房春虎,賈 瑾,陳智鋒,周守鋒
(西安機(jī)電信息研究所,陜西西安 710065)
慣性開關(guān)是引信中常用的一種重要部件,主要用于控制引信爆炸序列中第一級(jí)電火工品電路的工作狀態(tài)[1]。慣性觸發(fā)開關(guān)最早見于上世紀(jì)50年代蘇、美導(dǎo)彈機(jī)電引信和炮彈無線電引信。目前,國內(nèi)多種引信使用的慣性觸發(fā)開關(guān),雖然尺寸參數(shù)各有不同,但大體都采用美國軍用手冊(cè)[2-3]中炮彈PF1無線電引信的結(jié)構(gòu)形式。這些開關(guān)最低閉合閾值為70 g,最高的達(dá)到幾百g,均用作引信近炸功能失效、落地后備發(fā)火的導(dǎo)通件。這種慣性觸發(fā)開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便,裝配前可以在離心試驗(yàn)裝置上測試閉合力[4]。但是該開關(guān)靈敏度與彈道安全性之間矛盾比較尖銳,近幾年已在多種引信研制中出現(xiàn)過靈敏度、瞬發(fā)度不足,炸坑過深的問題,并且解決過程中又可能發(fā)生早炸(觸發(fā)引信彈道炸);在慣性觸發(fā)開關(guān)用于大口徑殺傷爆破火箭彈引信的應(yīng)用研究中,同樣出現(xiàn)過早炸與炸坑過深的問題。為解決慣性觸發(fā)開關(guān)靈敏度與彈道安全性之間的矛盾,設(shè)計(jì)了帶加重柱的軸向安裝慣性觸發(fā)開關(guān)。
原慣性觸發(fā)開關(guān)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。開關(guān)閉合閾值為60~140 g,閉合行程0.4 mm。
所研究的火箭彈引信慣性觸發(fā)開關(guān)軸線與彈軸垂直,在彈的橫截面上120°均布并聯(lián)安裝三個(gè)慣性觸發(fā)開關(guān)。
火箭彈以正常姿態(tài)落地時(shí),慣性觸發(fā)開關(guān)觸桿沿開關(guān)徑向傾倒閉合。若彈以非正常姿態(tài)落地,例如橫向落地,至少有一組開關(guān)可以沿其軸線前沖閉合,導(dǎo)通起爆電路。
圖1 原慣性觸發(fā)開關(guān)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The basic structure of the original inertial impact switch
在實(shí)彈射擊飛行試驗(yàn)時(shí),出現(xiàn)早炸現(xiàn)象。早炸發(fā)生在彈箭分離后,戰(zhàn)斗部在目標(biāo)區(qū)上空下降過程中。跡象表明,早炸是由于引信慣性觸發(fā)開關(guān)提前閉合造成的[5]。
為解決慣性觸發(fā)開關(guān)在彈道意外閉合,將開關(guān)徑向閉合行程由0.4 mm增加到0.8 mm,離心試驗(yàn)不閉合值由60 g提高到100 g,閉合值由140 g提高到160 g(由于閾值范圍縮小,成品率由75%左右降至50%左右)。
經(jīng)200~2 000 Hz的掃頻振動(dòng)試驗(yàn)和實(shí)彈射擊飛行試驗(yàn)未再發(fā)生早炸。但是有一發(fā)由于落點(diǎn)土質(zhì)較松軟,戰(zhàn)斗部鉆地爆炸,產(chǎn)生較深的爆坑。
問題首先出自開關(guān)徑向安裝。在旋轉(zhuǎn)彈中,徑向安裝觸發(fā)開關(guān)是有道理的。因?yàn)槿绻S向安裝,開關(guān)軸與彈軸重合尚可,如果不重合,離心力有使觸桿翻倒的趨勢,會(huì)使引信徑向靈敏度變得不均勻,甚至引起早炸。并且實(shí)際安裝中,兩軸線不重合是不可避免的。
