一种固液动力探空火箭的控制系统

摘要

本发明公开了一种固液动力探空火箭的控制系统，由地面测试发射控制部分和箭载控制部分组成。本系统主要完成三项任务：一是实现箭载设备的地面供电转为箭载供电；二是完成固液动力探空火箭发射前的测试准备，实现发射控制以及安全控制等功能；三是对固液动力探空火箭进行变推力控制，并对其状态进行监控、采集和记录。本发明提出的一种固液动力飞行器控制系统，在火箭发射前，能够实现对箭载重要设备监控、点火测试以及紧急排险等功能；在火箭启动后，箭载控制部分依控制要求可实现推力调节控制；在飞行任务结束后，按照控制要求对液体推进剂主路、辅路通道阀门进行控制，以实现对通道内残余推进剂的清理。同时，在整个飞行过程中，箭载控制部分还将对反映固液火箭发动机工作状态的参量进行实时地数据采集、记录。

主权项

一种固液动力探空火箭的控制系统，包括地面测试发射控制部分A和箭载控制部分B；地面测试发射控制部分A包括地面测控计算机、远程手动控制盒和地面操控箱；其中，地面操控箱放置于发射架附近，远程手动控制盒和地面测控计算机位于安全距离以外，对固液动力探空火箭进行远程监控；远程手动控制盒包括电源开关、程序使能开关、模式选择开关、箭载控制部分强制紧急断电开关、启动阀门输出紧急断电开关、点火器输出紧急断电开关、高压排气阀开关、贮箱预增压阀开关、贮箱泄压阀开关以及贮箱液体泄放阀开关和远程手动控制盒输出接口；电源开关为远程手动控制盒的电源开关，还远程控制地面操控箱(5)供电；程序使能开关用于开启地面操控箱内的PLC控制程序运行；模式选择开关用于启动地面测控计算机与地面操控性之间通讯；箭载控制部分强制紧急断电开关用于切断箭载控制部分B的供电；阀门输出紧急断电开关用于切断启动阀门的供电；点火器输出紧急断电开关用于切断点火器的供电电源；高压排气阀开关、贮箱预增压阀开关、贮箱泄压阀开关以及贮箱液体泄放阀开关分别对高压排气阀、贮箱预增压阀、贮箱泄压阀、贮箱液体泄放阀的状态进行控制；输出接口与地面操控箱的远程手动控制盒接口相连，实现远程手动控制盒与地面操控箱间的通讯，并且地面操控箱电源开关通过远程手动控制盒的电源开关控制；地面操控箱控制面板上电压表包括逻辑电源电压表、启动阀门电源电压表、点火器电源电压表、启动阀门输出接口电压表、点火器输出接口电压表、高压排气通路电压表、贮箱预增压通路电压表、贮箱泄压通路电压表、贮箱液体泄放通路电压表；上述电压表分别用于显示地面操控箱内电源电压、启动阀门电源电压、点火器电源电压、启动阀门输出接口电压、点火器输出接口电压、高压排气阀控制的排气通路电压、贮箱预增压阀控制的通路电压、贮箱泄压阀控制的通路电压和贮箱液体泄放阀控制的通路电压；地面操控箱控制面板上的开关量包括地面操控箱电源开关、逻辑电源开关、远程手动控制盒电源开关、点火器电源开关、启动阀门电源开关、点火器输出短路开关、启动阀门输出短路开关、高压排气阀短路开关、贮箱预增压阀短路开关、贮箱泄压阀短路开关、贮箱液体泄放阀短路开关，上述开关量分别用来实现对地面操控箱供电、逻辑电源、远程手动控制盒、点火器电源、启动阀门电源、点火器、启动阀门、高压排气阀、贮箱预增压阀、贮箱泄压阀、贮箱液体泄放阀的控制；地面操控箱控制面板上的状态指示量包括地面供电信号灯、转电信号灯、复位信号灯；当固液动力探空火箭的控制系统由地面交流220V供电时，地面供电信号灯亮；当地面测控计算机给出“转电控制信号”时，地面转电信号灯亮；当地面测控计算机给出“复位与紧急断电控制信号”时，复位信号灯亮；当固液动力探空火箭进入发射准备状态时，切断地面交流220V供电电源，则地面供电信号灯灭；地面操控箱上的对外接口包括通讯口、地面操控箱与远程手动控制盒接口、综合输出接口、箭载部分控制接口、点火器输出接口、启动阀门输出接口、交流电源接口；地面操控箱的通讯口与地面测控计算机的通讯口通过9芯标准D型串口连接，通讯线路本身具有232通讯协