻阻值为1 Ω、2 Ω档，因此限流电阻可选择为1 Ω。如果点火电压选择96 V，则整个点火回路阻值应在8.0～10.7 Ω，限流电阻应为5～7.1 Ω，查常用元器件手册可知，大功率电阻阻值为5 Ω、6.8 Ω、10 Ω档，因此限流电阻可选5 Ω、6.8 Ω。

选择48 V作为点火电压的优点是：电压较低，性价比好；缺点是：限流电阻只能选择1 Ω，此数值恰好落在选择阻值范围的下限，由于火工品点火电流规定有上、下限范围，如果点火回路的阻值有一个0.1 Ω的变化范围，则点火电流就无法满足要求。选择96 V作为点火电压的优点是：限流电阻可以选6.8 Ω，此数值落在阻值选择范围的中间，线路阻值的轻微变化不易导致点火电流超出范围。综合考虑点火功率等因素，故选择96±3 V电压作为点火电压，便于选择常用规格的电源模块和电路元器件。

2.1.2 直流电池电压的选择

点火控制器可以选择直流电池作为直流输入，兼顾考虑交流输入时，完成交直流变换的DC-DC电源模块的输入参数，可以选择24 V或12 V电压的激励。由于12 V蓄电池为4 Ah容量，不足以提供点火所需能量，故选择两块12 V电池串联后给点火控制器进行供电。

2.1.3 电源电路

根据外接直流供电激励选择24 V电池，电容充电选择96 V电压的要求，点火控制器中的交流供电方式采用一个AC-DC(24 V)电源模块和一个DC-DC(24～96 V)电源模块进行功能实现；直流供电方式则将电池直接接到DC-DC(24～96 V)电源模块上，将24 V电压转换为96 V电压进行充电、点火。具体电路原理如图4所示。

图4 电源电路原理示意图

1)交流电源供电电路:

点火控制器外接交流电源为220 V、50 HZ交流电，在点火控制器面板上设置交流供电控制开关(SK1)，用于控制点火控制器的交流电源的输入或断开。

2)直流电池供电电路:

直流电源仅在无交流供电的情况下使用，用两个12 V电池串联后作为直流电源，在点火控制器面板上设置有直流供电控制开关(SK2)，用于控制点火控制器的内部电池的输入或断开。

3)激励转换电路:

点火控制器中用一个DC-DC电源模块将24 V直流信号转换为5 V，用于为数字电压监控表头和指示灯供电；用一个AC-DC电源模块将220 V交流信号转换为24 V，用于后级电压调理；用一个DC-DC电源模块将24 V直流信号转换为96 V，用于为电容进行充电，实施火工品的点火。

2.2 发射控制单元设计

发射控制单元包含三部分电路，分别为电容充放电控制电路、安全保护电路和点火控制电路。安全保护电路主要用于在常态时为火工品提供一种保护手段，对静电等干扰进行有效释放，在此不再赘述。具体电路原理如图5所示。

图5 发射控制电路原理示意图

2.2.1 电容充放电控制电路

点火控制器面板上设置有一个单极三位选择开关(SK3)，控制电容的充放电，分别为“关闭”档、“充电”档、“放电”档。为防止充电瞬间电压超限，对点火电路造成影响，在电容两端并联瞬变电压抑制二极管，对电路进行保护。

2.2.2 点火控制电路

假定火工品点火线路为两路独立的回路(如火工品有多组点火回路时，同理计算即可)，其点火电压由充电电容提供。点火控制器面板上分别设置有“点火保险”开关(SK5)、“点火控制”开关(SK6)，控制火工品的点火。由于点火时的初始电流较大，“点火保险”、“点火控制”功能均采用电磁继电器进行控制。

2.2.3 电容参数选择

2.2.3.1 选取原则

在选取放电电容与回路电阻时，需要考虑以下两个主要因素：

1)为了保证较大的点火电流，回路电阻应该减小，但会造成放电时间常数τ变小，点火电流持续5 A以上的时间也相应缩短；

2)为了延长放电时间常数τ，需要增加回路电阻或电容容量。增大回路电阻会使点火电流减小，增大电容容量会使元器件成本增高，且体积增加。

综合以上分析，需要对电容及电阻的取值进行平衡选择：

首先，需要保证点火电流足够大。由于电容的放电电流呈指数衰减，所以电流初始值应较大，假定选择点火电流初始值为9～12 A。因为点火电压为96±3 V，所以回路电阻应在7.75～11.0 Ω范围内。其次，需要计算在不同回路电阻时，能够保证点火电流大于5 A且持续时间大于50 ms所需的电容容量。

2.2.3.2 电容参数选择

由于点火电压为96±3 V，而电容电压有63 V、100 V档，因此选择电压为100 V的电容。电容容量选取如下，首先需计算单个点火回路所需的电容容量：

由常规原理，电容放电电压计算公式为： :

由此可得，电容放电电流计算公式为：

经转化后，得到电容容量的计算公式：

其中：R为放电电阻阻值，在这里为单个点火回路的实测阻值9.3～10.1 Ω。

为了满足单个回路点火电流大于5 A，且持续时间大于50 ms的要求，电容容量C应为满足点火要求的最小取值。其中t=50 ms，I=5 A，R=10.1 Ω，U0=93 V，计算结果为：

