[發(fā)明專利]一種固液動力探空火箭箭載監(jiān)控系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2012-12-17
• 公開（公告）號: CN102997762A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋佳;蔡國飆;辛潔;陳辰;王鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: F42B15/01
• 分類號: F42B15/01
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 趙文利

1.一種固液動力探空火箭的箭載監(jiān)控系統(tǒng)，包括箭載推力調(diào)節(jié)控制器、箭載供電系統(tǒng)、箭載數(shù)據(jù)監(jiān)控器、箭上x軸加速度計(jì)、箭上y軸加速度計(jì)、箭上z軸加速度計(jì)、貯箱壓力傳感器、氣瓶壓力傳感器、增壓閥門、輔路吹除閥門、主路吹除閥門；

箭載推力調(diào)節(jié)控制器包括供電轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制閥門動作模塊、控制閥門電壓的反饋模塊和單片機(jī)復(fù)位和存儲模塊；

箭載推力調(diào)節(jié)控制器的供電轉(zhuǎn)換模塊與箭載供電系統(tǒng)連接，用于實(shí)現(xiàn)箭載監(jiān)控系統(tǒng)的供電電源由地面供電轉(zhuǎn)換為箭載供電；當(dāng)固液動力探空火箭進(jìn)行地面測試時(shí)，地面電源給箭載監(jiān)控系統(tǒng)提供電源；當(dāng)火箭進(jìn)入發(fā)射前準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)，地面控制系統(tǒng)發(fā)出“轉(zhuǎn)電控制信號”，供電轉(zhuǎn)換模塊接收到此信號后驅(qū)動其內(nèi)部的繼電器，使得地面電源和箭載供電系統(tǒng)共同供電；斷開地面電源后，箭載供電系統(tǒng)單獨(dú)為箭載監(jiān)控提供電源；

增壓閥門、輔路吹除閥門和主路吹除閥門的供電正負(fù)端均接入單片機(jī)控制閥門動作模塊，同時(shí)，他們的正負(fù)端也接入控制閥門電壓的反饋模塊；

通過單片機(jī)控制閥門動作模塊對液體推進(jìn)劑的增壓閥門、輔路吹除閥門和主路吹除閥門的狀態(tài)進(jìn)行控制，單片機(jī)控制閥門動作模塊按照控制要求輸出三路控制信號，三路控制信號經(jīng)過3-8譯碼器后，再由達(dá)林頓管分別驅(qū)動控制增壓閥門、輔路吹除閥門、主路吹除閥門的三個(gè)繼電器的常閉觸點(diǎn)斷開、常開觸點(diǎn)吸合，進(jìn)而使得三個(gè)閥門按控制時(shí)序要求動作；控制閥門電壓的反饋模塊實(shí)現(xiàn)對三個(gè)閥門供電電壓信號進(jìn)行分壓、隔離的處理，經(jīng)處理后的信號反饋給單片機(jī)控制閥門動作模塊，如果單片機(jī)控制閥門動作模塊沒有監(jiān)測到符合設(shè)計(jì)要求的閥門電壓值信號，則重新發(fā)出觸發(fā)信號，重新驅(qū)動閥門動作，直至成功監(jiān)測到符合設(shè)計(jì)要求的閥門電壓值；單片機(jī)控制閥門動作模塊記錄的閥門電壓值以及閥門動作時(shí)刻值等數(shù)據(jù)均存儲在單片機(jī)復(fù)位和存儲模塊中；

在箭載監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)異常，單片機(jī)復(fù)位和存儲模塊產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號，使得箭載推力調(diào)節(jié)控制器和STM32微控制器復(fù)位；

箭載數(shù)據(jù)監(jiān)控器包括數(shù)字電路板和模擬電路板，數(shù)字電路板直插于模擬電路板上，兩塊電路板間通過雙列矩形針式連接器連接；

模擬電路板上的模塊包括總供電模塊、調(diào)壓模塊、加速度計(jì)輸出轉(zhuǎn)換模塊、電磁閥開關(guān)量轉(zhuǎn)化模塊、壓力傳感器輸出信號的調(diào)理模塊以及濾波模塊；

