魚雷引信安全系統(tǒng)通用環(huán)境信息

尚雅玲,李廣超,但 波,馮 兵

(1.海軍航空工程學(xué)院,山東煙臺(tái) 264001;2.91172部隊(duì),海南三亞 572000)

0 引言

隨著魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)的發(fā)展,對(duì)引信安全系統(tǒng)的性能提出了更高的要求,迫使魚雷引信安全系統(tǒng)由傳統(tǒng)的機(jī)械式向機(jī)電化、電子化方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)魚雷引信安全系統(tǒng)的“三化”[1-4]。

目前,大多數(shù)的魚雷引信安全系統(tǒng)屬于機(jī)電式安全系統(tǒng),其環(huán)境信息的敏感元件與保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中的執(zhí)行元件通常為同一個(gè)元件,模塊性差;傳統(tǒng)的機(jī)械敏感元件受本身固有特性的限制,很難充分利用各種環(huán)境信息。國內(nèi)不同雷型的安全系統(tǒng)之間通用性較差,維護(hù)和操作性不強(qiáng),存在一定程度的安全隱患。針對(duì)這些問題,分析魚雷引信安全系統(tǒng)的可用環(huán)境信息,從利用識(shí)別的角度明確其通用環(huán)境信息。

1 魚雷引信可用環(huán)境信息

魚雷可采用管裝發(fā)射、固定翼和直升機(jī)空投以及火箭助飛三種發(fā)射方式。無論采用何種發(fā)射方式,魚雷都要先脫離載體,然后入水下潛,一般經(jīng)歷航行搜索、捕獲目標(biāo)和跟蹤三個(gè)階段,并最終命中目標(biāo)。其全彈道流程如圖1所示。

魚雷在運(yùn)行過程中,引信安全系統(tǒng)的可用環(huán)境信息包括以下7種:

1)脫離載體信息。它是啟動(dòng)魚雷的動(dòng)作信息,伴隨魚雷發(fā)射而產(chǎn)生,其特點(diǎn)是環(huán)境信息不可逆,且在空投、火箭助飛或發(fā)射管發(fā)射等方式下均可產(chǎn)生。

2)發(fā)射過載信息。它是發(fā)射段的環(huán)境信息。魚雷發(fā)射時(shí)具有較低的后坐過載和離心過載,特點(diǎn)是過載幅值小且持續(xù)時(shí)間短。

3)入水信息。入水信息是魚雷彈道環(huán)境中的典型信息。魚雷在入水過程中會(huì)受到?jīng)_擊過載,且具有重復(fù)出現(xiàn)的特性(魚雷航行過程中意外躍出水面,造成再次入水)。魚雷進(jìn)入水中環(huán)境后,彈道介質(zhì)產(chǎn)生了變化。

4)水靜壓力信息。它伴隨著魚雷發(fā)射入水而產(chǎn)生,對(duì)應(yīng)不同的水深產(chǎn)生不同的水靜壓力,是魚雷入水深度的識(shí)別信息。

5)水動(dòng)壓力信息。它伴隨魚雷在水中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生,水動(dòng)壓力信息主要與魚雷的航行速度有關(guān)。

6)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)信息。它由螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生,主要體現(xiàn)在尾軸轉(zhuǎn)速與航程之間的聯(lián)系。

7)目標(biāo)信息。它是目標(biāo)基安全系統(tǒng)解除保險(xiǎn)所必需的一種信息,主要是利用制導(dǎo)系統(tǒng)獲得目標(biāo)參數(shù)并進(jìn)行處理后向引信安全系統(tǒng)發(fā)出的控制指令。

圖1 魚雷全彈道流程圖Fig.1 Flow chart of torpedo overall trajectory

2 魚雷引信通用環(huán)境信息

魚雷在不同載體、不同發(fā)射方式下,所伴隨的環(huán)境信息可分為物理信息和電指令信息。其中,脫離載體、發(fā)射過載、入水、水靜壓力、水動(dòng)壓力、螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)信息為物理信息,目標(biāo)信息為電指令信息。

環(huán)境信息與其識(shí)別方式密切相關(guān),為了明確魚雷引信的通用環(huán)境信息,必須對(duì)其可用環(huán)境信息的識(shí)別進(jìn)行分析[5-6]。