表1是对应不同回路电阻R时，电容C的最小取值：

表1 对应不同回路电阻R的电容计算结果

由表中数据可以看出，回路电阻为7.0 Ω时所需电容容量最小。

2.2.3.3 理论计算曲线

图6是U0=96 V，C=10 000 μF，R分别为6.0 Ω、7.0 Ω、8.0 Ω、9.0 Ω、10.0 Ω、11.0 Ω、12.0 Ω时的点火电压理论曲线(U0=96 V，C=10 000 μF)。图7是点火电流理论曲线(U0=96 V，C=10 000 μF)。

图6 点火电压理论曲线 图7 点火电流理论曲线

表2列出了点火电流降至5 A(U0=96 V，C=10 000 μF)所需的时间。

表2 点火电流降至5 A所需时间

2.2.3.4 电容参数选择

综上计算，单个回路所需电容容量最小取值为8 108 μF，那么两路回路所需电容容量最小取值则为8 108×2=16 216 μF。根据表3的计算结果，并考虑余量，单个回路的点火电容不应小于10 000 μF。查表可知，100 V的电容容量有10 000 μF、22 000 μF、47 000 μF档，根据电容容量最小取值，并考虑预留一定容量，选择充电点火电容为1只容量22 000 μF、耐压100 V的铝电解电容器，同时为两路点火回路提供能量。

2.2.4 充放电电阻选型

由于96 V电源模块选取了0.5 A的电流参数，因此电容最大充电电流必须小于0.5 A。电容的充电电流计算公式如下：

电容充电时间常数计算公式为：τ=RC。表3列出了不同充电电阻档所对应的最大充电电流及充电时间常数。其中U0=96 V，C=22 000 μF。

表3 不同充电电阻档的最大充电电流及充电时间常数

由表可知，220 Ω电阻的最大充电电流余量较小，470 Ω电阻的充电时间常数又太长，经比较考虑，选择330 Ω充电电阻较为合适。电容放电电阻选择与充电电阻相同规格型号的电阻，这样保证充放电时间常数一致，便于测试。

3 试验情况

系统研试完成后，经过多次模拟点火试验考核。在各项试验中，均可正常实现点火，且操作使用可靠。点火测试数据表明：单个点火回路电流大于 5A且持续时间均大于50 ms，满足设计要求。

3.1 电容充放电电路测试

将电容充放电选择开关(SK1)打至“充电”档，从数字电压表头监测点火电压，电压慢慢升至96 V，满足要求。电容充电时间常数的计算如下1)条所示，充电曲线如下图8所示；将电容充放电选择开关(SK1)打至“放电”档，检查点火电压，电压从96 V慢慢下降至零，满足要求。电容放电时间常数的计算如下2)条所示，放电曲线如图9所示。

1)根据电容充放电曲线计算电容充放电时间常数，具体计算如下：

电容充电电压U充计算公式：

充电电压U0=96 V，当t=τ=RC时，U充=96×(1-0.368)=60.67 V

即电压从0 V升至60.67 V时，充电时间即为一个充电时间常数τ充，由充电曲线可知τ=8.2 S，满足7.26S±15%要求。

2)根据电容充放电曲线计算电容充放电时间常数，具体计算如下：

电容放电电压U放计算公式：

放电电压U0= 96 V，当t=τ=RC时，U放=U0·e=96·0.368=35.33V

即电压从96 V降至35.33 V时，放电时间约为一个放电时间常数τ放，由放电曲线可知τ=7.9 S，满足7.26S±15%要求。

图8 电容充电曲线 图9 电容放电曲线

3.2 点火功能试验

将电容充放电选择开关(SK1)打至“充电”档，检查点火电压，电压慢慢升至96 V，满足要求。

两路点火电路的点火曲线如图10～图13所示，由点火曲线可以看出：

1)第一路点火电路第一次点火最大电流为：

大于5 A的持续时间为：75-0=75(ms)

2)第一路点火电路第二次点火最大电流为：

大于5 A的持续时间为：67-3=64(ms)

图10 第一路第一次点火曲线 图11 第一路第二次点火曲线

3)第二路点火电路第一次点火最大电流为：

大于5 A的持续时间为：80-0=80(ms)

4)第二路点火电路第二次点火最大电流为：

大于5 A的持续时间为：70-0=70(ms)

综上结果可得：两路点火电路最大点火电流均介于9～12 A，且电流大于5 A的持续时间均大于50 ms。

4 结束语

电容充电式点火电路的性能主要由充电电压和储能电容两项参数决定，该电路采用电容储能放电的方式对火工品实施点火，瞬间放电能力完全可以满足火工品对点火电流和点火功率的要求。以其为技术基础研制的电容充电式点火控制系统能够保证发动机火工品在试验、使用时的安全性；同时，轻巧便携、控制精度高、展开迅速等优点使其在未来的发射控制技术领域中有着广阔的应用前景，有效提高了点火系统的工作效率，将使固体火箭发动机的点火控制技术上一个新的台阶。