新型水魚雷系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

葉彬強(qiáng)，王 一

（重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400050）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)，尤其是人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，各國(guó)之間的高能武器大比拼已愈演愈烈。據(jù)此，智能武器的長(zhǎng)足發(fā)展開始了。水魚雷，這種“水雷和魚雷”的混血兒也在此期間應(yīng)運(yùn)而生。

1 系統(tǒng)原理介紹

1.1 超聲波測(cè)距原理

測(cè)距原理：超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[1]。

超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of fl ight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即：D=ct/2。

其中D為傳感器與障礙物之間的距離，以m計(jì)，c為超聲波速度，這里以340m/s計(jì)，t為超聲波從發(fā)送到接收的總時(shí)間，以s計(jì)[1]。

1.2 西伯克效應(yīng)

有兩種不同導(dǎo)體組成的開路中，如果導(dǎo)體的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)存在溫度差，這開路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E。這就是西伯克效應(yīng)。由于西伯克效應(yīng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱作溫差電動(dòng)勢(shì)[2]。

1.3 系統(tǒng)工作原理

裝有太陽(yáng)能極板和漂浮裝置的水魚雷可由電子鎖鏈栓在指定海域中，前提是保證太陽(yáng)光能照到的地方，以便系統(tǒng)長(zhǎng)期工作。當(dāng)紅外線傳感器接收到高濃度紅外線時(shí)，裝在鎖鏈上的選通電路發(fā)出高電平，鎖住水魚雷的電機(jī)向外旋轉(zhuǎn)，激活水魚雷，并使其脫離鎖鏈。由根據(jù)西伯克效應(yīng)設(shè)計(jì)的熱跟蹤系統(tǒng)對(duì)敵艦進(jìn)行追蹤，同時(shí)依據(jù)超聲波測(cè)距原理對(duì)敵艦進(jìn)行測(cè)距，當(dāng)水魚雷與目標(biāo)敵艦的距離在限定爆炸范圍內(nèi)，由MCS-51單片機(jī)引爆水魚雷。爆炸物要求：有足夠的威力，比如N2型炸藥。爆炸范圍：8米。

2 系統(tǒng)硬件介紹

2.1 選通電路和紅外線探測(cè)器

當(dāng)紅外線探測(cè)器接收到紅外線時(shí)，向選通電路發(fā)出相應(yīng)解鎖信號(hào)，使鎖住水魚雷的電機(jī)外轉(zhuǎn)，達(dá)到解鎖效果，同時(shí)選通AT89C51。

為了使探測(cè)范圍最大化，紅外線探測(cè)器可由多組小型紅外線傳感器均勻排列，組合成半球體外形，并對(duì)稱安裝于水魚雷軸心線兩側(cè)面。因?yàn)檎麄€(gè)球都由傳感器構(gòu)成，因此形成球形的全視角監(jiān)查模式。設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 紅外線探測(cè)器設(shè)計(jì)圖

2.2 AT89C51和MCS-51單片機(jī)

本系統(tǒng)采用AT89C51來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波距離模塊的控制。單片機(jī)通過(guò)P1.0引腳經(jīng)反相器來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物（或目標(biāo)）之間的距離。每次AT89C51向主控單片機(jī)MCS-51發(fā)送采集數(shù)據(jù)（聲波收發(fā)時(shí)間），由主控機(jī)MCS-51計(jì)算出目標(biāo)與“雷”的距離，并決定是否引爆。

2.3 聲納

為了避免因敵艦聲納系統(tǒng)干擾，水魚雷安裝的聲納系統(tǒng)所接發(fā)的超聲波頻率設(shè)定值，需與普通艦船加以區(qū)分。

3 熱跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電路組成

系統(tǒng)使用的主要元件為三相熱電偶。假設(shè)有A、B兩段不同材料的結(jié)點(diǎn)在一定溫度T下會(huì)產(chǎn)生一定熱電動(dòng)勢(shì)：Eab(T,T0),T0為標(biāo)準(zhǔn)參考溫度。根據(jù)同一熱電偶結(jié)點(diǎn)溫度越高，電勢(shì)越高的這個(gè)特點(diǎn)，選擇兩種材料，若干根導(dǎo)線，四個(gè)靈敏電機(jī)，四個(gè)功率放大器，可組成熱跟蹤系統(tǒng)的主跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 熱跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)電路圖