箭載數(shù)據(jù)監(jiān)控器的總供電模塊與箭載供電系統(tǒng)相連；當(dāng)箭載推力調(diào)節(jié)控制器的供電轉(zhuǎn)換模塊接收到地面控制系統(tǒng)發(fā)出的“轉(zhuǎn)電控制信號”，并成功實(shí)現(xiàn)由地面供電轉(zhuǎn)為箭載供電時(shí)，箭載供電系統(tǒng)將為箭載數(shù)據(jù)監(jiān)控器供電；

箭載數(shù)據(jù)監(jiān)控器的調(diào)壓模塊內(nèi)包含電平轉(zhuǎn)換芯片，將箭載供電系統(tǒng)提供的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分配，為箭載數(shù)據(jù)監(jiān)控器上的其他模塊以及液體推進(jìn)劑的貯箱壓力傳感器、氣瓶壓力傳感器增壓閥門、輔路吹除閥門和主路吹除閥門提供有效的供電電壓；

加速度計(jì)輸出轉(zhuǎn)換模塊接收箭上X軸加速度計(jì)、箭上Y軸加速度計(jì)、箭上Z軸加速度計(jì)分別輸出的X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度信號，將加速度計(jì)的輸出為集中于+2.5V的±4V的差分輸出轉(zhuǎn)換為集中于0.0V的單端輸出，轉(zhuǎn)換后的信號輸入至數(shù)字電路板的數(shù)據(jù)采集模塊；

液體推進(jìn)劑的增壓閥門、輔路吹除閥門和主路吹除閥門三個(gè)閥門的供電正負(fù)端接入箭載數(shù)據(jù)監(jiān)控器的電磁閥開關(guān)量轉(zhuǎn)化模塊；電磁閥開關(guān)量轉(zhuǎn)化模塊根據(jù)增壓閥門、輔路吹除閥門、主路吹除閥門兩端的電壓，將電磁閥通電情況轉(zhuǎn)換為“0”表示關(guān)閉、“1”表示開啟的數(shù)字量，數(shù)字量輸出至濾波模塊，濾波模塊對數(shù)字量信號進(jìn)行濾波處理，然后輸出至數(shù)字電路板的STM32微控制器模塊內(nèi)的flash緩存中；

壓力傳感器輸出信號的調(diào)理模塊接收貯箱壓力傳感器、氣瓶壓力傳感器分別輸出的貯箱壓力值、氣瓶壓力值，壓力傳感器的輸出均為4~20mA的電流信號；將貯箱壓力傳感器、氣瓶壓力傳感器的輸出信號接入調(diào)理模塊，以將電流信號調(diào)整為適宜STM32微控制器采集的電壓信號；經(jīng)調(diào)理后的信號輸出至數(shù)字電路板的STM32微控制器模塊，STM32微控制器模塊內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換模塊將調(diào)理后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將得到的數(shù)字信號緩存在其flash緩存中；

數(shù)字電路板上的模塊包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸電路、數(shù)字電路板供電模塊以及STM32微控制器模塊；

數(shù)據(jù)采集模塊用于接收加速度計(jì)輸出轉(zhuǎn)換模塊調(diào)理后的加速度計(jì)信號，以將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；同時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊的輸出還直接與STM32微控制器的I/O引腳直接相連，使得轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號直接輸入至STM32微控制器模塊內(nèi)的flash緩存中；

數(shù)字電路板供電模塊與模擬電路板的總供電模塊相連，其內(nèi)包括電平轉(zhuǎn)換芯片，對從總供電模塊得到的電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、分配，為數(shù)字電路板上的各個(gè)用電模塊；

在固液動力探空火箭進(jìn)行地面測試時(shí)，STM32微控制器模塊內(nèi)的flash緩存中的緩存數(shù)據(jù)包括對箭上X軸加速度計(jì)、箭上Y軸加速度計(jì)、箭上Z軸加速度計(jì)、貯箱壓力傳感器、氣瓶壓力傳感器、增壓閥門、輔路吹除閥門和主路吹除閥門輸出信號進(jìn)行采集處理后的信號；實(shí)時(shí)信號合成一個(gè)數(shù)組，按控制時(shí)序要求傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲模塊中；