议转485通讯协议的功能，当远程手动控制盒的模式选择开关开启时，实现远距离地面测控计算机与地面操控箱的通讯与控制；地面操控箱与远程手动控制盒接口，与远程手动控制盒的输出接口相连；闭合地面操控箱远程手动控制盒电源开关和远程手动控制盒的总开关，地面操控箱和远程手动控制盒就联系在一起；地面操控箱的启动阀门输出短路开关与远程手动控制盒的启动阀门输出紧急断电开关、地面操控箱的贮箱预增压阀短路开关与远程手动控制盒的贮箱预增压阀开关、地面操控箱的贮箱泄压阀短路开关与远程手动控制盒的贮箱泄压阀开关、地面操控箱的贮箱液体泄放阀短路开关与远程手动控制盒贮箱液体泄放阀开关一一对应，综合输出接口与箭上高压排气阀、贮箱预增压阀、贮箱泄压阀、贮箱液体泄放阀的供电两端通过14芯的航空插头相连，实现对阀门动作的控制；箭载部分控制接口与箭载控制部分B通过7芯的航空插头相连，实现与箭载控制部分B的供电控制；地面测控计算机发出的“转电控制信号”、“地面供电信号”、“复位与紧急断电信号”先传给地面操控箱，地面操控箱再将信号通过箭载部分控制接口传输至箭载控制部分B的单片机89C51中；当地面测控计算机发出“转电控制信号”时，箭载控制部分B的供电转换模块使得箭载控制部分B的供电由地面供电转换为箭载供电；点火器输出接口与箭上点火器通过5芯的航空插头相连；地面操控箱的点火器输出短路开关闭合或远程手动控制盒点火器输出紧急断电开关开启，两种状态只要具备其一，地面操控箱点火器输出接口就是短路的；当固液动力探空火箭发射前出现紧急情况时，远程手动控制盒的点火器输出紧急断电开关开启，远距离切断地面操控箱点火器输出接口与电的联系，使发动机的点火器不能点火；启动阀门输出接口与启动阀门通过4芯的航空插头相连；地面操控箱的启动阀门输出短路开关闭合或远程手动控制盒启动阀门输出紧急断电开关开启，两种状态只要具备其一，地面操控箱启动阀门输出接口就是短路的；同时，探空火箭发射出现紧急情况时，远程手动控制盒的启动阀门输出紧急断电开关开启，远距离切断地面操控箱的启动阀门输出接口与电的联系，使探空火箭启动阀门不能开启；交流电源接口与交流220V电源相连；当地面操控箱电源开关开启时，交流220V电源将为地面操控箱、箭载控制部分B供电；此时，闭合逻辑电源开关，则逻辑电源电压表显示逻辑电源输出电压24V；闭合启动阀门电源开关，则启动阀门电源电压表显示启动阀门电源输出电压28V；闭合点火器电源开关，则点火器电源电压表显示点火器电源电压24V；箭载控制部分B包括箭载控制电路和箭载数据采集电路；箭载控制电路包括供电转换模块、单片机控制阀门动作模块、控制阀门电压的反馈模块、单片机复位和存储模块；其中，单片机的型号为89C51；供电转换模块与地面操控箱的箭载部分控制接口相连，用于实现箭载监控系统的供电电源由地面供电转换为箭载供电；当固液动力探空火箭进行地面测试时，箭载控制部分B所需的电源由地面操控箱提供；当固液动力探空火箭准备发射前，地面测控计算机发出“转电控制信号”，驱动箭载控制电路的供电转换模块；当断开地面操控箱的供电时，箭载电池单独为箭载控制部分B供电；单片机控制阀门动作模块和控制阀门电压的反馈模块均与连接增压阀门、辅路吹除阀门和主路吹除阀门的供电正负端相连；通过单片机控制阀门动作模块对液体推进剂的增压阀门、辅路吹除阀门和主路吹除阀门的状态进行控制，单片机控制阀门动作模块按照控制要求输出三路控制信号，三路控制信号经过3‑8译码器后，再由达林顿管分别驱动控制增压阀门、辅路吹除阀门、主路吹除阀门的三个继电器的常闭触点断开、常开触点吸合，进而使得三个阀门按控制时序要求动作；控制阀门电压的反馈模块实现对三个阀门供电电压信号进行分压、隔离的处理，经处理后的信号反馈给单片机控制阀门动作模块，如果单片机控制阀门动作模块没有监测到符合设计要求的阀门电压值信号，则重新发出触发信号，重新驱动阀门动作，直至成功监测到符合设计要求的阀门电压值；单片机控