УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВКЛЮЧЕНИЯ ПИРОКЛАПАНА С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЗАПАЛОМ
APPARATUS FOR SWITCHING ON PYROTECHNIC VALVE WITH ELECTRIC IGNITOR

Изобретение относится к автоматизированным системам управления технологическими процессами, в частности наземными испытаниями изделий ракетно-космической техники (РКТ), и может быть использовано для подачи команд открытия и закрытия на запорные органы с пороховым (пиротехническим) приводом (пироклапаны с электрическим запалом).
Современные стенды, предназначенные для наземных испытаний изделий ракетно-космической техники и, в частности, жидкостных реактивных двигателей, включают систему управления огневыми стендовыми испытаниями (ОСИ), в состав которой входит система аварийной защиты (САЗ) стенда и изделия. Назначение САЗ - обеспечивать постоянную диагностику состояния основных элементов стенда и изделия в процессе проведения ОСИ, и при нарушении нормальной работы того или иного агрегата, а также при выходе какого-либо контролируемого параметра за допустимые пределы и в случае возникновения аварии, произвести аварийный останов испытания за минимально короткое время с целью уменьшения ущерба от ее последствий для изделия и стенда. Одной из составляющих обеспечения снижения ущерба является сокращение времени срабатывания отсечных клапанов подачи компонентов топлива к изделию, что обеспечивается установкой на изделии пироклапанов с электрическим запалом. При этом сама САЗ должна обеспечивать минимально возможное (~5 мс) время реакции на аварийную ситуацию, включая время подачи электрического сигнала на срабатывание пироклапана. В современных системах это время в 5 мс тратится на прием информации с датчиков, ее обработку по заданным алгоритмам и синхронизацию работы каналов резервированной стендовой системы управления. Резервирование технических средств системы, реализуемое на испытательных стендах обычно в построении троированных (трехканальных) систем, в первую очередь требуется для повышения надежности САЗ, выполняющей наиболее ответственную задачу.
Частью САЗ являются устройства для включения пироклапанов с электрическим запалом. В связи с этим к устройствам для включения пироклапанов с электрическим запалом предъявляются требования: высокое быстродействие подачи электрического сигнала на пирозапал, высокая надежность выдачи сигнала на его срабатывание за счет совместимости с троированной системой управления испытаниями РКТ, исключение ложного срабатывания при проверках параметров цепи электрического запала, гарантируя при этом нормируемый безопасный ток (в пределах 20-50 мА) и минимальное влияние на надежность устройства. Стандартизованным требованием к схемам подачи рабочего тока в электрический запал является его отключение сразу после подрыва как по плюсовой, так и от минусовой шин питания. Это связано с тем, что продукты сгорания порохового заряда пироклапана могут закоротить цепь электрического запала, а также соединить ее с заземленным корпусом испытываемого изделия РКТ, что в итоге может привести к ложному срабатыванию электрических запалов других пироклапанов, общее количество которых в сложных изделиях РКТ может достигать нескольких десятков.
Известно устройство для включения пироклапана с электрическим запалом, в котором электрический запал подключен через бесконтактные ключи и блок коммутации к плюсовой и минусовой шинам источника питания, при этом бесконтактные ключи соединены с выходами каналов троированной системы управления через схемы управления (см. «Схему регистрации и запитки пиропатронов», чертеж №ПИ-4186, разработчик - Химзавод, филиал ОАО «Красмаш», г.Красноярск, 1989 г.).
Недостатком этого устройства является низкая надежность работы. Это связано с тем, что в качестве бесконтактных ключей в известном устройстве используются нерезервированные n-p-n и p-n-p транзисторы, которые не обеспечивают также гарантированную гальваническую развязку цепи электрического запала от шин питания после подрыва из-за токового принципа управления ими. Использование бесконтактных ключей названного типа для измерения сопротивления цепи электрического запала потребует трансформации схем управления, чтобы обеспечить изменение токового режима. Примененное в этом устройстве переключение цепи электрического запала на электрический прибор с помощью реле также снижает надежность этой цепи.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности работы устройства для включения пироклапана с электрическим запалом.
