某投擲式干擾機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

胡唐生

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所， 浙江 嘉興 314000)

某投擲式干擾機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

胡唐生

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所， 浙江 嘉興 314000)

以炮彈為運(yùn)載平臺(tái)將干擾機(jī)投擲到目標(biāo)區(qū)需完成炮射、空中開艙、落地、天線展開等系列動(dòng)作，才能有效地開展后續(xù)工作。文中介紹了干擾彈的組成和工作流程，通過仿真分析、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新、采用灌封工藝、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)相結(jié)合等手段，進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，干擾機(jī)能可靠有效地工作，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

干擾機(jī)；過載；機(jī)械慣性開關(guān)；減旋減速傘；拉桿天線

引 言

炮射干擾彈是利用火炮將一次性使用的干擾機(jī)投擲到目標(biāo)區(qū)，對(duì)敵目標(biāo)實(shí)施干擾的特種彈。采用火炮發(fā)射干擾機(jī)，是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)和軍隊(duì)數(shù)字化建設(shè)的一項(xiàng)必備手段，它具有以下優(yōu)勢(shì)：1)展開迅速，使用簡(jiǎn)單靈活；2)抵近干擾，以較小功率達(dá)到干擾效果；3)補(bǔ)充其他干擾平臺(tái)(如車載、機(jī)載)受地形、地理和氣象條件的限制；4)避免遭敵攻擊，減少人員和裝備的損失。

文獻(xiàn)[1-4]介紹了國(guó)內(nèi)外彈載干擾機(jī)的裝備現(xiàn)狀，西方各國(guó)起步很早，美、俄、英、保加利亞等國(guó)發(fā)展并裝備了通信干擾彈。如美國(guó)研制出XM982式155 mm遠(yuǎn)程子母彈，內(nèi)裝4個(gè)干擾機(jī)；俄羅斯主要研制了3HC30式152 mm高頻/甚高頻通信干擾彈和BPC系列152 mm超短波無線電干擾彈；保加利亞也裝備了BPC-542高頻/甚高頻(152mm口徑、155 mm口徑)通信干擾彈和VRS系列干擾彈。目前，國(guó)內(nèi)干擾彈的理論和試驗(yàn)研究都有相當(dāng)大的進(jìn)展，性能與國(guó)外差距不大。

相關(guān)文獻(xiàn)資料[1-5]大多是概念、理論、原理和工作流程上的介紹，基本沒有涉及工程設(shè)計(jì)。本文對(duì)炮彈運(yùn)載平臺(tái)及內(nèi)裝干擾機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行探索，給出了相關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法和途徑，對(duì)其他彈載任務(wù)載荷具有一定的參考意義。

1 干擾彈的組成及其工作流程

干擾彈以干擾機(jī)作為電子填充物，取代彈內(nèi)的彈藥，主要由彈體、引信、拋射藥、船尾和干擾機(jī)組成。其工作流程如圖1所示，具體過程如下：干擾彈高速離開炮口，飛行至一定高度，引信點(diǎn)火引爆拋射藥，產(chǎn)生的沖擊力推動(dòng)干擾機(jī)與母彈分離，完成空中開艙。開艙后，減旋減速傘張開。當(dāng)干擾機(jī)扎入地面時(shí)，機(jī)械慣性開關(guān)在撞擊力作用下觸發(fā)閉合，干擾機(jī)電源開始供電。獲得電流后，電路單元產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)火脈沖信號(hào)，火工品引爆后產(chǎn)生作動(dòng)力，彈出拉桿天線，電路單元輸出寬帶干擾信號(hào)，經(jīng)放大和匹配后由天線輻射出去對(duì)目標(biāo)實(shí)施干擾。

圖1 干擾彈工作流程

2 干擾機(jī)相關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

2.1 抗過載設(shè)計(jì)

干擾機(jī)需要承受炮射時(shí)12 000g過載、空中開艙和落地3個(gè)階段的沖擊考驗(yàn)，為了達(dá)到抗沖擊要求，在設(shè)計(jì)時(shí)采取以下措施。

(1) 建模仿真，比對(duì)分析

簡(jiǎn)化干擾機(jī)模型，利用Cosmos軟件進(jìn)行靜載荷分析，了解干擾機(jī)變形的部位、趨勢(shì)和最大變形點(diǎn)，如圖2所示。采取增加殼體厚度、增大圓弧過度半徑，通過仿真比對(duì)來優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 Cosmos軟件仿真示意圖

(2) 選擇合適的材料

干擾機(jī)本身有嚴(yán)格的重量要求，全部用鋼材，經(jīng)核算重量超標(biāo)。因此除頭錐選用鋼材，其余采用鋁材。首批摸底試驗(yàn)時(shí)，外殼鋁材選用了常用鋁合金2A12-T4，結(jié)果出現(xiàn)變形。為了增加強(qiáng)度，外殼材料改用鋁合金7A04-T6，7A04-T6的屈服強(qiáng)度是2A12-T4的1.5倍。