制阀门动作模块记录的阀门电压值以及阀门动作时刻值数据均存储在单片机复位和存储模块中；单片机复位和存储模块与STM32微控制器模块相连，可在箭载控制部分B上电、掉电或者出现异常情况时，产生一个复位信号，使得单片机89C51和箭载数据采集电路的STM32微控制器复位；单片机控制阀门动作模块进行延时控制所需的数据，存储在单片机复位和存储模块的存储器中，供单片机89C51单片机读取和存储；STM32微控制器记录的相关信息存储在箭载数据采集电路的数据存储模块中，不会因上电、掉电或异常情况发生而造成数据的丢失；箭载数据数据采集电路包括数字电路板和模拟电路板，数字电路板直插于模拟电路板上，两块电路板间通过双列矩形针式连接器连接；模拟电路板上的模块包括总供电模块、调压模块、加速度计输出转换模块、电磁阀开关量转化模块、压力传感器输出信号的调理模块以及滤波模块；总供电模块与箭载电池相连；当箭载控制电路的供电转换模块接收到地面测控计算机发出的“转电控制信号”，并成功实现由地面供电转为箭载供电时，箭载电池将为箭载控制部分B供电；此时，箭载控制部分B即进入了发射准备状态；箭载数据数据采集电路的调压模块内包含电平转换芯片，将箭载电池提供的电压进行转换、分配，为箭载数据采集电路上的其他模块以及液体推进剂的贮箱压力传感器、气瓶压力传感器增压阀门、增压阀门、辅路吹除阀门和主路吹除阀门提供有效的供电电压；加速度计输出转换模块接收箭上X轴加速度计、箭上Y轴加速度计、箭上Z轴加速度计分别输出的X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度信号，以将加速度计的输出为集中于+2.5V的±4V的差分输出转换为集中于0.0V的单端输出，转换后的信号输入至数字电路板的数据采集模块；电磁阀开关量转化模块接收液体推进剂的增压阀门、辅路吹除阀门和主路吹除阀门三个阀门的电压信号；电磁阀开关量转化模块根据增压阀门、辅路吹除阀门、主路吹除阀门两端的电压，将电磁阀通电情况转换为“0”表示关闭、“1”表示开启的数字量，数字量输出至滤波模块，滤波模块对数字量信号进行滤波处理，然后输出至数字电路板的STM32微控制器模块内的flash缓存中；压力传感器输出信号的调理模块接收贮箱压力传感器、气瓶压力传感器分别输出的贮箱压力值、气瓶压力值，压力传感器的输出均为4～20mA的电流信号；将贮箱压力传感器、气瓶压力传感器的输出信号接入调理模块，将电流信号调整为STM32微控制器采集的电压信号；经调理后的信号输出至数字电路板的STM32微控制器模块，STM32微控制器模块内部的AD转换模块将调理后的模拟信号转换为数字信号，并将得到的数字信号缓存在其flash缓存中；数字电路板上的模块包括数据采集、数据存储模块、数据传输电路、数字电路板供电模块以及STM32微控制器模块；数据采集模块用于接收加速度计输出转换模块调理后的加速度计信号，以将模拟信号转换为数字信号；同时，数据采集模块的输出还直接与STM32微控制器的I/O引脚直接相连，使得转换后的数字信号直接输入至STM32微控制器模块内的flash缓存中；数字电路板供电模块与模拟电路板的总供电模块相连，其内也包括多电平转换芯片，以对从总供电模块得到的电压进行电平转换、分配，为数字电路板上的各个用电模块供电；STM32微控制器模块内的flash缓存中的缓存数据包括对经采集、处理后的箭上X轴加速度计、箭上Y轴加速度计、箭上Z轴加速度计、贮箱压力传感器、气瓶压力传感器、增压阀门、辅路吹除阀门和主路吹除阀门的输出信号；当箭载控制部分B的供电由地面供电转换为箭载供电时，这些实时信号将会合成一个数组，按控制时序要求，传输到数据存储模块中，以对采集的数据进行记录；高压排气阀的供电两端接入地面操控箱的综合输出接口，实现对高压挤压气瓶内的高压气体控制；具体而言，高压排气阀由地面操控箱的高压排气阀短路开关和远程手动控制盒高压排气阀