機場跑道侵徹彈隨機裝定與延時起爆系統(tǒng)設計

喬相信，卞友才，姜 飛

(1.沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧沈陽110159;2.空軍駐吉林地區(qū)軍事代表室，吉林吉林132021)

現代戰(zhàn)爭中，制空權的爭奪越來越重要，毀傷敵機場跑道可有效遏制其空軍力量的發(fā)揮，一旦跑道被破壞和封鎖，可降低敵空軍的活動頻率。反機場跑道彈藥的設計目的是盡可能長時間地封鎖跑道，采用隨機延時侵徹子彈藥，可將起爆時間控制在從子彈藥落地的一定時間范圍內，從而有效地遏制敵機的起降。

針對國外最先進的機場反封鎖彈藥和技術存在的延時時間短的缺點［1］，采用帶有破壞作用和延遲修復作用的封鎖機場彈藥與引信，對敵方機場跑道實施攻擊，是一個切實可行的手段。本彈藥引信系統(tǒng)與以往的封鎖機場炮彈不同:采用兩級串聯戰(zhàn)斗部，考慮發(fā)射和運動過程中的高過載對電子產品的沖擊;將起爆數據裝入PIC12C508，節(jié)省大量體積，使系統(tǒng)體積控制在較小范圍;PIC的CMOS設計結合諸多節(jié)電特性，其功耗較低;采用激活的化學電源為系統(tǒng)供電，保證低功耗和較長時間的供電能力;起爆電源采用隨機時間裝定，起爆時間完全隨機，可阻止敵方維修機械和人員接近跑道，延長封鎖跑道的時間。

1 反跑道侵徹彈結構

由于反跑道侵徹彈的著速不高，在機場跑道非常堅固的情況下，彈頭未必能順利侵徹地表到合適的起爆深度，且在引信延遲起爆過程中，可能被敵方拆除，故提出具有串聯戰(zhàn)斗部的反跑道子母彈設計，在其前級有預制聚能裝藥，預先在目標上開辟一定孔徑的彈坑，確保后級爆炸戰(zhàn)斗部能侵徹到跑道內部，在引信延遲起爆過程中設置了防拆反排功能。反跑道侵徹彈結構如圖1所示。

圖1 反跑道侵徹彈結構

當母彈在一定高度開倉釋放子彈，子彈借降落傘作用下落。子彈風帽的長度實現對炸高的控制，當彈體頭部碰到目標時，發(fā)動機開始工作，推動侵徹戰(zhàn)斗部向前運動，致發(fā)火機構觸發(fā)前置引信，引爆前級預制聚能裝藥爆炸形成射流;在目標上開辟一定孔徑的通道，同時引燃彈底推進裝藥，爆炸所產生的高壓氣流將侵徹戰(zhàn)斗部推到前級裝藥爆炸開辟的通道底部，觸發(fā)延時引信(即主引信);彈頭在沖擊地面時激活延遲引信倒計時，預設秒數走完時引爆彈頭，這時彈頭已經侵徹地表，并在地表下進行爆破，產生一定深淺的主彈坑和四周被聳動破壞的鋪設面。

2 技術方案選擇

對引信總體設計與技術方案選擇時要考慮彈藥總體性能及參數［2］。隨機裝定與延時起爆控制系統(tǒng)控制侵徹戰(zhàn)斗部能按照預先裝定的起爆模式起爆，瞬時起爆模式則引信立即起爆，延時模式則按照裝定的延時時間起爆，延時時間隨機定時。引信延時起爆過程中，具有防拆反排的能力。為使引信具備防排反拆功能，在延時過程中不斷檢測防排開關的狀態(tài)，如果防拆開關閉合，立即起爆，否則繼續(xù)延時程序。

隨機延時起爆電路技術關鍵在于延時方式的選擇和延時參數的裝定以及起爆模式的裝定［1－3］。從實現角度分析，可選擇由程序控制的單片機實現，也可設計專用集成電路來實現。

1)延時方式的選擇

單片機方式下，程序通過固定的延時程序實現計時;全數字電路方式下，通過多級計數器對時鐘信號分頻并計數完成計時功能，但電路設計較前者復雜，相當于由硬件實現軟件的功能，集成后的芯片工作功耗大，體積也略大于前者。

2)工作模式和參數的裝定方法

單片機電路可采用節(jié)省端口線的串行Flash ROM或EEPROM存儲裝定參數和模式，裝定時對該芯片獨立供電并進行數據寫入。全數字電路可采用并行ROM以方便數據的讀寫。

文中綜合考慮體積和功耗等問題，采用程序控制的單片機實現隨機延時起爆功能。

3 隨機延時起爆控制系統(tǒng)設計

隨機延時起爆控制系統(tǒng)主要由外部裝定電路和起爆系統(tǒng)內部控制電路組成，包括存儲器模塊、起爆電路模塊、裝定電路控制器、彈上控制器等。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 隨機裝定與延時起爆控制系統(tǒng)框圖

工作流程為:裝定系統(tǒng)初始化后，裝定控制器把起爆模式和控制器中軟件產生的隨機數寫入存儲器，完成裝定，由裝定電路的電源為EEPROM存儲器供電。當彈丸發(fā)射后，引信的化學電源激活為系統(tǒng)供電，此時彈上控制器把存儲器中的起爆模式和隨機數讀出，當彈丸撞擊目標產生過載信號后，根據讀取到的起爆模式，立即起爆，或根據讀取的隨機延期時間進行延時，延時結束后輸出起爆信號。