貯箱壓力傳感器用于測量液體推進(jìn)劑貯箱的壓力，由模擬電路板的總供電模塊對其供電，將貯箱壓力值傳輸出至箭載數(shù)據(jù)監(jiān)控器中的壓力傳感器輸出信號的調(diào)理模塊；

氣瓶壓力傳感器用于測量高壓擠壓氣體氣瓶的壓力，由模擬電路板的總供電模塊對其供電，將氣瓶壓力值傳輸出至箭載數(shù)據(jù)監(jiān)控器中的壓力傳感器輸出信號的調(diào)理模塊；

增壓閥門用于控制固液動力探空火箭的液體推進(jìn)劑貯箱壓力，由模擬電路板的總供電模塊對其供電；當(dāng)僅有增壓閥門開啟時(shí)，液體推進(jìn)劑貯箱壓力增加；當(dāng)只有其閉合時(shí)，液體推進(jìn)劑貯箱壓力停止增加；增壓閥門的供電正負(fù)兩端還需接入模擬電路板的電磁閥開關(guān)量轉(zhuǎn)化模塊和箭載推力調(diào)節(jié)控制器的單片機(jī)控制閥門動作模塊、控制閥門電壓的反饋模塊；

輔路吹除閥門用于控制固液探空火箭推進(jìn)劑的輔路供給系統(tǒng)內(nèi)的推進(jìn)劑，由模擬電路板的總供電模塊對其供電；當(dāng)其開啟時(shí)，輔路供給系統(tǒng)內(nèi)殘余的推進(jìn)劑會被吹除出固液發(fā)動機(jī)；輔路吹除閥門的供電正負(fù)兩端還需接入模擬電路板的電磁閥開關(guān)量轉(zhuǎn)化模塊和箭載推力調(diào)節(jié)控制器的單片機(jī)控制閥門動作模塊、控制閥門電壓的反饋模塊；

主路吹除閥門用于控制固液探空火箭推進(jìn)劑的主路供給系統(tǒng)內(nèi)的推進(jìn)劑，由模擬電路板的總供電模塊對其供電；當(dāng)其開啟時(shí)，輔路供給系統(tǒng)內(nèi)殘余的推進(jìn)劑會被吹除出固液發(fā)動機(jī)；主路吹除閥門的供電正負(fù)兩端還需接入模擬電路板的電磁閥開關(guān)量轉(zhuǎn)化模塊和箭載推力調(diào)節(jié)控制器的單片機(jī)控制閥門動作模塊、控制閥門電壓的反饋模塊；

箭上X軸加速度計(jì)位于固液動力探空火箭的X軸方向上，X軸即箭體中段橫截面的橫向方向，測量固液動力探空火箭X軸的加速度，將固液動力探空火箭X軸的加速度輸出至箭載數(shù)據(jù)監(jiān)控器中的加速度計(jì)輸出轉(zhuǎn)換模塊；

箭上Y軸加速度計(jì)位于固液動力探空火箭的Y軸方向上，Y軸即箭體中段橫截面的縱向方向，測量固液動力探空火箭Y軸的加速度，將固液動力探空火箭Y軸的加速度輸出至箭載數(shù)據(jù)監(jiān)控器中的加速度計(jì)輸出轉(zhuǎn)換模塊；

箭上Z軸加速度計(jì)位于固液動力探空火箭的Z軸方向上，Z軸即箭體中段橫截面垂直的方向，測量固液動力探空火箭Z軸的加速度，將固液動力探空火箭Z軸的加速度輸出至箭載數(shù)據(jù)監(jiān)控器中的加速度計(jì)輸出轉(zhuǎn)換模塊。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固液動力探空火箭的箭載監(jiān)控系統(tǒng)，所述的箭載推力調(diào)節(jié)控制器采用單片機(jī)89C51。