3.2 跟蹤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方案

在圓柱（武器）底面的圓周上，均勻，等弧距地安裝四個(gè)同向旋轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn)推進(jìn)），規(guī)格相同的調(diào)節(jié)電機(jī)（電路中的電機(jī)），確保電機(jī)的軸心線與圓柱側(cè)面垂直，葉輪方向向外。由此，可得出其機(jī)械設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

3.3 跟蹤瞄準(zhǔn)原理

根據(jù)傳熱學(xué)原理，在理想化水域中，水的原溫度、密度處處相等。其熱量的傳播特性為由高溫區(qū)向低溫區(qū)均勻傳播。由此建立熱量傳播的模型：以熱源為球心的熱量均勻地向周圍不斷擴(kuò)散成無(wú)數(shù)個(gè)同心球。在傳播過(guò)程中，損耗也是均勻的。換言之，不同球面之間，溫度是不同的，由球心（熱源）向外不斷均勻下降，而在同一個(gè)球面上的任意點(diǎn)溫度相同，這些球面被稱為等溫面[3]。由于，水魚雷系統(tǒng)體積不大，可將其周圍水域視為理想化水域，并將該理論用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在，將電路圖中的四個(gè)結(jié)點(diǎn)分別置于一個(gè)正方形的四個(gè)頂點(diǎn)上，確?！案櫸淦鳌陛S心線（把武器看作圓柱體）與該正方形垂直，并通過(guò)該正方形的中心（對(duì)角線交點(diǎn)）。根據(jù)幾何學(xué)原理，若一個(gè)正方形的四個(gè)頂點(diǎn)都在同一球面上，那么，通過(guò)這個(gè)正方形中心，且與正方形垂直的直線一定通過(guò)球心。即，此時(shí)，武器軸心線必對(duì)準(zhǔn)球心（熱源），武器瞄準(zhǔn)熱源，或與熱源正好反向。這分別是最佳和最差兩種狀態(tài)。若是最佳狀態(tài)，只要武器的主引擎繼續(xù)工作，就行了。若不是最佳狀態(tài)，則需分兩種情況討論。

圖3 機(jī)械設(shè)計(jì)構(gòu)圖

3.4 可行性分析設(shè)計(jì)

在非最佳狀態(tài)下，跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的可行性設(shè)計(jì)可分以下兩種情況進(jìn)行討論。設(shè)武器頂端指向?yàn)檎?，武器中心和熱源的連線為主線，武器軸心線的正向與主線的夾角為熱角。

3.4.1 非最差狀態(tài)

當(dāng)熱角小于90度時(shí)，正方形四個(gè)頂點(diǎn)不在同一球面時(shí)，處于高溫球面的點(diǎn)，擁有較高的熱電勢(shì)，溫度越低的點(diǎn)，熱電勢(shì)也越低。因此，每對(duì)相鄰點(diǎn)之間的電勢(shì)差大小也不同。經(jīng)過(guò)電路中，功率放大器放大后，四個(gè)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)不同，調(diào)節(jié)程度也相應(yīng)不同。電勢(shì)差越大，轉(zhuǎn)速越快，溫度高的點(diǎn)接近低溫層的速度越快，熱電勢(shì)下降速度也越快，與相鄰點(diǎn)之間的電勢(shì)差下降越快，相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢，調(diào)節(jié)能力下降，直到四點(diǎn)在同一球面（最佳和最差狀態(tài)），每對(duì)相鄰點(diǎn)之間電勢(shì)差為零，四個(gè)電機(jī)停止調(diào)節(jié)。當(dāng)熱角大于90度時(shí)，根據(jù)同樣的運(yùn)行規(guī)律，溫度越高的點(diǎn)電勢(shì)越高，相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，調(diào)節(jié)速度越快，高溫點(diǎn)接近更高溫度層速度加快，電勢(shì)也繼續(xù)上升，直到熱角達(dá)到90度，轉(zhuǎn)動(dòng)速度最大，轉(zhuǎn)動(dòng)方向不變。此時(shí)，高溫點(diǎn)開始向低溫點(diǎn)調(diào)節(jié)，隨后的調(diào)節(jié)狀況，便是熱角小于90度的調(diào)節(jié)狀況[4]。

3.4.2 最差狀態(tài)