Это достигается тем, что в известное устройство для включения пироклапана с электрически запалом, содержащее бесконтактные ключи и коммутатор, через которые электрический запал подключен к плюсовой и минусовой шинам источника питания, при этом бесконтактные ключи соединены с выходами каналов троированной системы управления через схемы управления, согласно изобретению в него введен, подключенный к коммутатору, клеммный адаптер для подключения к нему измерительного прибора, а бесконтактные ключи подключения электрического запала к плюсовой и минусовой шинам питания состоят из двух параллельных цепей, каждая из которых содержит два последовательно соединенных полевых МДП-транзистора p-n типа, подключенных к электрическому запалу со стороны плюса питания, и n-p типа, подключенных к электрическому запалу со стороны минуса питания, при этом затворы полевых МДП-транзисторов бесконтактных ключей, непосредственно подключенных к плюсовой и минусовой шинам, соединены через свои схемы управления водной из цепей с первым, а вдругой цепи - с третьим каналами троированной системы управления, и при этом затворы полевых МДП-транзисторов бесконтактных ключей, непосредственно подключенных к электрическому запалу со стороны плюсовой и минусовой шин, в цепях которых затворы других полевых МДП-транзисторов подсоединены через свои схемы управления к первому каналу троированной системы управления, подключены ко второму каналу троированной системы управления, а затворы полевых МДП-транзисторов в других цепях бесконтактных ключей, подключенных к электрическому запалу со стороны плюсовой и минусовой шин, соединены через свои схемы управления одновременно с первым и вторым каналами троированной системы управления.
Кроме того, каждая схема управления полевыми МДП-транзисторами бесконтактных ключей, соединенная с одним каналом троированной системы управления, содержит один оптрон, подключенный входом к выходу канала троированной системы управления, а каждая схема управления полевыми МДП-транзисторами бесконтактных ключей, соединенная с двумя каналами троированной системы управления, содержит два оптрона, подключенных согласно логике мажоритирования к двум выходам каналов троированной системы управления, причем выходные p-n-p и n-p-n транзисторы оптронов, соединяют цепи затворов полевых МДП-транзисторов, состоящие из делителя на резисторах, с минусом преобразователей напряжения - для бесконтактного ключа со стороны плюса питания относительно электрического запала, и с плюсом преобразователей напряжения - для бесконтактного ключа со стороны минуса питания относительно электрического запала, при этом выходы преобразователей напряжения с обратной полярностью подключены соответственно - к плюсовой и минусовой шинам бесконтактных ключей.
На чертеже изображена схема устройства для включения пироклапана с электрическим запалом.
К электрическому запалу 1 подключены бесконтактные ключи 2 и 3, соединенные соответственно с плюсовой и минусовой шинами источника питания 12 через коммутатор 14, к которому подключен клеммный адаптер 13 для подключения измерительного прибора. Схемы управления 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 служат для приема сигналов управления полевыми МДП-транзисторами 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 бесконтактных ключей 2 и 3 от троированной системы управления (на чертеже условно не показана).
Бесконтактный ключ 2 подключения запала 1 к плюсовой шине питания содержит две параллельные цепи из двух последовательно соединенных полевых МДП-транзисторов p-n типа 15, 16 для первой цепи и 17, 18 для второй - соответственно.
Бесконтактный ключ 3 подключения запала 1 к минусовой шине питания содержит также две параллельные цепи из двух последовательно соединенных полевых МДП-транзисторов n-p типа 19, 20 для первой цепи и 21, 22 - для второй соответственно.
Каждая схема управления 4, 6, 7, 9, 10, 11 содержит по одному оптрону 23-1,…23-6, а схемы управления 5 и 8 - по два оптрона 26-1, 26-2 и 27-1 и 27-2, входы которых соединены с выходами троированной системы управления, а выходные p-n-p и n-p-n транзисторы - соответственно соединяют цепь затвора полевых МДП-транзисторов, состоящую из делителя на резисторах 24, 25 для бесконтактного ключа 2 с минусом преобразователя напряжения 28, а для бесконтактного ключа 3 - с плюсом преобразователя напряжения 29, выходы которых с обратной полярностью подключены к плюсовой и минусовой шинам питания бесконтактных ключей 2 и 3 - соответственно.
Устройство обеспечивает работу в двух режимах.
Первый - основной, осуществляется в процессе проведения огневого стендового испытания изделия РКТ.
Второй - при проверке состояния цепи пирозапала перед испытанием изделия.