系統(tǒng)電路主要由彈下裝定電路和彈上電路兩部分組成。彈下裝定電路把軟件產生的隨機數據和起爆模式的數據預置到EEPROM存儲器中;彈上電路是在傳感器碰撞目標獲得信號后，從EEPROM存儲器中讀取預先裝定的數據，按預定方式完成起爆。兩部分電路都用單片機完成。

4 起爆控制電路設計

起爆控制電路如圖3所示，主要由微控制器PIC12C508、二 極 管 4001、EEPROM 存 儲 器AT24C02、模擬開關CD4016等組成。PIC12C508是一個8腳封裝8位單片機，具有實用、低價、省電、高速和體積小等特點，其獨特的RISC(精簡指令集)結構，及獨立分開的數據總線和哈佛總線(Harvard)結構，使指令具有單字長的特性，且允許指令碼的位數可多于8位。PIC12C508的Harvard總線和RISC結構指令執(zhí)行速度比一般單片機快4～5倍;

圖中器件U1(PIC12C508)的VDD與引信電源的正極相連，管腳2和3連接數碼顯示模塊的數據線和時鐘線，管腳6和7通過4016與 U2(AT24C02)的數據線和時鐘線相連，管腳6同時還是觸發(fā)瞬爆或延時起爆的信號輸入端，管腳5是瞬爆或延時起爆的信號輸出端，管腳4接反拆開關。器件U2(AT24C02)在裝定狀態(tài)下，由外部電源供電，數據線和時鐘線端口分別與裝定器裝定接口相連，去掉寫保護，裝定器向U2中寫入裝定數據。模擬開關的控制端CTRL被裝定器強制接低電平，模擬開關未導通，存儲器和微控制器未接通，在控制器一端呈現高阻態(tài)，故微控制器在裝定模式下將不受影響。

圖3 彈上電路原理圖

電路的工作流程:引信正常工作狀態(tài)下，EEPROM存儲器由彈上電源供電，數據線和時鐘線端口通過4016與器件U1(PIC12C508)相連。打開寫保護以防裝定數據被改寫?？刂崎_關控制端CTRL由上拉電阻拉高，控制開關導通，存儲器到彈上控制器的數據傳輸通道形成，器件U1此時被啟動正常工作，控制器可正常讀出裝定數據。傳感器信號到來后，由軟件讀取數據，判斷出裝定的起爆模式，延期時間，觸發(fā)起爆信號。

起爆電路的設計如圖4所示。驅動及起爆電路由VMOS(Vertical Mos)管IRF540、RC充電電路和二極管構成。J5的管腳4接起爆電路的輸入信號(PIC單片機的管腳5)，管腳3接地，管腳1接電源，管腳1和2之間接電雷管兩端。VMOS管具有良好的性能，是電壓控制型半導體器件，其輸入阻抗極高，驅動電流在數百納安數量級;開關速度高，高頻特性好;具有負電流溫度系數，熱穩(wěn)定性優(yōu)良;沒有"熱崩"和"二次擊穿"的問題，安全工作區(qū)域大，能避免傳感器信號被干擾時錯誤起爆電雷管［4］。

圖4 起爆電路原理圖

圖4中電阻和電容對平時干擾進行濾波，保護電雷管，二極管起到穩(wěn)壓作用。當起爆信號的電壓值超過閾值電壓時，VMOS管導通，引爆電雷管。

5 系統(tǒng)調試與試驗驗證

調試軟件包括:MPLAB5.0、啟東星光51單片機ICE16仿真器以及仿真程序。硬件包括:ICE16仿真器、RF810編程器、ROM紫外線擦除器、泰克220數字示波器等。將三個軟件模塊整合，形成裝定器程序，編譯后寫入單片機，連接引信電路后加電，在主界面顯示已有裝定信息。通過多次裝定不同的起爆模式并讀出，認為裝定和讀取準確可靠，裝定器調試完成。

該系統(tǒng)在某反跑道侵徹彈上進行了引信隨機裝定與延時起爆系統(tǒng)靶場實際試驗。得到的技術指標為在0～48h內隨機裝定;作用可靠度達0.96，彈上電路尺寸小于φ20mm，延時過程中具有防拆反排功能，達到了預定的設計目標。

6 結束語

本文設計的隨機裝定與延時起爆控制系統(tǒng)試驗結果表明，系統(tǒng)能很好的實現預期功能。引信電路能按照事先裝定的起爆模式起爆，如果延時起爆，將在經過裝定的時間長度后起爆，而且在延時過程中延時引信具有防拆反排能力。裝定的數據是在一定范圍內的一個隨機時間值，這樣引信何時起爆是一個未知數，使敵方對目標的修復困難，達到了有效破壞并較長時間封鎖飛機跑道的目的。

［1］Rahdall D.Fuzing overview［C］.44th Annual Fuze Conference，2000，4.

［2］張清泰.無線電引信總體設計原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1985.

［3］Frank Robbins.Fuzes for air force unguided and precision guided weapons［C］.46th Annual Fuze Conference，2002，4.

［4］劉靖，石庚辰.微機電系統(tǒng)(MEMS)技術及在引信中的應用［J］.現代引信，1997，(3):20 －26.