一种固液动力探空火箭箭载数据采集装置的制作方法.docx

一种固液动力探空火箭箭载数据采集装置的制作方法专利名称：一种固液动力探空火箭箭载数据采集装置的制作方法技术领域：本发明属于箭载数据采集系统领域，具体涉及一种固液动力探空火箭的箭载数据采集装置背景技术：固液探空火箭是在近地空间进行探测和科学试验的火箭，其主要目的在于进行空间探测或进行飞行验证试验，为固液动力飞行器的研制积累经验相较于固体、液体推进剂火箭，固液动力探空火箭的优势在于容易关机和重新启动，这得益于固液火箭发动机中有独立的开/关控制阀门，使得整个混合燃烧过程比液体和固体发动机容易控制同时，固液火箭发动机具有很强的推力调节能力，但是固液混合火箭发动机的稳定燃烧对氧化剂和燃料的配比更为敏感，在稳态工作和推力调节过程中，推进剂的混合比将稍偏离最佳值，配比对发动机的燃烧效率、比冲乃至燃速都有重大影响，使发动机工作性能改变、比冲有所损失，当重新启动点火后也可能存在一致性问题鉴于挤压式固液混合火箭发动机氧化剂的流量不仅取决于氧化剂贮箱挤压压强、供应系统流阻损失和氧化剂喷嘴的面积，还取决于·燃烧室压强现已发现，不采取技术措施时，固-液推进剂的燃烧度很低，固液发动机燃烧不完全的损失可达百分之几十，而液体和固体发动机的损失只有百分之几，为使发动机工作处于最佳配比状态，必须适当调整这些参数，可通过控制活门调节氧化剂的流量。

也经多方试验验证，固液火箭发动机推进系统的故障多出现在供给和增压系统因此，在这一类火箭的发射过程中，对探测数据或试验数据的采集记录工作尤为重要，而数据采集系统就在这里扮演了极为重要的角色性能优良的数据采集装置，能够为研究人员记录优质而丰富的研究数据，也是固液探空火箭设计过程中的重要环节固液动力探空火箭箭载数据采集装置应该具有研制周期短、成本低、安全可靠、适应能力强、试验容易、发射简单灵活等特点但是，目前并没有这种采集装置发明内容本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种固液动力探空火箭箭载数据采集装置一种固液动力探空火箭箭载数据采集装置，包括主电路板和核心电路，模拟电路部分构成主电路板,数字部分组成核心电路板,核心电路板直插于主电路板上；两块电路板间通过双列矩形针式连接器相连接；主电路板包括总供电电路及为核心板上供电所必须的调压电路、加速度计输出转换电路、电磁阀通电情况的开关量转化电路、开关量及压力变送器输出信号的调理电路、转电控制电路、滤波电路以及外围电路；核心电路板包括以AD7656芯片为核心的数据采集电路、以25LC256芯片为核心的数据存储电路、以MAX3485串口通信芯片为核心的数据传输电路、电源供电电路、滤波电路、核心控制电路以及外围电路；本发明的积极效果在于I、固液动力探空火箭箭载数据采集装置简单、安全、可靠、成本低、研制周期短，能够承受恶劣的飞行力学环境。

2、固液动力探空火箭 箭载数据采集电路实现了对火箭发动机实际产生的推力与箭载三个轴向加速度在发动机工作阶段的全程监控、对比3、固液动力探空火箭箭载数据采集电路实现了对测量氧化剂贮箱压力的压力变送器和测量对氧化剂贮箱进行增压的高压气瓶压力的压力变送器的实时监测和控制，进而监测故障多现、影响发动机性能的供给系统和增压系统，并通过压力变送器调节氧化剂的流量，使发动机工作处于尽可能处于最佳配比状态，高效地实现推力调节和多次启动-关机等功能4、固液动力探空火箭箭载数据采集电路实现了对有箭载计算机按时序控制的三个电磁阀(增压工况转换电磁阀、辅路吹除自锁电磁阀、主路吹除自锁电磁阀)工作情况的监控，监测供给系统、增压系统、吹除系统是否安全、有序地进行工作5、固液动力探空火箭箭载数据采集电路的模拟电路和数字电路部分是独立供电的，数字地与模拟地分开，并遵循单点接地原则，还添加了各种滤波电路6、固液动力探空火箭的供电有地面供电和电池供电两种方式当用于试验测试时，可以外接28V电压源为系统供电；当用于箭载时，采用28V电压的电池供电7、固液动力探空火箭在探空火箭发射之前，箭载数据采集电路的工作状态可以通过地面设备的指示灯显示。

