装配与试验设计方案优化

膛内装定系统选择火炮原有的发射回路，在弹丸发射前将能量和信息同步传输给引信。该设计不改动火炮结构，仅在发射回路中并联装定器和弹上接收系统，并对电底火进行改造。

整个膛内装定系统由装定器、信道和接收系统三个子系统组成。其中装定器由能量接口、信息接口、信息转换编码模块、调制模块、解调模块、信息解码模块、功率和电流限制模块组成；信道由炮上传输回路、炮闩、底火触点、弹上传输回路组成；接收系统由功率分离模块、反馈模块等组成。其中装定器放置于火炮上，接收系统位于弹丸的引信内，信道与装定器端口的功率和电流限制模块、引信接收端口的装定串扰抑制模块，以及底火桥丝端口的发射串扰抑制模块共同构成信道和串扰抑制系统。各系统组成和连接关系如图5.22所示。

图5.22　膛内装定系统组成框图

由于系统装定和反馈使用相同信道，只能采用半双工模式工作，混合功率分配模型为：

式中，tfk为反馈传输时段。在反馈传输过程中，装定信息传输无法进行，因此设定asend=1以达到最优传输效率。根据式（5.54），混合功率分配法工作时序如图5.23所示。其中，引信的整个工作生命周期（时长为Tlife）被分为两个工作状态：在时长为Tset的第一个工作状态中，装定器同步向引信传输能量和信息；在剩余的工作生命周期中，引信消耗接收到的能量对环境进行探测，并根据探测到的环境信息和装定信息执行起爆控制等任务。第一个时长为Tset的工作状态又可分为四个时间片段：第一个时间片段时长为tset1，装定器在该阶段给引信提供启动能量，该阶段没有任何信息在装定器与引信间传输；第二个时间片段时长为tset2，在该阶段引信向装定器反馈供能确认信息；第三个时间片段时长为tset3，在该阶段装定器对引信进行信息和能量同步传输；第四个时间片段时长为tset4，在该阶段引信向装定器反馈装定状态信息。

图5.23　混合功率分配法工作时序

从图5.23中可以看出：能量消费在整个Tlife持续时间内均存在；能量传输在整个Tset持续时间内均存在；下行信息传输存在于tset3；上行信息传输存在于tset2和tset4。在不同时间片段内，由于系统中参与工作模块的不同，能量传输速率与能量消耗速率也不同，如图5.24所示。其中，时间片段tset1、tset2和tset4传输到能量接收端的功率为Plmt；时间片段tset3传输到能量接收端的功率为（1-asend）Plmt。在时间片段tset1和tset3中，能量消耗为维持接收系统工作所需的恒定功率消耗Pc，在时间片段tset2和tset4中，除恒定功率消耗外，还存在额外的反馈功率消耗Pf。

图5.24　混合功率分配系统结构框图

根据边界条件，能量流串扰抑制系统可由能量限制模块、发射串扰抑制模块和装定串扰抑制模块组成，其结构如图5.25所示。其中能量限制模块位于炮上装定系统内部，串接在装定控制器的输出端与炮闩之间，由以下子模块组成：一是装定电流限制模块，限制装定控制器输出电流，使得装定器输出功率总是小于底火发火系统发火能量；二是能量单向模块，限制能量流方向，只允许能量流从装定系统流出，防止发射能量倒灌入装定控制器导致装定控制器损坏，如图5.26所示。装定串扰抑制模块和发射串扰抑制模块位于弹药内部，装定串扰抑制模块接于底火触点和弹上装定接收系统之间，发射串扰抑制模块则串接于底火触点与底火发火系统之间。二者的原理为：装定串扰抑制模块允许装定能量流通过，并使引信对发射能量流呈现高阻态，防止对发射能量的分流导致发射异常及发射能量流损坏引信；发射串扰抑制模块允许发射能量流通过，并使底火回路对装定能量流呈现高阻态，如图5.27所示。

