航空微型彈藥接口技術分析

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摘要：針對微小型無人機及微型彈藥的電氣互聯接口日趨小型化問題，首先研究了國外飛機/懸掛物電氣連接系統接口標準簇發展及演變過程。然后對AS5726A定義的微型彈藥接口信號組中的數字數據總線、離散量和電源等三種信號的功能及要求進行了闡述和分析，還研究了微型彈藥接口相比于MIL-STD-1760接口和小型任務懸掛物接口呈現出的新特性。最后提出了適用于微型彈藥接口的隔離網絡、匹配狀態接口電路和控制使用流程等工程應用問題的初步解決方案。

關鍵詞：微型彈藥接口；AEIS；多路復用；隔離網絡

現代戰爭大多為局部戰爭，且多發生在人口較為密集的城市之中。用于單兵或小分隊作戰的先進的偵查、監視和精確打擊武器裝備需求日益迫切。其中，微型靈巧彈藥[1]及其小型化的無人運載系統技術迅猛發展。近年來，微小型無人機技術已日趨成熟。這些小型無人機在戰術性能方面，大多具有10～15千米航程、60分鐘以上續航能力、配備先進的數據鏈，戰術型無人機還掛載智能微型靈巧彈藥。小型無人機在多國已實現批產和裝備部隊。微型彈藥發展的主要驅動力來自滿足戰術無人機精確打擊的作戰需求。目前，國外在研或裝備的微型彈藥主要供戰術無人機使用，如美國的“短柄斧”微型制導彈藥、“毒蛇出擊”反坦克導彈。為了提高飛機與懸掛物的電氣連接系統兼容性，降低武器系統的集成成本，美國頒布了MIL-STD-1760《飛機/懸掛物電氣連接系統接口要求》，國內參照該標準頒布了GJB1188[2]。借鑒上述兩項標準發展的經驗和教訓，隨著微型彈藥及作為其運載平臺的無人機系統的種類及數量的不斷增多，開展微型彈藥接口標準及其應用技術的研究工作需求迫切且意義重大。

1飛機/懸掛物電氣連接系統標準簇

不同重量級別的懸掛物的體積、功耗和成本需求相差很大。因此，需要制定多樣化的飛機/懸掛物電氣連接系統（Aircraft/StoreElectricalInterconnectionSystem，AEIS）接口標準。微型彈藥是指一種懸掛物，其典型特征是重量不超過25千克，且外徑不小于38毫米。微型彈藥接口標準就是為了適應微型靈巧彈藥及小型化運載平臺的迅猛發展而產生的。20世紀80年代初，美國機動車工程師協會（SocietyofAutomotiveEngineers，SAE）編制了MIL-STD-1760，截止目前，最新版本已發展到E版[3]。為了滿足小型及微型武器及運載平臺的應用需求，SAE又補充了AS5725《小型任務懸掛物接口》標準[4]（最新版本為B版）和AS5726《微型彈藥接口》標準[5]（最新版本為A版）。三項標準共同組成常規、小型和微型互相搭配的飛機/懸掛物電氣連接系統標準簇。三項標準相應規定的三種標準電氣接口信號規模依次減小，既有繼承也有演進。三項標準分別應用于指導不同級別的懸掛物和運載系統的開發與驗證[6]。圖1三種標準接口信號組演變過程Fig.1Processofevolvementonthreestandardizedinterfacesignalset如圖1所示，從電氣接口信號功能的角度分析，信號組規模不斷縮小。微型彈藥接口在滿足微型武器使用需求的前提下，使信號數量盡可能地最小化。

2微型彈藥接口組成及要求

2.1接口組成。處于運載系統一側的電氣接口稱為微型彈藥運載系統接口（MicroMunitionsHostInterface，MMHI）。處于微型彈藥一側的電氣接口稱為微型彈藥接口（InterfaceforMicroMunitions，IMM）。AS5726定義了兩類IMM接口：I類接口的工作電源為直流28V；II類接口的工作電源為直流56V。這兩類使用相同型號的連接器。AS5726中的微型彈藥接口信號定義部分繼承了AS5725中的小型任務懸掛物接口。IMM主要包括數字數據總線、離散量和電源三種信號類型，具體的信號定義如圖2所示。2.2工作電源圖。Fig.3Isolationnetworkschematic/UFC接口功能及要求工作電源接口和上行光纖通道（UpFiberChannel，UFC）接口是復用的，為微型彈藥提供工作用電源和上行數字數據總線接口。工作電源用于微型彈藥內部電子設備基本操作和非安全關鍵性功能。I類接口通過工作電源接口提供28VDC±5%電源。II類接口通過該接口不僅能提供56VDC±5%電源，還能夠提供28VDC。UFC滿足AS5653B《MIL-STD-1760用高速網絡》要求[7]。2.3安全允許電源。/DFC接口功能及要求安全允許電源接口和下行光纖通道（DownFiberChannel，DFC）接口是復用的，為微型彈藥提供工作用電源和下行數字數據總線接口。安全允許電源用于微型彈藥安全關鍵性功能，提供28VDC±5%電源。安全使能電源單次應用的最大持續時間不超過2秒。DFC滿足AS5653B《MIL-STD-1760用高速網絡》要求。2.4匹配狀態接口功能及要求。匹配狀態接口用于運載系統和微型彈藥確認彼此的電氣接口匹配狀態。當匹配狀態接口與工作電源回線之間的電壓超過工作電源電壓值的20%時，運載系統認為兩者是匹配的。當微型彈藥的工作電源接口和內部電源交叉點與匹配狀態接口之間的電壓超過工作電源電壓值的80%時，微型彈藥認為兩者是不匹配的。2.5安全允許離散接口功能及要求。安全允許離散作為微型彈藥的安全關鍵性功能聯鎖條件。當且僅當安全允許離散為有效狀態時，微型彈藥才能夠執行來自DFC的安全關鍵性控制指令。

