任广辰+闫长灿
摘要：箭载计算机是现代运载火箭控制系统中的重要组成部分。60年代以来，微电子技术与计算机技术迅速发展，特别是在70年代微处理机问世之后，数字计算机在运载火箭上的应用日益广泛，现代运载火箭控制系统中的各种计算功能越来越多地采用数字计算技术完成。因此，箭载计算机在运载火箭中的地位尤为重要。
关键词：箭载计算机 惯性制导 捷联制导 积分运算
中图分类号：V448 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（b）-0000-00
1.箭载计算机的功能概述
箭载计算机的功能和作用箭载计算机在运载火箭中的功能研究
可以从控制计算和辅助计算两方面来论述。
1.1控制计算
在弹道导弹中，通常采用惯性制导技术。惯性制导箭载计算机接收来自惯性器件的测量参数值，按惯性制导的功能要求，计算出相应的指令。
由于惯性器件不能直接测出箭体运动的位置，而只能测出箭体运动的加速度或速度，位置数据则是用计算机对速度完成一次积分，或对加速度完成二次积分得到的。因此，积分计算是箭载计算机的典型运算之一，如何有效地实现积分运算是箭载计算机设计的关键。积分运算有许多方法，可根据使用要求与实现条件来选择。其中集成电路技术对计算机的发展起着替代的作用。每一代新工艺都导致一种新型箭载计算机的产生。当小规模集成电路（SSI）出现的时候，可以采用增量计算机的机器结构，能进一步提高积分运算的速度。当中规模集成电路（MSI）可用的时候，可以采用字并行位串行的数字积分的机器结构，能进一步提高积分运算的速度，并缩小机器的体积。大规模集成电路（LSI）出现以后，便可采用位并行字串行的微型计算机，并允许用更普通的数值计分方法来完成积分运算。
在捷联制导系统中，惯性器件测得的是沿箭体轴向的加速度，需要用数学方法将箭体牵连坐标系的轴向加速度换算成惯性坐标系的轴向加速度。因此，三角函数计算与矩阵计算是箭载计算机的典型运算之一，也是选择机器体系结构时要重点考虑的一个方面。火箭控制系统除了制导系统外，还有姿态控制系统，其功能是保证火箭稳定飞行。在姿态控制计算中，主要是数字网络方程的计算，一般用Z变换来表示。改写成计算机上能直接编写程序的代数方程后，不难看出，在数字网络方程计算中，乘法的出现频率是很高的。所以，为了提高控制计算的速度，使用惯性制导的计算机能将单片机乘法器作为协处理器使用也是很有利的。
为了提高运载火箭的入轨精度，除了使用惯性制导外，在飞行弹道的中段和末段，采用天文制导和雷达制导等技术是当前制导技术发展的趋势。根据复合制导的复杂程度不同，所用的计算机可以就是用于惯性制导的单计算机，通过延长工作时间来解决。但一般而言，在复合制导系统中，由于增加了匹配计算，需要利用超大规模集成技术（VLSI）以及设计专用的相关处理机来实现。这种箭载计算机就是一个多处理机系统。
1.2辅助计算
随着计算机技术的进步，箭载计算机的功能也在不断扩充。例如，在火箭起飞前，为确保可靠性，需要对整个系统进行全面测试。由于计算机在箭上处于控制中枢的有利位置，与箭上被测设备之间存在着有机的电气联系，因而利用箭载计算机完成测试的箭测方法不仅在实现上更为灵活，而且测试精度更高，对改善全箭的机动能力和提高反应速度也是极为有利的。
测试与装订程序自动化也是实时性要求决定的。在火箭发射前，通常要进行功能检查，对目标进行瞄准，并对箭载计算机装订飞行控制数据。这些都是借助地面发控设备与箭载计算机共同完成的。此外，由箭载计算机综合进行箭上电子设备的快速检测和实时监控已成为重要的发展趋势。由此带来的一个显著特点是计算机接口的多样性和复杂性。
2.内容研究分析
箭载计算机是一种实时计算机，计算机接口主要用于实时输入与输出，数据采样时间间隔一般为几毫秒到几十毫秒，计算周期等于采样间隔时间或它的数倍，随着运载火箭性能指标的提高，箭载计算机的功能也不断增加，对计算机的速度要求将越来越高。
在箭载计算机中，时间是一个重要的参数，它是积分计算的自变量，也是程序脉冲的基准量。由于计算精度要求高，箭载计算机的时钟采用精度与稳定度都很高的晶体作为产生机器主脉冲的时钟来源，以保证各种时间间隔值满足精度要求。
为了保证各个量的采样时间都正好在时间节点上，在箭载计算机的实时输入数字接口中，选用了双工的可逆计数器。对姿态控制计算，要求从采样到输出之间的时延越短越好，这就要求程序编排上优先保证。箭载计算机的实时性，不仅要求对硬件与软件作上述的特殊处理，更困难的是，随着计算功能的上升，对计算速度的要求将越来越高。
2.2可靠性研究
运载火箭是一次性使用产品，在飞行中是无法维修的。计算机一旦失灵，就会造成严重后果。为了满足极高的可靠性要求，除了严格挑选元器件并进行整机老练外，还采用特殊的设计方式；余裕技术和自检与故障监控技术，用于多个处理机构成具有容错能力的系统。箭载计算机的可靠性就是在规定的时间内与规定的条件下正常工作的概率。由于规定的环境条件是恶劣的，这给可靠性指标的实现带来了极大的困难。适应环境条件的恶劣性主要表现在：
（1）允许工作温度范围大 由于不能采用风冷法，为保证集成电路工作的可靠性，在结构组装设计中要解决机箱内散热问题。热设计的目的在于将集成电路的热量从其封装外壳传到印制板的散热片上，再传到密封的机壳上，使半导体器件有较低的结温和结温差。
（2）防震动和冲击 为了防止产生过大的震动和冲击，除了对印刷版加固和插接件定制外，一般还要采用减震措施来解决强振以及高达几十个g的冲击过载等问题，同时又不能造成体积重量的过分增加。
（3）耐潮湿 要求机箱结构有很好的密封性能。为了提高防潮性能，一般还要对印刷版和机壳密封处加以涂敷，增强抗腐蚀能力。
（4）抗电磁干扰 要求机器结构尽量是屏蔽的，端口器件是高阈值的，具有抗电磁脉冲（EMP）能力，并保证良好接地。
2.3嵌入性
因为箭载计算机属于嵌入性产品，一般安装在狭窄的仪器舱中，它的体积、质量和功耗都受到严格的限制。因此，对箭载计算机的几何形状有时也要有特殊规定，质量大小影响更为突出。这些苛刻的物理要求无疑给嵌入性产品增加了实现的难度。解决的方法是：设计上专用，工艺上采用LSI电路，装配上采用二次集成技术，在机械结构上采用有效的热设计措施，并采用低功耗（如CMOS）集成电路以达到高密度组装的目的，计算机的二次电源以高效率和电隔离为基础，力求小型化。
结束语：
箭载计算机是运载火箭控制系统中的重要组成部分，对火箭的制导与飞行起着重要的作用。准实时性、高可靠性、高嵌入性的箭载计算机对运载火箭的飞行性能起着决定性作用。因此，箭载计算机的性能是运载火箭控制系统发挥作用的重要基础。
参考文献
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