航空微型弹药接口技术分析

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摘要：针对微小型无人机及微型弹药的电气互联接口日趋小型化问题，首先研究了国外飞机/悬挂物电气连接系统接口标准簇发展及演变过程。然后对AS5726A定义的微型弹药接口信号组中的数字数据总线、离散量和电源等三种信号的功能及要求进行了阐述和分析，还研究了微型弹药接口相比于MIL-STD-1760接口和小型任务悬挂物接口呈现出的新特性。最后提出了适用于微型弹药接口的隔离网络、匹配状态接口电路和控制使用流程等工程应用问题的初步解决方案。

关键词：微型弹药接口；AEIS；多路复用；隔离网络

现代战争大多为局部战争，且多发生在人口较为密集的城市之中。用于单兵或小分队作战的先进的侦查、监视和精确打击武器装备需求日益迫切。其中，微型灵巧弹药[1]及其小型化的无人运载系统技术迅猛发展。近年来，微小型无人机技术已日趋成熟。这些小型无人机在战术性能方面，大多具有10～15千米航程、60分钟以上续航能力、配备先进的数据链，战术型无人机还挂载智能微型灵巧弹药。小型无人机在多国已实现批产和装备部队。微型弹药发展的主要驱动力来自满足战术无人机精确打击的作战需求。目前，国外在研或装备的微型弹药主要供战术无人机使用，如美国的“短柄斧”微型制导弹药、“毒蛇出击”反坦克导弹。为了提高飞机与悬挂物的电气连接系统兼容性，降低武器系统的集成成本，美国颁布了MIL-STD-1760《飞机/悬挂物电气连接系统接口要求》，国内参照该标准颁布了GJB1188[2]。借鉴上述两项标准发展的经验和教训，随着微型弹药及作为其运载平台的无人机系统的种类及数量的不断增多，开展微型弹药接口标准及其应用技术的研究工作需求迫切且意义重大。

1飞机/悬挂物电气连接系统标准簇

不同重量级别的悬挂物的体积、功耗和成本需求相差很大。因此，需要制定多样化的飞机/悬挂物电气连接系统（Aircraft/StoreElectricalInterconnectionSystem，AEIS）接口标准。微型弹药是指一种悬挂物，其典型特征是重量不超过25千克，且外径不小于38毫米。微型弹药接口标准就是为了适应微型灵巧弹药及小型化运载平台的迅猛发展而产生的。20世纪80年代初，美国机动车工程师协会（SocietyofAutomotiveEngineers，SAE）编制了MIL-STD-1760，截止目前，最新版本已发展到E版[3]。为了满足小型及微型武器及运载平台的应用需求，SAE又补充了AS5725《小型任务悬挂物接口》标准[4]（最新版本为B版）和AS5726《微型弹药接口》标准[5]（最新版本为A版）。三项标准共同组成常规、小型和微型互相搭配的飞机/悬挂物电气连接系统标准簇。三项标准相应规定的三种标准电气接口信号规模依次减小，既有继承也有演进。三项标准分别应用于指导不同级别的悬挂物和运载系统的开发与验证[6]。图1三种标准接口信号组演变过程Fig.1Processofevolvementonthreestandardizedinterfacesignalset如图1所示，从电气接口信号功能的角度分析，信号组规模不断缩小。微型弹药接口在满足微型武器使用需求的前提下，使信号数量尽可能地最小化。

2微型弹药接口组成及要求

2.1接口组成。处于运载系统一侧的电气接口称为微型弹药运载系统接口（MicroMunitionsHostInterface，MMHI）。处于微型弹药一侧的电气接口称为微型弹药接口（InterfaceforMicroMunitions，IMM）。AS5726定义了两类IMM接口：I类接口的工作电源为直流28V；II类接口的工作电源为直流56V。这两类使用相同型号的连接器。AS5726中的微型弹药接口信号定义部分继承了AS5725中的小型任务悬挂物接口。IMM主要包括数字数据总线、离散量和电源三种信号类型，具体的信号定义如图2所示。2.2工作电源图。Fig.3Isolationnetworkschematic/UFC接口功能及要求工作电源接口和上行光纤通道（UpFiberChannel，UFC）接口是复用的，为微型弹药提供工作用电源和上行数字数据总线接口。工作电源用于微型弹药内部电子设备基本操作和非安全关键性功能。I类接口通过工作电源接口提供28VDC±5%电源。II类接口通过该接口不仅能提供56VDC±5%电源，还能够提供28VDC。UFC满足AS5653B《MIL-STD-1760用高速网络》要求[7]。2.3安全允许电源。/DFC接口功能及要求安全允许电源接口和下行光纤通道（DownFiberChannel，DFC）接口是复用的，为微型弹药提供工作用电源和下行数字数据总线接口。安全允许电源用于微型弹药安全关键性功能，提供28VDC±5%电源。安全使能电源单次应用的最大持续时间不超过2秒。DFC满足AS5653B《MIL-STD-1760用高速网络》要求。2.4匹配状态接口功能及要求。匹配状态接口用于运载系统和微型弹药确认彼此的电气接口匹配状态。当匹配状态接口与工作电源回线之间的电压超过工作电源电压值的20%时，运载系统认为两者是匹配的。当微型弹药的工作电源接口和内部电源交叉点与匹配状态接口之间的电压超过工作电源电压值的80%时，微型弹药认为两者是不匹配的。2.5安全允许离散接口功能及要求。安全允许离散作为微型弹药的安全关键性功能联锁条件。当且仅当安全允许离散为有效状态时，微型弹药才能够执行来自DFC的安全关键性控制指令。