Первый режим работы устройства осуществляется следующим образом. Блок коммутации 14 подает питание 27В на бесконтактные ключи 2 и 3. Для подрыва пирозапала 1 необходимо от соответствующих логике мажоритирования выходов трех каналов троированной системы управления испытаниями изделия (на чертеже условно не показана) подать сигналы включения на входы схем управления 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 полевыми МДП-транзисторами бесконтактных ключей 2 и 3. При этом в случае отсутствия неисправности в устройстве все полевые МДП-транзисторы бесконтактных ключей 2 и 3 перейдут в открытое состояние, и через электрический запал 1 пройдет подрывающий его ток. Логика подключения бесконтактных ключей 2 и 3 к каналам троированной системы управления обеспечивает работу устройства по схеме мажоритирования 2 из 3 и защиту от отказа одного любого элемента в устройстве, а также от выхода из строя одного из каналов троированной системы управления.
Рассмотрим работу схем управления 4, 6, 7, ключевой схемы 2 на примере функционирования схемы управления 4. При отсутствии тока на входе оптрона 23-1 его транзистор закрыт и на затвор полевого транзистора 15 подается через резисторы 24-1 и 25-1 напряжение его истока и в результате последний разъединен со стоком. При подаче тока на вход оптрона 23-1 его транзистор соединяет вход полевого МДП-транзистора 15 с минусом преобразователя напряжения 28, плюс которого соединен с плюсовой шиной питания бесконтактного ключа 2. На резисторе 25-1 в результате появляется отрицательное напряжение относительно напряжения на стоке полевого транзистора 15 и последний открывается.
1
2
1
2
Схема управления 5 содержит два оптрона 26-1 и 27-1, соединенных выходами параллельно относительно затвора полевого транзистора 16. В остальном работа схем управления 4 и 5 аналогичны. Подключение оптронов 26-1 и 27-1 к двум каналам троированной системы управления обеспечивает реализацию ими логической функции «или» и вместе с указанной на схеме адресацией подключения схем управления 4, 5, 6, 7 к каналам троированной системы управления реализуют выполнение бесконтактным ключом 2 логической функции голосования по схеме 2 из 3. Согласно изображенной на чертеже схеме цепь полевых МДП-транзисторов 15 и 16 со своими схемами управления 4 и 5 реализуют функцию от выходов троированной системы управления f=3∧(1∨2)=(3∧1)∨(3∧2), цепь полевых МДП-транзисторов 17 и 18 функцию f=1∧2. А весь бесконтактный ключ 2 - функцию: f∨f=(3∧1) ∨ (3∧2) ∨ (1∨2), что соответствует логической функции мажоритирования из трех переменных.
Схемы управления 8, 9, 10, 11 бесконтактного ключа 3 функционируют аналогично описанной работе схем управления 4, 5, 6, 7 бесконтактного ключа 2 с учетом обратной полярности подаваемых на полевые МДП-транзисторы 19, 20, 21, 22 сигналов по сравнению с транзисторами 15, 16, 17, 18. Для этого минусы преобразователей напряжения 29-1,…29-4 соединены с минусовой шиной питания бесконтактного ключа 3. Таким образом, в отличие от прототипа, обеспечивается полное (до запала) троированное резервированное управление.
Во втором режиме работа устройства обеспечивается при подключении клеммного адаптера 13 через блок коммутации 14 к шинам питания бесконтактных ключей 2 и 3. При этом к клеммному адаптеру 13 подключается специальный переносной прибор для измерения сопротивления линии электрического запала 1 (на чертеже условно не показан). Для этого измерения на входы схем управления 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 необходимо подать сигналы включения бесконтактных ключей 2 и 3 и произвести измерение, подтверждающее значение сопротивления, равное сумме сопротивлений линии (3-5 Ом) и запала (1-1.5 Ом).
Повышение надежности работы устройства обеспечивается мажоритарной схемой по логике 2 из 3 бесконтактных ключей 2 и 3 подключения электрического запала к шинам источника питания 12 и простой схемой проверки сопротивления цепи электрического запала 1 без дополнительного оборудования для коммутации и подключения электрического запала 1 к измерительному прибору, что объясняется свойствами полевого МДП-транзистора в качестве ключевого элемента, Он соединяет под управлением напряжения на затворе сток с истоком при любом напряжении между ними, что обеспечивает работу специального измерительного прибора с маленьким выходным напряжением, гарантирующим безопасный ток в электрическом запале. Токи утечки полевых МДП-транзисторов на порядок меньше безопасного тока электрического запала, что исключает несанкционированный подрыв электрического запала.