图5.25　能量流串扰抑制系统结构框图

图5.26　能量限制模块功能示意

图5.27　发射和装定串扰抑制模块功能示意

系统工作过程为：装定控制器在接收到装定指令和装定信息后，将调制过的装定能量输出到能量限制器，能量限制器检测炮闩处能量流状态，在炮闩处未出现发射能量流的情况下将经过限制的装定能量流传输到炮闩，能量流通过炮闩与底火触点分别到达发射串扰抑制器与装定串扰抑制器，二者分别判断通过底火触点的能量流类型。当装定能量流出现在炮闩时，发射串扰抑制器阻止装定能量流通过，而装定串扰抑制器将装定能量流输出到弹上装定接收系统中，装定接收系统利用装定能量流的能量并从中提取装定信息。当发射能量出现在炮闩时，能量限制器立即阻断装定能量流传输，并限制能量流流入装定控制器中。发射能量流通过底火触点与发射串扰抑制器到达底火发火系统，引燃底火发射弹丸，装定串扰抑制器可抑制过大的发射能量流传输到弹上装定接收系统中，防止弹上系统被发射能量损坏。

对于传导串扰，发射能量源为电容储能或恒压源，装定能量源为恒功率源。若装定能量为交流能量，可采用频域特征进行区分。但无源频域区分结构能量损耗较大，有源频域区分结构复杂，状态切换延迟较高。因此，采用直流能量作为装定能量，并采用时域特征对二者进行区分。

发射串扰抑制器设计需满足边界条件式（5.26）和式（5.27）。其中，式（5.26）保证在发射能量出现之前发射串扰抑制器断开，式（5.27）保证从发射串扰抑制器检测到发射能量时刻tl至底火桥丝点燃时刻tu，发射串扰抑制器维持导通。满足该条件的发射串扰抑制器为：

式中，Uj为阈值判别电压；u1（t）为发射串扰抑制器输入电压；{t|u1（t）≥Uj}为u1（t）≥Uj的时刻集合；tj为u1（t）≥Uj时刻的最小值。由式（5.55）得到的发射串扰抑制器为一电压阈值判别模块，其工作过程为：当u1（t）≤Uj时，发射串扰抑制器无输出；当u1（t）≥Uj发生时，发射串扰抑制器导通，并维持导通状态直到u1（t）=0。

能量限制器需要满足的条件包括：

1）边界条件式（5.30）保证发射串扰抑制器损坏时，装定能量流不引起底火发火。对于固定的底火桥丝电阻Rf，其安全输入功率为Pa=I2aRf，其中，Ia为安全电流。因此，需要能量限制器电流输出满足i2（t）≤Ia。

2）电压输出小于发射串扰抑制器的阈值，即u2（t）≤Uj。

3）装定能量满足边界条件式（5.29），引信从装定过程中获得充足的能量。满足以上条件的能量限制器为：

式中，uin（t）为装定控制器输出电压；Ua＜Uj为发射串扰抑制器安全电压。当装定控制器输出电流i2（t）＜Ia时，能量限制器输出为装定控制器输出的等比衰减，当i2（t）≥Ia时，能量限制器输出电压为IaRf。

装定串扰抑制器需满足边界条件式（5.28）和边界条件式（5.29），发射过程中弹上系统不损坏，引信从装定过程中获得充足的能量且装定信息不失真。满足条件的装定串扰抑制器为：

式中，Um为装定接收系统最大允许输入电压。当u1（t）＜Um时，装定串扰抑制器电压输出为u1（t），当u1（t）≥Um时，装定串扰抑制器电压输出为Um。

能量限制器中的能量单向模块需满足边界条件式（5.31），能量单向传输。其方法为：

式中，Ic为能量流换向电流，当i2（t）≥Ic时，认为能量流由装定控制器流向炮闩；当i2（t）＜Ic时，能量流由炮闩流向装定控制器，能量单向模块切断能量流。将式（5.55）～式（5.58）代入式（5.32）即可得到能量流串扰抑制结果。当系统中只存在装定能量流，且装定电流较小时，串扰抑制结果为：