3微型彈藥接口新特性分析

AS5726是飛機/懸掛物電氣連接系統標準簇中時間最晚且適用對象更加強調小型化、低功耗和低成本的一項標準。因此，微型彈藥接口與1760標準接口、小型任務懸掛物接口相比，呈現出以下幾個獨有的特點：1）直流功率信號與高頻數字數據信號復用。為了減少信號線數量，采用頻分復用的方式使得直流電源信號與高頻的數字數據信號共用傳輸線對。每一對信號線兩端通過圖3所示的3端口隔離網絡與光纖驅動器和工作電源接口連接。2）采用FC作為唯一的數字數據總線。在1760接口和小型懸掛物接口中，除了光纖通道還有專門的數字數據總線接口，如1553B總線和10Mb/s1553B總線。在微型彈藥接口中，只能在光纖通道上使用FC-AE-1553協議傳輸命令和控制數據。由于取消了HB3和LB接口，光纖通道上還應能夠使用FC-AV協議傳輸數字化的音頻和視頻數據。3）不同電源電壓共用工作電源接口。在1760接口和小型懸掛物接口中，不同的電源均采用獨立的接口。而在II類微型彈藥接口中，28V和56V的工作電源是兼容的。當給II類接口提供28V工作電源時，II類微型彈藥可當作I類微型彈藥使用，可實現其全部或部分功能。當I類微型彈藥連接到II類運載系統上時，應確保微型彈藥不被損壞。這就要求微型彈藥上做好過壓保護。4）采用模擬信號實現匹配控制。在小型懸掛物接口中，使用兩個不同方向的單向數字開關信號完成運載系統和懸掛物之間的匹配確認。而在微型彈藥接口中，通過圖4所示的兩個串聯電阻分壓，運載系統和懸掛物分別采集匹配狀態接口上的模擬電壓值，完成匹配確認。減少了一根信號線且匹配起來更加簡單。微型彈藥接口的上述四個新特性均體現了接口規模最小化的設計原則，很好地契合了微型彈藥和小型運載系統的設計需求。

4微型彈藥接口應用技術

針對AS5726定義的標準微型彈藥接口新的特性，相較于傳統的懸掛物管理系統和懸掛物接口電路設計技術，應著重考慮以下幾項特殊的設計問題。4.1隔離網絡設計與分析。頻分復用是一種典型的多路復用方式。直流電源信號作為低頻分量，光纖數字信號作為高頻分量，兩者的復合信號采用銅纜傳輸。圖3所示的隔離網絡由高通濾波器和低通濾波器構成。內部電源端口處，低通濾波器將高頻分量濾除，剩下的電源信號分量連接到DC電源或負載。內部FC端口處，高通濾波器將低頻分量濾除，剩下的光纖數字信號分量連接到FC發送器或接收器。圖3中的低通濾波器由一個高頻扼流電感線圈組成，利用其通直流且阻交流的特性實現低通濾波。圖3中的高通濾波器是一種工程中廣泛應用的一階RC無源濾波器[8]，其傳遞函數為()221jfHfjfπτπτ=+（1）式中，f為頻率，τ=RC。其幅頻特性公式為()()()2212fAfHffπτπτ==+（2）若A(f)=2/2，則截止頻率為12cfπτ=（3）依據AS5726規定，高通濾波器的截止頻率為10MHz。當R1=R1=75Ω時，由式（3）計算可得，C1=C2=212pF。此時，即可實現滿足標準要求的截止頻率為10MHz的高通濾波器。4.2匹配狀態接口電路設計。當微型彈藥與運載系統連接后，匹配狀態接口對運載系統和微型彈藥匹配電路均呈現的為模擬電壓信號。可采用模/數轉換采集電壓或電壓比較器兩種設計方案。由于匹配狀態接口的標準電壓值偏高，故需要使用運放電路將電壓比例衰減。匹配狀態接口電路的主控制CPU采用飛利浦公司的ARM7架構微控制器芯片LPC2294。當采用模/數轉換方案時，使用12位ADC芯片AD7892，控制CPU根據匹配狀態接口上實際采集到的電壓值與工作電源的20%作比較，即可獲得匹配結果。當采用電壓比較器方案時，使用電壓比較器芯片LM393，控制CPU直接讀取電壓比較器的輸出，獲得匹配狀態。4.3控制流程設計。在向微型彈藥工作電源接口施加實際電源之前，標準中允許在工作電源接口暫時施加3～12VDC的低電壓電源，該臨時電源僅用作匹配狀態的確認。一旦確認了匹配狀態，即可施加正常的工作用電。之后，運載系統就可以完成微型彈藥的識別、初始化、準備和發射/投放控制[9],[10]。圖5給出了一種典型的微型彈藥控制流程。

5結束語

微型彈藥接口標準作為MIL-STD-1760(對應GJB1188)和AS5725的擴充，滿足微型彈藥及微小型無人機的特定需求。隨著國內無人機行業的蓬勃發展，特別是微小型特種無人機的不斷增多，微型彈藥接口的應用需求勢必會不斷迫切。本文的航空用微型彈藥標準接口技術研究在國內尚屬首次開展，有助于微型彈藥接口技術在我國航空武器裝備中的工程轉化及我國飛機/懸掛物電氣連接系統標準簇的完善。同時，光纖通道在飛機/懸掛物電氣連接系統中的應用等相關問題需要進一步深入研究。

作者:苗軍民 史志釗 史兆明 趙衛園 單位:中航工業洛陽電光設備研究所