但是,大口徑火箭彈不存在這樣大的離心力,徑向安裝,反而導(dǎo)致引信的徑向靈敏度不均勻,是不合理的。即使配置3個(gè)開關(guān)在橫截面上均布,甚至再并聯(lián)一組,6個(gè)均布,正好在開關(guān)方位碰擊的幾率仍然不大,加之每個(gè)開關(guān)軸向閉合閾值不同,冗余再多也難均勻。此外,長細(xì)比很大的火箭彈橫向振動(dòng)最強(qiáng)烈,為了防止橫向振動(dòng)在最靈敏的開關(guān)方向引起早炸,就需要降低所有開關(guān)的軸向閉合閾值。
由結(jié)構(gòu)顯而易見,開關(guān)閉合閾值的可調(diào)整的因素包括彈簧抗力、觸桿質(zhì)量與質(zhì)心、徑向閉合行程與軸向閉合行程。其中軸向閉合行程僅僅影響軸向閉合閾值,徑向閉合行程和觸桿質(zhì)心僅僅影響徑向閉合閾值,而彈簧抗力和觸桿質(zhì)量對(duì)二者都有影響。但是,加大開關(guān)徑向行程降低的卻是開關(guān)徑向閉合閾值,降低了引信的軸向靈敏度和瞬發(fā)度,所以導(dǎo)致炸坑深。
首要的改進(jìn)措施是慣性開關(guān)軸向安裝,即開關(guān)軸線與彈軸平行。這樣,只要一個(gè)開關(guān)即可完成徑向敏感,不像徑向安裝那樣不同方向的靈敏度由不同傳感器體現(xiàn),從而降低了引信徑向靈敏度散布。為了提高可靠性,可以并聯(lián)冗余。并且,在沒有高速旋轉(zhuǎn)的條件下,與安裝位置無關(guān),只要軸線與彈軸平行,安裝在哪里都可以。不管軸向受力還是徑向受力,所有并聯(lián)的開關(guān)閉合的機(jī)會(huì)均等,并且真正起作用的只有一個(gè),即其中閾值最低的一個(gè)。這樣,并聯(lián)冗余實(shí)際上又一次降低了閉合閾值散布,軸向和徑向均如此。
開關(guān)軸向安裝后,引信的軸向靈敏度取決于開關(guān)的軸向閉合閾值。并且不論并聯(lián)多少,起作用的只是其中閉合閾值最低的一個(gè)。但是,該慣性開關(guān)的軸向閉合閾值散布比徑向大,靠調(diào)試、篩選,可以控制閾值散布范圍,卻又會(huì)增加成本。為了解決慣性開關(guān)軸向閉合閾值散布的問題,在觸桿下面增加了加重柱。當(dāng)慣性開關(guān)徑向受力時(shí),觸桿質(zhì)量與質(zhì)心都無變化,加重柱不起作用。但是當(dāng)彈頭受阻,慣性開關(guān)軸向受力時(shí),加重柱會(huì)與觸桿一同壓縮彈簧,向前運(yùn)動(dòng),相當(dāng)于加大了觸桿質(zhì)量??梢燥@著減小開關(guān)軸向閉合閾值散布,并且同時(shí)也使閉合閾值降低,與徑向閉合閾值拉開差距。開關(guān)軸向閉合閾值可以通過軸向閉合行程調(diào)整,并且對(duì)散布影響不大(也可以通過加重柱質(zhì)量微調(diào),但質(zhì)量減小時(shí),散布會(huì)加大)。
實(shí)際測試,當(dāng)徑向閉合閾值為80~140 g時(shí),帶加重柱的開關(guān)軸向閉合閾值可以達(dá)到50~70 g。顯著減小了軸向閉合閾值,同時(shí)較容易地拉開了軸向與徑向靈敏度的差距,使引信徑向靈敏度降低,防止早炸;軸向靈敏度提高,防止炸坑過深,有效解決了二者的矛盾。
用原慣性觸發(fā)開關(guān)和帶加重柱的敏感慣性觸發(fā)開關(guān),按徑向和軸向兩種安裝方式,裝入火箭彈戰(zhàn)斗部引信部位,搭載火箭撬進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)M戰(zhàn)斗部落地,碰擊軟土和中等硬度土壤目標(biāo),測試出侵徹過載及開關(guān)響應(yīng)過載的閉合情況。
對(duì)軟土與中等硬度土地各試驗(yàn)一次,每次兩組,一組軸向安裝的帶加重柱開關(guān);另一組是徑向安裝的對(duì)照組。每組各14個(gè)不同參數(shù)的開關(guān)。