8、固液动力探空火箭对箭载采集电路控制芯片内程序的修改可以用于多种时序控制的探空火箭，硬件电路通用性好图I :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的主电路板上的电平转换电路图；图2 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的加速度计输出转换电路图；图3 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的电磁阀开关量的转化电路图；图4 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的传感器输出信号电压调理以及分压电路图；图5:固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的转电控制电路图；图6:固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的主电路板上滤波以及地面地、模拟地、数字地关系电路图；图7 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的主电路板上的外围电路图；图8 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的以AD7656芯片为核心的加速度计数据采集电路图；图9 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的以25LC256芯片为核心的数据存储电路图；图10 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的以MAX3485芯片为核心的串口通信电路图；图11:固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的核心板上的电压供给以及滤波电路图；图12 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的以控制芯片STM32F103RB为核心的电路图；图13 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的核心板上的外围电路图；图14 :本发明的箭载数据采集电路整体框图。

具体实施方式、下面将结合附图对本发明作进一步说明基于固液动力探空火箭的研究目的以及弹载数据采集的要求，本发明针对探空火箭三个轴向加速度以及火箭发动机的部分工作状况进行记录的弹载数据装置进行了设计并工程实现，旨在对固液火箭发动机的供给系统、增压系统、吹除系统的按时序监测和控制，从而起到对火箭发动机和箭载计算机部分功能工作情况的全程记录作用，并根据存储信息推算出固液探空火箭的实际推力，与当时的火箭加速度进行比较最终完成的弹载数据采集装置，能够满足固液动力探空火箭数据采集的各项性能要求，满足弹上电气设备的环境要求，稳定性强，可靠性好，能够顺利完成预定的数据采集任务同时，所设计的箭载数据采集电路简单、成本低，通过高低温、振动、冲击、过载等环境试验，并且经过多次飞行验证，能够实现固液探空火箭飞行过程中的实际推力的监控、测量，电路性能安全、可靠本发明是一种固液动力探空火箭箭载数据采集装置，涉及弹载数据采集领域，主要完成三路单轴加速度计、测量储箱压力的压力变送器、测量高压气瓶压力的压力变送器以及增压工况转换电磁阀、辅路吹除自锁电磁阀、主路吹除自锁电磁阀输出信号的采集、处理、监测和存储探空火箭的箭载数据采集电路设计时应考虑如下原则(I)数据采集电路的部件设计及元器件选用时，应尽量考虑小型化、轻量化。

这是因为箭体结构紧凑和有效空间小从而使箭上设备的体积、重量受到严格限制，要求各部件安排紧凑；(2)设计时保证可靠性的前提下，充分考虑经济性这是因为固液动力探空火箭用于科学实验和常规探测时，要求批量较大；(3)在电路设计是，必须充分考虑固液动力探空火箭比较恶劣的飞行力学环境(包括振动、冲击、过载等)这是因为狭小的空间造成仪器设备安装密度大，设备工作时散热环境较差，发动机工作和弹上火工品引爆所形成的机械激励、声激励和飞行时弹体气动效应使各种设备处于剧烈的震荡、冲击和噪声环境中，同时，火箭服役的环境存在着湿热、烟雾、霉菌、风沙、雨雪和高、低气压及核辐射等多种自然环境和特殊环境的有害影响本发明的一种固液动力探空火箭箭载数据采集装置的数据采集电路板由两块电路板组成如图14所示，模拟电路部分构成主电路板,数字部分组成核心电路板,核心电路板直插于主电路板上两块电路板间通过双列矩形针式连接器相连接这样一方面可以将大功率器件与重要芯片隔离，可在保证系统散热的基础上保证各芯片的正常工作；另一方面，将数字电路与模拟电路隔离开来，可以有效防止数字电路与模拟电路之间的相互干扰所述的主电路板主要包括总供电电路及为核心板上供电所必须的调压电路、加速度计输出转换电路、电磁阀通电情况的开关量转化电路、开关量及压力变送器输出信号的调理电路、转电控制电路、滤波电路以及外围电路。