1)脫離載體信息是一種可通用的環(huán)境信息,通過使用布置在魚雷后段的尾部儀表開關(guān)來感知。該信息作用在儀表開關(guān)上,將表征發(fā)射啟動(dòng)的不可逆的物理動(dòng)作轉(zhuǎn)化為開關(guān)信號(hào),引信可以利用開關(guān)信號(hào)做為全電路導(dǎo)通的第一個(gè)信號(hào)。

2)發(fā)射過載信息是導(dǎo)彈和炮彈引信中解除保險(xiǎn)經(jīng)常利用的一種環(huán)境信息,魚雷引信中較少利用。在引信安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,如需利用此信息,應(yīng)充分考慮魚雷發(fā)射過載信息的特點(diǎn),避免僅采用后坐環(huán)境激勵(lì),在勤務(wù)處理中使安全系統(tǒng)提前啟動(dòng)解除保險(xiǎn),造成安全隱患。

可采用復(fù)合保險(xiǎn)的思想,發(fā)射過載信息直接作用在慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)上,慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)同時(shí)具有電磁保險(xiǎn)的功能,并通過時(shí)間窗口電路為保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)通電,利用電磁力使機(jī)構(gòu)保持在吸合狀態(tài),解決過載持續(xù)時(shí)間短,延期解除保險(xiǎn)時(shí)間長的矛盾,從而保證勤務(wù)處理的安全性與發(fā)射后的可靠解除保險(xiǎn)。同時(shí)為避免發(fā)射開始前,引信安全系統(tǒng)受到外界環(huán)境信息的刺激而解除保險(xiǎn),可適當(dāng)提高慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的工作過載和延長保險(xiǎn)銷解除保險(xiǎn)動(dòng)作的行程。

3)入水信息也是可通用的一種環(huán)境信息,各型魚雷都有對(duì)彈道介質(zhì)變化的檢測系統(tǒng)。它的利用可通過安裝在魚雷上的一次性水激活電池和電動(dòng)機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。魚雷入水后,水激活電池激活并啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)工作使魚雷產(chǎn)生推力并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作,開始向引信供電。水激活電池激活后可以在放電負(fù)載條件下產(chǎn)生一定的電壓,引信中的控制電路可以通過對(duì)該電壓的檢測,將入水的物理信息轉(zhuǎn)化為電信息加以利用。

4)水靜壓力信息是各國魚雷引信安全系統(tǒng)中利用率最高的一種環(huán)境信息。它不僅具有典型的魚雷彈道環(huán)境特點(diǎn),而且便于識(shí)別,通用性很強(qiáng)。

魚雷從入水到預(yù)定搜索深度的過程包括俯仰抑制、按一定角度下潛和拉平三個(gè)階段。水靜壓力產(chǎn)生的信號(hào)在不同階段的幅值、寬度和時(shí)序不同,均可由識(shí)別電路進(jìn)行識(shí)別。其中幅值識(shí)別較簡單,通過壓強(qiáng)幅值即可判斷魚雷是否達(dá)到解除保險(xiǎn)的預(yù)定深度。引信安全系統(tǒng)對(duì)水靜壓信息的識(shí)別一般多通過靜壓傳感器實(shí)現(xiàn),該傳感器為靜壓開關(guān)組件,水壓通過引信殼體上的密封門作用在靜壓彈性元件上,當(dāng)魚雷下潛達(dá)到預(yù)定深度時(shí),組件內(nèi)部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),解除保險(xiǎn);同時(shí),也可以采用另一種壓力傳感器,通過它對(duì)水靜壓力信息的識(shí)別,將此信息轉(zhuǎn)化為電信息,并把電信息引入到控制保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的開關(guān)電路中,實(shí)現(xiàn)水靜壓力信息啟動(dòng)保險(xiǎn)的功能。

5)水動(dòng)壓力信息具有很強(qiáng)的通用性。在對(duì)其進(jìn)行分析時(shí),應(yīng)把它從魚雷所有的發(fā)射條件中分離出來,作為魚雷特有的航行環(huán)境信息,在引信安全系統(tǒng)中建立一道獨(dú)立可靠的保險(xiǎn)。它的利用可以通過流速傳感器對(duì)魚雷航速的檢測來實(shí)現(xiàn)。

魚雷航速的測量實(shí)際上是魚雷運(yùn)動(dòng)時(shí)雷體對(duì)感受到的海水相對(duì)流速的測量,其原理如圖2所示。

圖2 流速測量原理圖Fig.2 Basic diagram of f low velocity measure

水流通過引信殼體上的斜形槽時(shí),分別流入槽中的靜壓管路和滯留壓管路。通過測量管路中水靜壓和滯留產(chǎn)生的動(dòng)壓的壓差,即可獲得流速信息。