3微型弹药接口新特性分析

AS5726是飞机/悬挂物电气连接系统标准簇中时间最晚且适用对象更加强调小型化、低功耗和低成本的一项标准。因此，微型弹药接口与1760标准接口、小型任务悬挂物接口相比，呈现出以下几个独有的特点：1）直流功率信号与高频数字数据信号复用。为了减少信号线数量，采用频分复用的方式使得直流电源信号与高频的数字数据信号共用传输线对。每一对信号线两端通过图3所示的3端口隔离网络与光纤驱动器和工作电源接口连接。2）采用FC作为唯一的数字数据总线。在1760接口和小型悬挂物接口中，除了光纤通道还有专门的数字数据总线接口，如1553B总线和10Mb/s1553B总线。在微型弹药接口中，只能在光纤通道上使用FC-AE-1553协议传输命令和控制数据。由于取消了HB3和LB接口，光纤通道上还应能够使用FC-AV协议传输数字化的音频和视频数据。3）不同电源电压共用工作电源接口。在1760接口和小型悬挂物接口中，不同的电源均采用独立的接口。而在II类微型弹药接口中，28V和56V的工作电源是兼容的。当给II类接口提供28V工作电源时，II类微型弹药可当作I类微型弹药使用，可实现其全部或部分功能。当I类微型弹药连接到II类运载系统上时，应确保微型弹药不被损坏。这就要求微型弹药上做好过压保护。4）采用模拟信号实现匹配控制。在小型悬挂物接口中，使用两个不同方向的单向数字开关信号完成运载系统和悬挂物之间的匹配确认。而在微型弹药接口中，通过图4所示的两个串联电阻分压，运载系统和悬挂物分别采集匹配状态接口上的模拟电压值，完成匹配确认。减少了一根信号线且匹配起来更加简单。微型弹药接口的上述四个新特性均体现了接口规模最小化的设计原则，很好地契合了微型弹药和小型运载系统的设计需求。

4微型弹药接口应用技术

针对AS5726定义的标准微型弹药接口新的特性，相较于传统的悬挂物管理系统和悬挂物接口电路设计技术，应着重考虑以下几项特殊的设计问题。4.1隔离网络设计与分析。频分复用是一种典型的多路复用方式。直流电源信号作为低频分量，光纤数字信号作为高频分量，两者的复合信号采用铜缆传输。图3所示的隔离网络由高通滤波器和低通滤波器构成。内部电源端口处，低通滤波器将高频分量滤除，剩下的电源信号分量连接到DC电源或负载。内部FC端口处，高通滤波器将低频分量滤除，剩下的光纤数字信号分量连接到FC发送器或接收器。图3中的低通滤波器由一个高频扼流电感线圈组成，利用其通直流且阻交流的特性实现低通滤波。图3中的高通滤波器是一种工程中广泛应用的一阶RC无源滤波器[8]，其传递函数为()221jfHfjfπτπτ=+（1）式中，f为频率，τ=RC。其幅频特性公式为()()()2212fAfHffπτπτ==+（2）若A(f)=2/2，则截止频率为12cfπτ=（3）依据AS5726规定，高通滤波器的截止频率为10MHz。当R1=R1=75Ω时，由式（3）计算可得，C1=C2=212pF。此时，即可实现满足标准要求的截止频率为10MHz的高通滤波器。4.2匹配状态接口电路设计。当微型弹药与运载系统连接后，匹配状态接口对运载系统和微型弹药匹配电路均呈现的为模拟电压信号。可采用模/数转换采集电压或电压比较器两种设计方案。由于匹配状态接口的标准电压值偏高，故需要使用运放电路将电压比例衰减。匹配状态接口电路的主控制CPU采用飞利浦公司的ARM7架构微控制器芯片LPC2294。当采用模/数转换方案时，使用12位ADC芯片AD7892，控制CPU根据匹配状态接口上实际采集到的电压值与工作电源的20%作比较，即可获得匹配结果。当采用电压比较器方案时，使用电压比较器芯片LM393，控制CPU直接读取电压比较器的输出，获得匹配状态。4.3控制流程设计。在向微型弹药工作电源接口施加实际电源之前，标准中允许在工作电源接口暂时施加3～12VDC的低电压电源，该临时电源仅用作匹配状态的确认。一旦确认了匹配状态，即可施加正常的工作用电。之后，运载系统就可以完成微型弹药的识别、初始化、准备和发射/投放控制[9],[10]。图5给出了一种典型的微型弹药控制流程。

5结束语

微型弹药接口标准作为MIL-STD-1760(对应GJB1188)和AS5725的扩充，满足微型弹药及微小型无人机的特定需求。随着国内无人机行业的蓬勃发展，特别是微小型特种无人机的不断增多，微型弹药接口的应用需求势必会不断迫切。本文的航空用微型弹药标准接口技术研究在国内尚属首次开展，有助于微型弹药接口技术在我国航空武器装备中的工程转化及我国飞机/悬挂物电气连接系统标准簇的完善。同时，光纤通道在飞机/悬挂物电气连接系统中的应用等相关问题需要进一步深入研究。

作者:苗军民 史志钊 史兆明 赵卫园 单位:中航工业洛阳电光设备研究所