装置总供电电路及为核心板上供电所必须的调压电路如图I所示，总供电电路的电压来源于地面28V和电池28V地面28V、电池28V分别连接一个快速二极管FR307的正极输入，两个FR307的负极端形成合并端,输出后合并为一个+28V的电压，电压信号输入至电平转换芯片WRB2405LD-5WN1的I引脚电容RKFl (R)=Fl=IOOuF)的一端连接合并端，另一端连接WRB2405LD-5WN1芯片的2引脚WRB2405LD-5WN1的4引脚为地面地，6引脚输出转换后的VCC (VCC=+5V)，4、6引脚间并联两个电容F2和F6 (F2=F6=22uF)一路+28V的电压通过电平转换芯片PWA2415MD-6W调压生成± 12V电压PWA2415MD-6W的22,23引脚接+28V，9、16引脚接模拟地，2、3引脚接地面地，14、11引脚输出±12V电压为模拟恒压源电压5V，+12V电压输入电平转换芯片REGl117-5的IN端口，2个OUT端口并联输出5V电压，其中一个OUT支路与GND端口通过C5 (C5=10,以下未注明单位电容C的单位均为pF)电容相连一路+28V电压输入电平转换芯片L7824的IN端口，其GND和OUT支路间并联一个C28 (C28=10)电容和一个C29 (C29=0. I)电容。

OUT端输出+24V电压，为压力变送器供电一路+28V电压输入电平转换芯片L7820的IN端口，其GND和OUT支路间也并联·一个 C26 (C26=10)电容和一个 C27 (C27=0. I)电容，同时，GND 和 IN 端通过 C24 (C24=CapPOL 3. 3uF)电容相连OUT端输出+20V，为加速度传感器供电加速度计输出转换电路如图2所示，为将加速度计集中于+2. 5V的±4V差分输出转换为集中于O. OV的单端输出，故设计以微分控制器为核心的加速度计输出转换电路该电路共有4个相同的微分控制器组成，其中3个供加速度计输出转换使用，一个为备用其中在差分路径中出现的任意噪声都会对线路造成相同的影响，由于噪声为是共模信号，因此运算放大器将阻止信号的进入，从而能够起到抑制加速度计的接地电流电压因读数错误而造成的共模噪声等作用为使加速度计中达到最高的分辨率和最低的噪声性能，应当将加速度计的AOP和AON输出信号通过一个微分控制器，再连接到电压测试器件上其中一个微分控制器的连接为加速度计的输出信号AOP经Ral (Ral=20K)电阻后分三路，一路接入微分控制器 LM158J/883 的正端口 3，一路接 Ra2 (Ra2=20K)，一路接 Cal (Cal=IOOpF),同时，后两路的输出端接模拟地；加速度计的输出信号AON经Ra3 (Ra3=20K)电阻后，一路接入微分控制器LM158J/883的负端口 2，一路通过Ra4 (Ra4=20K)和Ca2 (Ca2=100pF)的并联电路后接入微分控制器LM158J/883的输出端。

微分控制器LM158J/883的供电电压为± 12V电压其他的三个微分控制器电路相同电磁阀通电情况的开关量转化电路如图3所示，为实现对三路阀门开关量检测，需要添加电磁阀开关量的转化电路对电磁阀工作状况的记录不需要对数据进行AD转化，仅需记录开关量，电磁阀本身无法输出开关量，因此选用光电稱合器件TPL521-1来实现对电磁阀通电情况的转化其中一路阀门开关量检测为电磁阀的正端(DHa_DY+)通过R31(R31=2K)电阻后分为3路，一路输入TPL521-1的I端口，一路输入R37 (R37=1M)，一路输入C14 (C14=0. IuF);电磁阀的负端(DHa_DY_)也分为三路，一路输入TPL521-1的2端口。