侵徹引信計層起爆炸點控制實物模擬實驗方法研究

滿曉飛,張合,馬少杰,王曉鋒

（南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室,江蘇南京 210094）

侵徹引信計層起爆炸點控制實物模擬實驗方法研究

滿曉飛,張合,馬少杰,王曉鋒

（南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室,江蘇南京 210094）

針對硬目標(biāo)侵徹引信實驗室實物模擬實驗,提出了利用多次沖擊實驗機(jī)對硬目標(biāo)侵徹過程進(jìn)行模擬實驗方法的研究。介紹了硬目標(biāo)侵徹引信的計層數(shù)策略,討論利用沖擊過程模擬侵徹過程加速度信號的可行性,設(shè)計了模擬實驗系統(tǒng)并針對某型號侵徹引信進(jìn)行計層數(shù)起爆模擬實驗。通過與靶場試驗曲線的對比,驗證了該模擬實驗方法的可行性,可較全面地檢測引信起爆控制算法的準(zhǔn)確性,以及引信活動部件動作的可靠性；但沖擊峰值較低,沖擊間隔較長,需要做進(jìn)一步的研究和完善。

兵器科學(xué)與技術(shù)；侵徹引信；沖擊試驗；模擬實驗；計層數(shù)

0 引言

硬目標(biāo)侵徹引信是侵徹彈藥實現(xiàn)作戰(zhàn)功能的“控制中樞”,引信的性能直接決定侵徹彈藥能否有效對既定目標(biāo)進(jìn)行精確打擊[1]。因此,硬目標(biāo)侵徹引信的研制是目前侵徹彈藥研制過程中的重點。

侵徹引信的研制與檢測手段目前主要有靶場試驗與半實物仿真。靶場試驗?zāi)軌驕?zhǔn)確、真實地使侵徹引信完整經(jīng)歷整個工作過程,是侵徹引信研制與檢測的有效手段,但靶場試驗往往試驗周期長、試驗成本高,并且彈藥回收存在一定的不確定性。半實物仿真是利用靶場回收數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)來模擬引信工作情況,在模擬實驗系統(tǒng)的仿真回路中接入部分實物[2-3],這種方法對計層方法的考核更接近于真實情況,能夠得到較為可靠的結(jié)果,并且實驗周期短、成本低,但實驗中采用的加速度信息均為硬件靜態(tài)下產(chǎn)生后輸入到引信電路里[4],因此無法檢測具有機(jī)械運動部件的引信,無法對加速度傳感器進(jìn)行動態(tài)考核,應(yīng)用上具有一定的局限性。

針對侵徹引信檢測手段的新需求,設(shè)計了模擬實驗。模擬實驗是一種利用現(xiàn)有實驗手段來模擬真實情況的實驗方法,與半實物模擬實驗不同之處在于,模擬實驗的數(shù)據(jù)來源并非是模擬電路,而是來自于其他形式的物理過程,比如撞擊過程,因此模擬實驗?zāi)軌蚴贡粶y引信真實地承受到加速度沖擊,因此能夠用于檢測具有活動部件引信的起爆策略。同時模擬實驗具有實驗成本低、周期短、可重復(fù)性好、實驗參數(shù)可隨時優(yōu)化和修改等特點,具有較好的靈活性,可以提供引信技術(shù)論證、研制和性能評定所用的各種模型,與實際靶場試驗相結(jié)合,在降低試驗成本的同時可縮短試驗周期,并且能夠得到極為可靠的結(jié)果。

1 硬目標(biāo)侵徹引信計層數(shù)起爆策略

1.1 硬目標(biāo)侵徹策略

硬目標(biāo)侵徹彈藥根據(jù)情報所描述的要打擊目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征、材料特征等參數(shù),要求引信能夠利用加速度傳感器等作為環(huán)境信息的敏感元件,能夠識別出彈體著靶、侵入、穿透硬目標(biāo)過程的環(huán)境特征信號,判斷出彈體當(dāng)前所處的位置,并在達(dá)到預(yù)定位置處引爆彈藥戰(zhàn)斗部,實現(xiàn)對目標(biāo)的高效毀傷。硬目標(biāo)侵徹引信炸點控制策略主要有：計時起爆,計行程起爆,計層數(shù)起爆,介質(zhì)識別起爆等。