开关控制；当地面操控箱的高压排气阀短路开关闭合或远程手动控制盒高压排气阀开关开启，两种状态只要具备其一，高压排气阀的两个端子就是短路的，避免探空火箭高压排气阀的误开启；同理，贮箱预增压阀、贮箱泄压阀、贮箱液体泄放阀分别由地面操控箱的贮箱预增压阀短路开关闭合或远程手动控制盒贮箱预增压阀、地面操控箱的贮箱泄压阀短路开关闭合或远程手动控制盒贮箱泄压阀开关、地面操控箱的贮箱液体泄放阀短路开关闭合或远程手动控制盒贮箱液体泄放阀开关控制；一旦出现某种紧急状况，固液动力探空火箭未能飞出发射架，可按照控制时序的要求，依次闭合远程手动控制盒的高压排气阀开关、贮箱泄压阀开关、贮箱液体泄放阀开关，实现对探空火箭高压气瓶中的高压气体的泄放、探空火箭贮箱中的气体泄放和贮箱中液体氧化剂的排放，排除探空火箭由于故障而产生的不安全因素；启动阀门用于控制液体推进剂是否进入固液火箭发动机，通过地面操控箱的启动阀门输出接口与地面操控箱相连；当地面操控箱的启动阀门电源开关开启时，启动阀门开启；当出现紧急状况时，远程手动控制盒的启动阀门输出紧急断电开关或者地面操控箱的启动阀门输出短路开关开启，启动阀门输出接口短路，使得启动阀门不能开启；当固液动力探空火箭进入点火状态时，启动阀门的开启及供电时间将由地面操控箱内的PLC进行精确控制；点火器用于点燃固液动力探空火箭的推进剂，通过地面操控箱的点火器输出接口与地面操控箱相连；当地面操控箱的点火器电源开关开启时，点火器开始工作；当出现紧急状况时，远程手动控制盒的点火器输出紧急断电开关或者地面操控箱的点火器输出短路开关开启，点火器输出接口短路，使得点火器不能工作；当固液动力探空火箭进入点火状态时，点火器的开启及供电时间将由地面操控箱内的PLC进行精确控制；箭上X轴加速度计位于固液动力探空火箭的X轴方向上，即箭体中段横截面的横向方向，测量固液动力探空火箭X轴的加速度，将固液动力探空火箭X轴的加速度输出至箭载数据采集电路中的加速度计输出转换模块；箭上Y轴加速度计位于固液动力探空火箭的Y轴方向上，即箭体中段横截面的纵向方向，测量固液动力探空火箭Y轴的加速度，将固液动力探空火箭Y轴的加速度输出至箭载数据采集电路中的加速度计输出转换模块；箭上Z轴加速度计位于固液动力探空火箭的Z轴方向上，即箭体中段横截面垂直的方向，测量固液动力探空火箭Z轴的加速度，将固液动力探空火箭Z轴的加速度输出至箭载数据采集电路中的加速度计输出转换模块；贮箱压力传感器用于测量液体推进剂贮箱的压力，由模拟电路板的总供电模块对其供电，将贮箱压力值传输出至箭载数据采集电路中的压力传感器输出信号的调理模块；气瓶压力传感器用于测量高压挤压气体气瓶的压力，由模拟电路板的总供电模块对其供电，将气瓶压力值传输出至箭载数据采集电路中的压力传感器输出信号的调理模块；增压阀门用于控制固液动力探空火箭的液体推进剂贮箱压力，由模拟电路板的总供电模块对其供电；当仅有增压阀门开启时，液体推进剂贮箱压力增加；当只有其闭合时，液体推进剂贮箱压力停止增加；增压阀门的供电正负两端还需接入模拟电路板的电磁阀开关量转化模块和箭载控制电路的单片机控制阀门动作模块、控制阀门电压的反馈模块；辅路吹除阀门用于控制固液探空火箭推进剂的辅路供给系统内的推进剂，由模拟电路板的总供电模块对其供电；当其开启时，辅路供给系统内残余的推进剂会被吹除出固液发动机，以保障火箭系统的安全；辅路吹除阀门的供电正负两端还需接入模拟电路板的电磁阀开关量转化模块和箭载控制电路的单片机控制阀门动作模块、控制阀门电压的反馈模块；主路吹除阀门用于控制固液探空火箭推进剂的主路供给系统内的推进剂，由模拟电路板的总供电模块对其供电；当其开启时，辅路供给系统内残余的推进剂会被吹除出固液发动机，以排除固液动力探空火箭在结束飞行任务后的安全隐患；主路吹除阀门的供电正负两端还需接入模拟电路板的电磁阀开关量转化模块和箭载控制电路的单片机控制阀门动作模块、控制阀门电压的反馈模块。