當(dāng)電機(jī)處于最差狀態(tài)時(shí)，武器達(dá)到反向平衡，熱角等于180度。一旦打破這一平衡狀態(tài)，就可以使武器正常運(yùn)行。因此，可在武器頂端安裝帶有調(diào)節(jié)電機(jī)的熱電偶，熱電偶兩結(jié)點(diǎn)之間的連線與武器軸心線重合，電機(jī)垂直于武器軸心線，并將電機(jī)和熱電偶以二極管連接起來(lái)。此時(shí)，頂端熱電偶靠近武器的結(jié)點(diǎn)溫度高，產(chǎn)生的電勢(shì)差足以打破平衡，而頂部電機(jī)的推動(dòng)方向與四個(gè)調(diào)節(jié)電機(jī)的總體調(diào)節(jié)方向相同（四個(gè)調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)作可參考熱角大于90度的情況）。當(dāng)熱角等于90度時(shí)，頂端熱電偶不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)熱角小于90度時(shí)，頂端熱電偶產(chǎn)生反向電勢(shì)差。此時(shí)，電勢(shì)差反向，連接頂部電機(jī)的二極管截止，電流不導(dǎo)通，頂部電機(jī)依然不轉(zhuǎn)，熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)按非最差狀態(tài)，熱角小于90度的情況正常調(diào)節(jié)，直到最佳狀態(tài)為止。因此可以得出頂部電路圖，如圖4所示；非最差狀態(tài)有兩種情況，武器調(diào)節(jié)示意圖如圖5和圖6所示。當(dāng)最差狀態(tài)時(shí)，平衡被打破，示意圖與圖6類似。因此，可以得出結(jié)論，該設(shè)計(jì)是有效、合理的。

圖4 水魚雷頂部電路設(shè)計(jì)圖

圖5 非最差狀態(tài)示意圖，熱角小于90度

圖6 非最差狀態(tài)示意圖，熱角大于90度

3.5 熱電偶材料選擇

由于武器所需靈敏度通常較高，因此，對(duì)熱電偶的靈敏度——熱電轉(zhuǎn)換比要求較高，可以分別應(yīng)用“鎳鉻、考銅”為熱電偶材料A、B。

3.6 隔熱處理

由于主引擎啟動(dòng)必須發(fā)熱，電機(jī)切割磁感應(yīng)線也要產(chǎn)生大量的熱，這將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)作。因此，需要對(duì)主引擎和五個(gè)調(diào)節(jié)電機(jī)進(jìn)行隔熱處理——將它們自身散發(fā)的熱量與水溫隔開。可采用“保溫瓶”的設(shè)計(jì)原理：由兩層隔熱材料夾著一層真空，形成三層隔熱效果，再加上，三層隔熱層的外部裝有由瓷片制成的保護(hù)層，這樣就可以避免，或是無(wú)限度的降低主引擎與電機(jī)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)作造成的負(fù)面影響。最后得出設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

3.7 機(jī)械設(shè)計(jì)總圖

通過(guò)對(duì)上述元件的工作原理、設(shè)計(jì)安裝的闡述，可作出水魚雷系統(tǒng)的完整機(jī)械設(shè)計(jì)圖，如圖8所示。

圖7 機(jī)械設(shè)計(jì)總圖

圖8 隔熱層設(shè)計(jì)切面示意圖

4 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)上述系統(tǒng)各組成機(jī)構(gòu)的詳細(xì)分析，可知，熱跟蹤性能并不在程序設(shè)計(jì)范圍內(nèi)（全自動(dòng)）。需要由程序，重新設(shè)計(jì)的性能僅有系統(tǒng)的自啟動(dòng)部分和系統(tǒng)的自引爆部分。因此，這兩部分的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

圖9 程序設(shè)計(jì)流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以熱跟蹤系統(tǒng)為主，詳細(xì)設(shè)計(jì)了具備跟蹤功能的自動(dòng)水魚雷攻防系統(tǒng)。因?yàn)樵撓到y(tǒng)通常用于水下10米處（隱蔽性好，能及時(shí)進(jìn)行太陽(yáng)能充電），可認(rèn)為環(huán)境為理想化水域，所以系統(tǒng)具有相應(yīng)的實(shí)用價(jià)值，但由于難以采用精確的鎖定攻擊模式，該系統(tǒng)只適用于大面積殺傷武器。

[1]趙廣濤, 程蔭杭.基于超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].

[2]楊世銘, 陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京: 高等教育出版社,1998.

[3]余成波, 胡新宇, 趙勇.傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[M].北京: 高等教育出版社, 2005.

[4]梅曉榕, 自動(dòng)控制原理[M].北京: 科學(xué)出版社出版, 2004.