侵徹不同目標(biāo),采取不同的起爆策略,有利于充分發(fā)揮戰(zhàn)斗部毀傷效能,在戰(zhàn)爭中處于有利地位。

1.2 計層數(shù)起爆策略

針對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多層目標(biāo),引信計層數(shù)起爆將會提高對目標(biāo)的定點殺傷力,提高打擊任務(wù)成功率。如圖1所示為計層起爆模式的工作過程示意圖[5]。按照工作流程所述,彈體穿透預(yù)設(shè)第N層靶板后,引信給出發(fā)火信號,引爆彈藥戰(zhàn)斗部。

在侵徹過程中,每層靶板侵徹過程信號的下降沿與上升沿較寬,容易識別與判斷,因此可以用來作為彈體侵入靶體與出靶的標(biāo)志,并且硬件電路實現(xiàn)起來相對容易,可以采用全硬件比較電路或軟件編程控制實現(xiàn),運算速度高,電路功耗較低,靈活性較好[5]。

由于以邊沿特征作為判斷依據(jù)的計層數(shù)算法對侵徹信號較為敏感,所以在實際應(yīng)用中可以根據(jù)目標(biāo)樓層間距信息,添加適當(dāng)?shù)难訒r,以屏蔽過短時間間隔內(nèi)的加速度信息,達(dá)到屏蔽復(fù)雜震蕩信號的目的。

2 計層數(shù)起爆炸點控制模擬實驗設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

多層侵徹引信計層數(shù)炸點控制模擬實驗系統(tǒng)包括：侵徹引信控制器,使用與待測引信匹配的接口,給待測引信供電、閉鎖充電、解除保險指令,與待測引信裝定通信,告知引信目標(biāo)特性,預(yù)先設(shè)定起爆方式[6]；某實驗引信,作為被檢測對象；多次沖擊裝置,用于對引信進(jìn)行沖擊；上位機(jī),通過PXI采集卡采集模擬侵徹過程的加速度信號以及引信的發(fā)火信號,用于檢測和驗證。

2.2 系統(tǒng)工作流程

模擬實驗系統(tǒng)工作框圖如圖2所示,其基本工作原理是利用連續(xù)沖擊裝置在短時間內(nèi)（毫秒級）連續(xù)沖擊待測引信,模擬引信在侵徹多層靶板時受到的沖擊加速度過載,引信在識別出指定次數(shù)的沖擊過程（模擬指定層數(shù)的靶板）后發(fā)出發(fā)火信號。

圖1 計層起爆控制流程圖Fig.1 Flow diagram of layer-count detonation control

圖2 模擬實驗系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of simulation system

工作過程如下：侵徹引信控制器發(fā)出啟動與初始化指令,并對引信完成工作模式以及關(guān)鍵參數(shù)裝定,然后引信被多次沖擊裝置在短時間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行沖擊,以模擬多層侵徹過程的運動狀態(tài),此過程中引信受到類似于多層侵徹過程加速度特征的沖擊,這對于含有機(jī)械運動部件（如慣性開關(guān)）的引信是極為重要的。引信傳感器采集到的加速度信號會被PXI采集卡實時采集下來,發(fā)火信號會在模擬實驗結(jié)束后通過回讀裝置上傳到上位機(jī)中進(jìn)行分析。