當(dāng)目標(biāo)靶是軟土?xí)r(土壤硬度圓錐指數(shù)2.0~3.0 kg/cm2),觸地瞬時(shí)速度96 m/s。測試的軸向侵徹過載曲線如圖2所示,在彈尖觸地6 ms后達(dá)到50 g,超過50 g的持續(xù)時(shí)間約60 ms,最大值在67 g左右。試驗(yàn)結(jié)果見表1。
圖2 碰擊軟土目標(biāo)靶軸向侵徹過載曲線Fig.2 Axial penetration overload curve for soft soil target impact
表1 碰擊軟土目標(biāo)靶試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of soft soil target impact
第1組軸向安裝,全部帶加重柱,標(biāo)定的軸向閉合閾值為54~124 g。閉合的開關(guān)有4個(gè),標(biāo)定的軸向閉合閾值均不超過67 g;未閉合的開關(guān)有10個(gè),標(biāo)定的軸向閉合閾值均大于67 g。
第2組為徑向安裝,6個(gè)原開關(guān),8個(gè)帶加重柱。標(biāo)定的徑向閉合閾值為60~148 g。未閉合的3個(gè),標(biāo)定徑向閉合閾值全部超過67 g;閉合的開關(guān)有11個(gè)。標(biāo)定徑向閉合閾值不超過67 g的4個(gè)全部閉合;但是有7個(gè)標(biāo)定徑向閉合閾值大于67 g的也閉合了,其中標(biāo)定徑向閉合閾值最大的121 g。
當(dāng)目標(biāo)靶是中等硬度土壤時(shí)(土壤硬度圓錐指數(shù)4.5~5.5 kg/cm2),觸地瞬時(shí)速度 91 m/s。測試的軸向侵徹過載曲線如圖3所示,在彈尖觸地6 ms后過載值達(dá)到50 g,超過50 g的持續(xù)時(shí)間約140 ms,最大過載值約108 g。試驗(yàn)結(jié)果見表2。
圖3 碰擊中等硬土目標(biāo)靶軸向侵徹過載曲線Fig.3 Axial penetration overload curve for medium hard soil target impact
表2 碰擊中等硬土目標(biāo)靶試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of medium hard soil target impact
第3組軸向安裝,全部帶加重柱,標(biāo)定的軸向閉合閾值為63~162 g。閉合的開關(guān)有9個(gè),標(biāo)定的軸向閉合閾值均不超過108 g;未閉合的開關(guān)有5個(gè),標(biāo)定的軸向閉合閾值均大于108 g。
第4組徑向安裝,6個(gè)原開關(guān),8個(gè)帶加重柱。標(biāo)定的徑向閉合閾值為78~165 g。有1個(gè)開關(guān)未閉合,標(biāo)定的徑向閉合閾值大于108 g;閉合的開關(guān)有13個(gè),標(biāo)定的徑向閉合閾值小于108 g的9個(gè)全部閉合,但是有4個(gè)標(biāo)定的徑向閉合閾值大于108 g的也閉合了,其中標(biāo)定徑向閉合閾值最大的130 g。
1)軸向安裝時(shí),離心機(jī)標(biāo)定軸向閉合閾值與碰擊試驗(yàn)實(shí)測加速度吻合,與理論分析一致。
2)徑向安裝時(shí),離心機(jī)標(biāo)定徑向閉合閾值與碰擊試驗(yàn)實(shí)測加速度有系統(tǒng)性差異,第2組離心機(jī)標(biāo)定徑向閉合閾值73~121 g的7個(gè)開關(guān)在實(shí)測67 g的徑向過載下閉合;第4組離心機(jī)標(biāo)定徑向閉合閾值117~130 g的4個(gè)開關(guān)在實(shí)測108 g的徑向過載下閉合。這一結(jié)果出乎預(yù)料之外,說明徑向安裝時(shí)標(biāo)定值不足為憑,使用時(shí)需要加安全系數(shù),從另一角度表現(xiàn)出軸向安裝的優(yōu)越性。