当系统中只存在装定能量流，且装定电流较大时，串扰抑制结果为：

当发射串扰抑制器损坏时，串扰抑制结果为：

当系统中出现发射能量流时，串扰抑制结果为：

式中，Psi为发射能量源瞬时功率。

根据图5.22，膛内装定系统的工作流程描述如下：

1）车载电源启动，通过能量接口装定器提供电源，装定器启动，等待火控传输装定信息和弹药入膛。

2）火控系统发现目标，观测目标类型并测量目标距离，从指挥信息中心下载作战区域的气温、气压、风速、风向、海拔等环境信息，根据所观测到的目标信息解算引信作用方式、作用时间、标准初速和修正系数等引信作用信息。

3）火控系统通过信息接口将引信作用信息传输给装定器，装定器通过信息转换编码模块将引信作用信息按照前节所述发送端功率分配方案进行编码，并通过解调模块检测弹药是否入膛。

4）检测到弹药入膛后，调制模块调制编码信息，把装定能量和信息通过功率和电流限制模块同步加载到信道上。

5）装定能量和信息传输到弹上传输回路后被分为两股，通往底火桥丝的装定能量和信息被发射串扰抑制模块阻止，通往接收系统的能量和信息通过装定串扰抑制系统传输到分离模块。

6）分离模块分离能量和信息，将能量送往供能系统，将信息送往处理系统，处理系统解调并解码装定信息。(www.xing528.com)

7）处理系统根据装定信息解算出反馈信息，并将反馈信息通过反馈模块编码并调制反馈信息，将反馈信息发送回信道中。

8）反馈信息通过信道传输到装定器的解调模块中，经过解调和解码后得到装定结果信息，并通过信息接口传输给火控系统。

火控系统控制车载电源向炮上传输回路输出发射能量，经过弹上传输回路并打开发射串扰抑制模块，将发射能量输出到底火桥丝上，发射弹丸。

为了验证图5.22中装定器和接收系统的传输性能进行了装定试验。试验中设计了两种装定时序，用以对比不同功率分配方案的装定效果，如图5.28所示。时序一：以接收系统上电信号作为信息传输起始点，在该时序中，解码器测量输出电压，当解码器测量到的电压大于接收系统上电电压时，装定器开始发送装定信息，接收系统测量接收端电压，当接收端电压达到充电完成电压时，接收系统发送反馈信息；时序二：以充电完成信号作为信息传输起始点，解码器测量输出电流，当输出电流减小到接收系统工作电流时，开始信息传输，接收系统在结算出反馈数据后，立即发送反馈信息。

图5.28　装定试验时序图

试验中的被试品包括一个装定器以及一个灵巧引信。引信供能系统中储能模块为200μF的电容，稳压芯片为LTC3642型DC/DC，其最小工作电压为4.5V，选取5V作为接收系统上电电压。

试验结果如图5.29所示。其中，共进行了三组装定试验：a.在充电完成时发送装定信息；b.在接收系统上电后发送装定信息，发送端功率分配比例为9/64；c.在接收系统上电后发送装定信息，发送端功率分配比例为9/16。试验中，测量得到接收系统信息输入端的信噪比约为20dB，装定信息传输总时长均为8ms，反馈信息传输总时长均为1.6ms。试验a的能量传输完成时间为57ms，总传输完成时间为69ms，试验b的能量传输完成时间和总传输完成时间均为63.2ms，试验c的能量传输完成时间和总传输完成时间均为62.4ms。虽然试验a充电完成时间较短，但由于在充电完成后才进行信息传输，总传输时间较长。对比试验b和试验c可以看出，增加发送端功率分配比例，可以减小总装定完成时间，其原理为，根据前述优化算法，在试验所处的噪声环境下，信息传输所需要的功率很小，而试验中所用的功率分配比例远超信息传输所需。