3 多層侵徹過程加速度過載模擬

3.1 多層侵徹過程加速度信號分析

在多層侵徹過程中,比如侵徹樓層時,多層目標(biāo)中每一層的厚度相對于侵徹機(jī)場跑道等單層目標(biāo)（半無限厚目標(biāo)）的厚度來說較薄,一般只有200～300 mm[7]。按照經(jīng)驗公式,彈體侵徹多層目標(biāo)時承受到的加速度大小與彈丸的質(zhì)量呈反比,與彈丸的直徑平方呈正比,與彈丸的速度平方呈正比。彈體侵徹單層靶板加速度過載峰值大小范圍約為20 000～50 000 g,持續(xù)時間通常在300 μs左右。圖3所示為某次靶場試驗回收所得引信侵徹3層混凝土靶板的加速度數(shù)據(jù)。實驗條件為C30混凝土,彈體質(zhì)量50 kg,彈速800 m/s.第1個平緩波形為發(fā)射過載,后面依次是3層靶板侵徹過載以及回收靶侵徹過載。

放大后的彈體侵徹3層靶板過程加速度曲線如圖4所示。觀察圖4可以得到,多層侵徹過程的加速度曲線特征為：可明顯觀察到若干個（3個）曲線尖峰,峰值大小呈降低趨勢,曲線尖峰間的間隔時間呈增大的趨勢.圖4中間隔時間為4.2 ms和4.7 ms.

圖3 實測侵徹加速度曲線Fig.3 Measured penetration acceleration curve

圖4 侵徹3層靶板加速度曲線Fig.4 Acceleration curve of penetration into a three-layer target

針對第1層靶板侵徹過程的加速度信號,設(shè)計了侵徹策略判斷分析實驗,采用入靶、出靶閾值-4 000 g作為觸發(fā)閾值,按照侵徹策略對侵徹第1層靶板所產(chǎn)生的加速度信號進(jìn)行入靶、出靶判斷,如圖5所示。達(dá)到觸發(fā)閾值后連續(xù)5個采樣周期均滿足觸發(fā)條件則判斷為入靶/出靶。

觀察圖5,提取加速度曲線特征為：曲線變化趨勢為下凹形式,峰值為-2.4×104g,曲線半峰值寬度約為200 μs,過零寬度為300 μs,下降沿/上升沿相對較寬,約達(dá)到100 μs,且波動不明顯。分析入靶/出靶判斷策略,侵徹狀態(tài)的識別只與加速度曲線下降沿/上升沿的很小一段有關(guān)（長度與引信采樣周期大小以及判斷策略所需周期數(shù)有關(guān)）,寬度約為30 μs,而與加速度曲線的峰值、以及曲線峰值附近的部分無關(guān)。

總結(jié)以上分析可得：計層數(shù)起爆控制策略所關(guān)注的加速度信號是具有連續(xù)多個尖峰,曲線下降沿與上升沿寬度達(dá)到一定寬度（約為30 μs）,且此有效寬度波動變化較為平緩特征的信號。

圖5 實測加速度曲線侵徹狀態(tài)判斷Fig.5 Determination of penetration status from measured acceleration curve

3.2 多次沖擊過程加速度過載獲取

利用沖擊過程模擬侵徹加速度特征,可作為一種有效的實驗手段,主要用于檢驗引信零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,常見的設(shè)備主要有空氣擊錘、馬希特?fù)翦N、霍普金森桿實驗機(jī)等。但這些儀器均無法產(chǎn)生短間隔的多次沖擊。

本模擬實驗系統(tǒng)獲得的連續(xù)沖擊信號由多次沖擊實驗機(jī)產(chǎn)生。多次沖擊實驗機(jī)是針對某型號多層侵徹引信專門設(shè)計、自制的,基本原理是利用短時間內(nèi)的多次沖擊過程模擬多層侵徹過程的加速度過載特征,能夠在5～20 ms間隔內(nèi)對質(zhì)量1 kg引信體產(chǎn)生4 000～15 000 g加速度大小的連續(xù)沖擊,利用PXI高速采集卡實時對引信的加速度信號采集到的多次沖擊加速度信號如圖6所示。