3)閉合與否與閉合閾值相關(guān),與閉合間隙沒有直接關(guān)系。
4)徑向安裝時(shí),帶與不帶加重柱看不出差異。與理論分析一致。
5)第3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,軸向安裝時(shí),閉合延遲時(shí)間與標(biāo)定閉合閾值大體相關(guān),但在與實(shí)測過載相近時(shí)可能異常延長。
6)徑向安裝時(shí)閉合延遲時(shí)間與標(biāo)定閉合閾值不相關(guān),散布較大,并且閉合時(shí)間多數(shù)比軸向安裝略短。
7)未發(fā)現(xiàn)彈道上閉合現(xiàn)象,但火箭撬試驗(yàn)振動(dòng)情況與實(shí)彈飛行不同,不足為憑。
開關(guān)的徑向閉合與軸向閉合原理不同:軸向閉合時(shí),觸桿的慣性力壓縮彈簧,超過預(yù)壓值后開始運(yùn)動(dòng),行程與受力線性相關(guān)。而徑向閉合,觸桿僅靠法蘭外緣擠壓彈簧的一側(cè),運(yùn)動(dòng)與受力不是線性關(guān)系。這就帶來兩個(gè)問題:
1)沖擊與緩慢加力效果不同。如果這一分析成立,則開關(guān)的徑向閉合閾值不宜使用離心機(jī)標(biāo)定,應(yīng)考慮用沖擊試驗(yàn)臺(tái)標(biāo)定。
2)開關(guān)徑向靈敏度的各向異性。在端面一側(cè)受力的條件下,圓柱彈簧與橡膠緩沖墊不同,隨受力點(diǎn)與彈簧絲位置關(guān)系變化,抗力會(huì)變化。實(shí)際安裝與離心試驗(yàn)位置不同,閾值也不同。如果這一分析成立,標(biāo)定開關(guān)徑向靈敏度時(shí)需要多方位測試,并且篩選時(shí)還應(yīng)剔除閾值各向異性散布大的開關(guān)。
此外,碰擊目標(biāo)時(shí)會(huì)引起彈體振動(dòng),實(shí)測徑向加速度分量峰值竟然大于軸向加速度,達(dá)到300 g左右,見圖4和圖5。但是第1和第3組標(biāo)定值與實(shí)測值的良好對(duì)應(yīng),以及第 2組和第4組標(biāo)定小于 300 g(104~165 g)的4個(gè)開關(guān)沒有閉合,已經(jīng)表明,徑向振動(dòng)微秒級(jí)的持續(xù)時(shí)間不足以引起開關(guān)響應(yīng)。
圖4 碰擊軟土目標(biāo)靶徑向振動(dòng)過載曲線Fig.4 Radial vibration overload curve for soft soil target impact
圖5 碰擊中等硬土目標(biāo)靶徑向振動(dòng)過載曲線Fig.5 Radial vibration overload curve for medium hard soil target impact
帶加重柱的敏感慣性觸發(fā)開關(guān)軸向安裝于引信電路中,進(jìn)行了火箭彈飛行試驗(yàn)。彈道安全,在松軟耕地和沙石地面全部正常爆炸,炸坑很小。
本文提出了帶加重柱的軸向安裝慣性觸發(fā)開關(guān)。該開關(guān)在原慣性觸桿下方增加了加重柱,并且軸向安裝(軸線與彈軸平行)。測試、驗(yàn)證試驗(yàn)及分析表明:加重柱及軸向安裝可以使開關(guān)實(shí)際閉合加速度與標(biāo)定值吻合、引信軸向和徑向靈敏度散布都顯著減小、減少了開關(guān)冗余數(shù)量,并且使引信軸向靈敏度與徑向靈敏度拉開差距,解決早炸和炸坑過深的矛盾,適用于火箭彈和其他非旋、低旋彈藥。對(duì)于慣性開關(guān)徑向靈敏度的沖擊與緩慢加載下的響應(yīng),以及慣性開關(guān)的徑向各向異性等課題,可以進(jìn)行深入研究。
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