6)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)信息是通用性很強(qiáng)的環(huán)境信息,能很好地實(shí)現(xiàn)定距,對(duì)它的利用可以通過魚雷螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與魚雷航行距離相對(duì)應(yīng)的方式來實(shí)現(xiàn)。

螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)信息是不可逆的,且尾軸轉(zhuǎn)速與航程之間的聯(lián)系較合理,作為安全距離信號(hào)較準(zhǔn)確和可靠;可通過引信的控制電路對(duì)達(dá)到預(yù)定航行距離所需的脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行識(shí)別。

7)目標(biāo)信息主要是利用制導(dǎo)系統(tǒng)獲得目標(biāo)參數(shù)并進(jìn)行處理后向引信安全系統(tǒng)發(fā)出的控制指令。利用目標(biāo)信息,引信可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)基解除保險(xiǎn)的安全設(shè)計(jì)模式,是一種通用的環(huán)境信息。

實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息的識(shí)別可以有兩種方法:一種是魚雷上的探測裝置直接獲取目標(biāo)的物理信息(熱能、電磁場等),經(jīng)過處理輸出電信號(hào)給引信安全系統(tǒng);另一種是引信通過對(duì)接收目標(biāo)反射的物理信息(光波、聲波等)處理后獲得。

這7種環(huán)境信息僅從其特點(diǎn)分析,是魚雷全彈道上必須經(jīng)歷的,都具有普遍性和通用性,但結(jié)合識(shí)別方式分析,其通用性就有明顯差別。針對(duì)脫離載體、發(fā)射過載、入水信息和目標(biāo)信息提出的識(shí)別方式仍存在較多困難,僅是理論層次;而水靜壓力、水動(dòng)壓力和螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)三種信息不僅其識(shí)別方式較簡單,而且工藝也相對(duì)成熟,是魚雷引信安全系統(tǒng)的通用環(huán)境信息。

3 例證

作為世界上魚雷引信技術(shù)的強(qiáng)國,俄羅斯和美國一直都在致力于本國魚雷引信安全系統(tǒng)的通用環(huán)境信息研究,而且已經(jīng)研制出多種利用通用環(huán)境信息的魚雷引信安全系統(tǒng)。

俄羅斯的T3CT-71魚雷引信,采用水靜壓力和螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)兩種通用環(huán)境信息,設(shè)計(jì)了以靜壓傳感器和航程機(jī)構(gòu)為信息識(shí)別裝置的安全系統(tǒng)。

俄羅斯的53-65K3魚雷引信利用螺旋漿轉(zhuǎn)動(dòng)信息,在安全系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了葉輪裝置。

美國的MK46魚雷引信安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)了靜水壓波紋管組件,用來感受水靜壓力信息,如圖3所示。

圖3 MK 46魚雷引信靜水壓波紋管Fig.3 Hydrostatic bellows of MK 46 torpedo fuze

美國的反魚雷魚雷項(xiàng)目(CCAT)中,引信安全系統(tǒng)通過采用流速傳感器對(duì)水動(dòng)壓力信息進(jìn)行識(shí)別[7-8],如圖4所示。

圖4 反魚雷魚雷引信流速傳感器Fig.4 Flow sensor of CCAT fuze

俄羅斯和美國魚雷引信安全系統(tǒng)在環(huán)境信息利用上的實(shí)例證明了水靜壓力、水動(dòng)壓力和螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)信息作為通用環(huán)境信息被識(shí)別利用切實(shí)可行。

4 結(jié)論

魚雷在不同發(fā)射平臺(tái)、不同發(fā)射方式下,伴隨有多種環(huán)境信息的產(chǎn)生,對(duì)這些環(huán)境信息的分析,可以得出其中通用性最強(qiáng)的是水靜壓力、水動(dòng)壓力和螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)信息。它們不僅能夠獨(dú)特地表明魚雷的工作狀態(tài),在勤務(wù)處理時(shí)無法意外產(chǎn)生,而且易于與安全系統(tǒng)接口,信息識(shí)別比較簡單。通過俄、美等國的實(shí)例證明了水靜壓力、水動(dòng)壓力和螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)信息作為通用環(huán)境信息被識(shí)別利用是切實(shí)可行的,為實(shí)現(xiàn)魚雷引信安全系統(tǒng)的“三化”,提供理論依據(jù)。

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