圖6 多次沖擊信號Fig.6 Repeated impulse signal

圖6所示情況為實驗機(jī)對引信體進(jìn)行了3次沖擊,產(chǎn)生較多波形起伏的原因是引信裝夾裝置在撞擊過程中的振蕩所致。振蕩所產(chǎn)生的加速度曲線波動與引信質(zhì)量大小、沖擊速度大小以及緩沖措施有關(guān)。

將圖6所示的連續(xù)沖擊過程中的第2次沖擊峰值放大后顯示如圖7,結(jié)合數(shù)據(jù)文件可以看出,采用撞擊形式,產(chǎn)生的加速度信號,峰值達(dá)到10 000 g,脈寬達(dá)到200 μs.

圖7 單次沖擊信號Fig.7 Single impulse signal

3.3 沖擊過程加速度侵徹狀態(tài)判斷

針對圖7所示單次沖擊過程的加速度信號,根據(jù)多層侵徹起爆控制的層數(shù)識別策略,設(shè)計了侵徹策略判斷分析過程,采用入靶、出靶閾值-4 000 g作為觸發(fā)閾值,按照侵徹策略進(jìn)行入靶、出靶判斷,如圖8所示。達(dá)到觸發(fā)閾值后連續(xù)5個采樣周期均滿足觸發(fā)條件則判斷為入靶/出靶。

觀察圖8,提取加速度曲線的特征為：曲線變化趨勢為下凹形式,峰值為10 000 g,曲線半峰值寬度約為200 μs,過零寬度為300 μs,下降沿/上升沿相對較寬,約達(dá)到100 μs,且波動變化不明顯。

通過對加速度曲線特征參數(shù)的分析,撞擊過程的加速度曲線的變化趨勢與實際侵徹過程是近似的,在多層侵徹計層數(shù)策略中,對于采用下降沿和上升沿形式判斷入靶與出靶的引信來說,撞擊過程的加速度曲線變化趨勢是可以被識別出來的,因此,撞擊過程是模擬侵徹過載過程比較有效的實驗辦法。

經(jīng)過同樣的分析,振蕩波形也滿足計層算法所要求層數(shù)識別特征,也可以用來模擬層數(shù)信號。

4 實驗

圖8 實驗曲線侵徹狀態(tài)判斷Fig.8 Determination of penetration status from experimental acceleration curve

采用某多層侵徹引信進(jìn)行了計層數(shù)炸點實物模擬發(fā)火起爆實驗。將引信內(nèi)部的加速度傳感器信號以及發(fā)火信號引出,使用PXI采集卡采集。實驗設(shè)定入靶、出靶閾值設(shè)定為-4 000 g,穿透第5層靶板后,延遲2 ms引信發(fā)出發(fā)火信號。實驗采集到的曲線如圖9所示。圖中一共進(jìn)行了7次沖擊過程,其中每次沖擊過程包含3次加速度峰值（第1次沖擊過程的加速度信號由于信號采集過程中設(shè)置了正延時觸發(fā)的原因沒有被采集下來）。

圖9 實驗曲線Fig.9 Experimental curve

5 結(jié)論

本實驗裝置最大的特色是可將引信按照實彈打靶的形式進(jìn)行檢測,無需對引信進(jìn)行拆解（為保證安全起見,雷管等爆炸物會被拆除,替換成相應(yīng)的電阻以及配重）以及信號注入（模擬侵徹信號或?qū)崪y數(shù)據(jù)）,實驗步驟也完全按照引信實際工作過程進(jìn)行,可較全面地檢測引信起爆控制算法的準(zhǔn)確性、機(jī)械部件的運動準(zhǔn)確性、工作時序的正確性等。

作為一種新型的實驗手段,模擬實驗還存在一定不足,如過載峰值不夠高（實測侵徹加速度的峰值為30 000～50 000 g,而模擬實驗裝置目前只能產(chǎn)生最大15 000 g的加速度）,無法模擬侵徹多層靶板信號的黏連現(xiàn)象以及侵徹過程中彈體的振蕩對引信實測數(shù)據(jù)的影響等,還需要進(jìn)一步的研究以及試驗論證。

（References）

[1] 江增榮,李世才,李向榮.炸點深度對侵爆戰(zhàn)斗部毀傷效果影響數(shù)值模擬[J].兵工學(xué)報,2010（S1）：28-32.