图5.29　信息和能量同步传输试验结果

对比试验b和试验c可知，试验所得到的传输时长与仿真结果很接近，但未达到该信噪比条件下信息和能量同步传输的最短传输时长58.2ms。

试验结果表明，根据装定模型及功率分配优化算法设计的装定时序和发送端功率分配方案，能够有效地缩短装定时间，在保证充足的能量供应的同时，提高装定信息的实时性。试验结果与理论计算得到的最短传输时长尚有一定距离，其原因为，为保证在不同环境下的信息传输可靠度，设置了远高于当前信噪比条件下最短传输时长的信息传输功率，且为校正控制基准误差，将装定信息传输总时长统一为8ms，限制了装定信息传输速率。

通过试验验证串扰抑制系统对能量流串扰的抑制效果，同时探究串扰抑制系统对能量传输的影响。试验内容包括：测试功率、电流限制模块的功率和电流限制效果；验证发射串扰抑制模块以及装定串扰抑制模块在发射能量流和装定能量流下的工作状态；验证同步传输系统在添加了串扰抑制系统后的传输性能变化情况。

功率和电流限制模块功能试验如图5.30所示。

图5.30　功率和电流限制模块功能试验现场布置

（a）试验现场布置；（b）试验用电底火

首先，验证功率和电流限制模块对装定能量流的限制效果。试验方法为：首先，用带有功率和电流限制模块的装定器对一可调电阻输出能量，测量其在不同阻值下的电压值，并计算当前电流值，根据电流和电压测量结果判断模块工作状态。其次，用装定器对某型电底火输出装定能量（该电底火无发射串扰抑制模块），观察电底火是否会被装定能量点燃，试验现场布置如图5.30（a）所示，试验中，为保证现场安全，电底火被放置于一个隔离房间内，试验用电底火如图5.30（b）所示。

图5.31展示了装定能量对可调电阻的输出结果。可调电阻的取值为10～5 000Ω，当输出电压小于11.6V时，输出电流几乎不变；当输出电压稳定在11.6V时，输出电流随电阻的上升而减小。通过图5.31得到模块平均电流限制为47.2mA，平均功率限制为0.55W，满足指标要求。

图5.31　装定能量对可调电阻的输出结果

表5.2展示了装定能量对无发射串扰抑制模块的电底火的输出结果。在试验中，共采用经过常温15℃保温的底火40枚，低温-55℃保温的底火30枚和高温70℃保温的底火30枚，对每枚底火输出三次装定能量，观察底火是否发火。在试验中，所有底火均未发火。观察试验前和试验后的底火平均电阻可知，底火电阻在试验前后无变化。

表5.2　装定能量对无发射串扰抑制模块的电底火的输出试验结果

接着，验证模块对发射能量流的限制效果。试验方法为：在装定系统的输出端并联接入一个24V恒压源，在试验开始时关闭恒压源，装定系统按照装定流程执行操作，在装定过程中及装定完成后打开恒压源，观察功率和电流限制模块两端的电流电压变化情况。

试验结果如图5.32所示。其中，炮闩的电压为曲线炮闩输入；当功率和电流限制模块不存在时，装定器输出端的电压为装定器输出1；当功率和电流限制模块存在时，装定器输出端电压为装定器输出2。从图5.32中可以看出，在击发能量出现前，炮闩处电压与装定器输出电压相同。当击发能量输出时，在功率和电流限制模块不存在的条件下，击发能量直接倒灌入装定器，将装定器电压拉升到与击发电压一致，此时装定器实测输出电流为-113mA，存在较大能量输入；当装定器中存在电流检测等类型的元件时，此反向电流会导致其负载过大，降低其可靠性及使用寿命。在功率和电流限制模块存在的条件下，当击发能量出现在炮闩时，装定器输出端保持其电压稳定，且无电流输入或输出，装定器不会被损坏。

图5.32　发射能量对装定器的影响试验

发射串扰抑制模块功能试验如图5.33所示。

图5.33　发射串扰抑制模块及其测试连接照片

发射串扰抑制模块集成在底火连接电件中，如图5.33所示。试验内容为：第一，试验发射串扰抑制模块在不同电压下的状态变化规律；第二，测试发射串扰抑制模块的导通电压散布；第三，测量装定能量输出时底火桥丝两端的电压波形。试验参数为：发射串扰抑制模块最大截止电压设定为16V，两个标称值为1Ω的串联大功率电阻被用来模拟底火桥丝。

试验一：模拟桥丝起爆试验。试验方法为：采用电容充电电压为12～30V的1 000 uF电解电容对发射回路放电，测量放电时刻前后发射回路和底火桥丝两端的电压。试验结果如图5.34所示。其中，发射电容分别充电至12V、18V、24V和30V；电容电压为12V时，发射串扰抑制模块断开，发射回路电压为12V，桥丝两端电压为0V；电容电压为18V、24V和30V时，发射串扰抑制模块导通，回路中出现放电波形，由于试验用放电开关和回路导线存在一定的内阻，开关导通后回路的最大电压小于电容充电电压。12～30V的电容充电电压、回路电压和桥丝电压之间的关系见表5.3。当开关未导通时，充电电压与回路电压之间无电压差；开关导通后，由于桥丝电阻很小，回路中的电阻损耗导致回路电压低于充电电压，但导通点依然在14～16V，回路电阻对导通点无影响；回路电压与桥丝电压间的电压差很小，表明发射串扰抑制模块压降很小。

图5.34　模拟桥丝爆发试验电压波形

（a）发射回路电压；（b）桥丝两端电压

表5.3　电容充电电压、发射回路电压和底火桥丝电压间的关系　　V

试验二：导通点散布测量试验。选取100个发射串扰抑制模块，换至上述测量回路中，在14～16V范围内以0.1V为间隔，分别测量其导通点，测量结果如表5.4所示。其中，完全导通点的散布很小，最大完全导通点为15.9V，能够满足16V发火的指标要求。试验中发现发射串扰抑制模块存在两个导通点：临界导通点和完全导通点，如图5.35所示。

表5.4　导通点散布测量试验结果　　V

图5.35　临界导通波形

当发射电容电压小于临界导通点时，桥丝两端的电压为0；当发射电压大于临界导通点且小于完全导通点时，桥丝两端会出现一个持续时间很短的脉冲电压；当发射电容电压大于完全导通点时，电容能够对桥丝正常放电。最小临界导通点14.3V可以作为串扰抑制模块电压抑制上限，装定能量流中最大电压不允许超过最小临界导通点。

试验三：装定噪声对底火桥丝的影响。试验方法为：用装定器对发射回路输出装定能量，观察底火桥丝两端的噪声变化情况，试验结果如图5.36所示。图5.36（a）中，装定系统未接入回路，此时平均功率谱密度为-47dBW；图5.36（b）中，能量正在传输，此时平均功率谱密度为-46dBW；图5.36（c）中，能量和信息正在同步传输，此时平均功率谱密度为-46dBW。对比这三张图可知，在回路中无装定系统时，噪声功率比装定时小约1dB，没有明显差距，表明装定噪声能够通过发射串扰抑制模块传导至底火中，但与本底噪声相比，装定噪声很小，不会导致桥丝两端的噪声功率明显增加。

试验结果表明，功率和电流限制模块的电流限制为47mA，功率限制为0.55 W，满足设计指标要求；所设计的功率和电流限制模块能够保证在发射串扰抑制模块损坏或不带有发射串扰抑制模块时，装定能量不会导致电底火发火；不论装定过程是否正在进行，功率和电流限制模块均能够有效地限制发射能量流入装定器，防止装定器损坏。

所设计的发射串扰抑制模块能够在电压大于导通电压时可靠导通，导通后除非电压下降到0，否则模块不会截止，满足功能要求；模块导通电压范围为14.3～15.9V，且散布很小，最大导通电压小于16V，满足最小发火电压要求；最小临界导通电压为14.3V，大于装定所用12V电压，满足串扰抑制需求。泄漏到底火桥丝上的噪声远小于环境噪声，不会对桥丝造成影响。

图5.36　底火桥丝两端噪声

（a）回路中无装定系统；（b）装定能量输出阶段；（c）能量和信息同步输出阶段