JIANG Zeng-rong,LI Shi-cai,LI Xiang-rong.Numerical simulation for influence of blast depth on damage effects of penetrationexploding tandem submunition[J].Acta Armamentarii,2010（S1）： 28-32.（in Chinese）

[2] 張志安,陳荷娟.硬目標(biāo)侵徹引信半實物仿真關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計算機(jī)仿真,2008,25（3）：17-20.

ZHANG Zhi-an,CHEN He-juan.Research on the key technology of semi physical simulation of hard target penetration fuze[J]. Computer Simulation,2008,25（3）：17-20.（in Chinese）

[3] 康敬欣,李科杰,宋萍.硬目標(biāo)侵徹引信虛擬試驗技術(shù)及其應(yīng)用[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2002,22（4）：28-30.

KANG Jing-xin,LI Ke-jie,SONG Ping.Hard target penetration fuze virtual test technology and application[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2002,22（4）：28-30. （in Chinese）

[4] 馮杰,費元春,曹俊,等.一種導(dǎo)彈引信目標(biāo)建模與半實物仿真的方法[J].紅外與激光工程,2007（S2）：402-406.

FENG Jie,FEI Yuan-chun,CAO Jun,et al.A method of target missile fuze modeling and simulation[J].Infrared and Laser Engineering,2007（S2）：402-406.（in Chinese）

[5] 張建新.侵徹引信炸點控制理論及試驗研究[D].南京：南京理工大學(xué),2012.

ZHANG Jian-xin.Theoretical and experimental study on burst point control for penetration fuze[D].Nanjing：Nanjing University of Science and Technology,2012.（in Chinese）

[6] 高越俊.硬目標(biāo)侵徹引信測試系統(tǒng)設(shè)計[D].南京：南京理工大學(xué),2013.

GAO Yue-jun.Design of hard target penetration fuze testing system[D].Nanjing：Nanjing University of Science and Technology, 2013.（in Chinese）

[7] 虞青俊,李玉龍,金連寶,等.侵徹多層混凝土目標(biāo)彈丸過載特性研究[J].探測與控制學(xué)報,2007,29（1）：13-17.

YU Qing-jun,LI Yu-long,JIN Lian-bao,et al.Study on the overload characteristics of multilayer concrete target penetration projectile[J].Journal of Detection and Control,2007,29（1）：13-17.（in Chinese）

Study of Physical Simulation Experiment of Penetration Fuze Layer-count Burst Point Control

MAN Xiao-fei,ZHANG He,MA Shao-jie,WANG Xiao-feng
（ZNDY of Ministerial Key Laboratory,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China）

A method of using the repeated impact machine to simulate the process of hard target penetration is proposed for the physical simulation experiment of hard target penetration fuze.The layer-count algorithm of hard target penetration fuze is introduced.The feasibility of simulating the penetration acceleration signal by use of the impact process is discussed.A simulation experimental system is designed,and a layer-count detonating experiment is done using a certain type of penetration fuze.The result is compared with shooting range test curve,proving the feasibility of the simulation experimental methods.The accuracy of fuze burst point control method can be comprehensively tested.The reliability of fuze moving parts can be testified.Further research is needed as the shock acceleration peak is low and the shock interval is long.

ordnance science and technology；penetration fuze；shock experiment；simulation experiment；layer-count

TJ430.6

A

1000-1093（2014）10-1556-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.10.006

2013-10-13

武器裝備預(yù)先研究項目（51305060203）

滿曉飛（1986—）,男,博士研究生。E-mail：manxiaofei@163.com；張合（1957—）,男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail：hezhangz@mail.njust.edu.cn