(3) 采用灌封工藝

干擾機(jī)內(nèi)部有空腔，為了提高干擾機(jī)整體強(qiáng)度，采用雙組分聚胺酯灌封工藝，選擇一定的配比和發(fā)泡倍率，控制合適的溫度和濕度，嚴(yán)格執(zhí)行每個(gè)空間灌封質(zhì)量的要求。通過灌封工藝處理，干擾機(jī)內(nèi)部空腔被填充，內(nèi)外成為一體，解決了電子元器件的抗沖擊要求，圖3是電池組灌封前后的狀態(tài)。

圖3 電池組灌封前后對(duì)比

(4) 進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，減小沖擊

為了減少3個(gè)階段的沖擊，采用了以下設(shè)計(jì)：1)干擾機(jī)裝入母彈時(shí)，通過調(diào)節(jié)鋼墊片的厚度，控制干擾機(jī)在母彈內(nèi)部沿軸線方向的竄動(dòng)，使干擾機(jī)與母彈成為一體來抵抗發(fā)射時(shí)的沖擊。2)船尾螺紋設(shè)計(jì)成四周間斷狀，其螺紋強(qiáng)度要滿足發(fā)射時(shí)的不脫落和開艙時(shí)的易剪切，來緩解干擾機(jī)開艙時(shí)的沖擊。3)干擾機(jī)配有減速傘來降低落地速度，頭錐設(shè)計(jì)成圓錐體，使干擾機(jī)易于插入地面來減緩沖擊。

(5) 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過上述設(shè)計(jì)優(yōu)化，在強(qiáng)度試驗(yàn)中，取得了滿意的結(jié)果。我們對(duì)炮射前后的干擾機(jī)的外徑進(jìn)行了測(cè)試，如表1所示，結(jié)果表明干擾機(jī)基本沒有變形。

表1 干擾機(jī)外徑測(cè)試

2.2 落地姿態(tài)的控制

干擾機(jī)的落地姿態(tài)與干擾效果有很大關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)從以下3個(gè)方面來考慮。

(1) 控制干擾機(jī)的重心和外形

干擾機(jī)的重心離頭錐的距離與干擾機(jī)總長(zhǎng)的比值要在一定的范圍內(nèi)?？s小干擾機(jī)前段直徑，加大后段直徑，可增大空氣阻力，從而降低干擾機(jī)飛行性能，而且有效地規(guī)范了干擾機(jī)落地的角度。通過核算各組成部分的重量來計(jì)算重心位置，整機(jī)合攏后，實(shí)測(cè)干擾機(jī)重心能滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 控制干擾機(jī)的空中姿態(tài)

為了穩(wěn)定干擾機(jī)飛行姿態(tài)和提供下降運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定力矩，使干擾機(jī)以較大的落角撞擊地面，設(shè)計(jì)了減旋減速傘來控制干擾機(jī)的空中姿態(tài)和落地速度，提高干擾機(jī)下降彈道的穩(wěn)定性。該傘由傘布和片狀金屬傘骨組成，如圖4所示。傘在母彈內(nèi)處于收攏狀態(tài)，外用飄帶纏繞，開艙后利用干擾機(jī)的旋轉(zhuǎn)解開飄帶，傘在旋轉(zhuǎn)離心力和蝶形墊圈產(chǎn)生的彈力作用下自動(dòng)張開。

圖4 減旋減速傘

(3) 控制干擾機(jī)的開艙高度

干擾機(jī)空中開艙高度對(duì)落地姿態(tài)有很大影響。文獻(xiàn)[5]中提到如果高度小于800 m，干擾機(jī)得不到穩(wěn)定，不能保證正常入土；分離高度大于1 500 m時(shí)，干擾機(jī)散布范圍增大，落點(diǎn)精度降低；1 200 m高處是最佳分離點(diǎn)，最有利于干擾機(jī)的定向、減速和穩(wěn)定著地。其實(shí)，開艙高度與風(fēng)速、風(fēng)向、射程等因素都有關(guān)系，不能一概而論?；鹋谏鋼羟靶枰b訂射擊參數(shù)，一般情況下，試驗(yàn)前需試射指示彈來驗(yàn)證裝訂參數(shù)是否合適。

2.3 機(jī)械慣性開關(guān)設(shè)計(jì)

干擾機(jī)的機(jī)械慣性開關(guān)落地前要可靠斷開，落地后要可靠導(dǎo)通。根據(jù)使用要求和干擾機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了如圖5所示的機(jī)械慣性開關(guān)，由開關(guān)芯組件和插針等組成。干擾機(jī)裝彈前用保險(xiǎn)銷頂住開關(guān)芯組件，使其與插針處于斷開狀態(tài)。開艙后保險(xiǎn)銷在空中甩出，開關(guān)保險(xiǎn)解除，落地時(shí)在沖擊力作用下，開關(guān)導(dǎo)通，電源供電。

圖5 機(jī)械慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 天線設(shè)計(jì)

天線采用拉桿結(jié)構(gòu)形式，由多節(jié)管組成，要求工作時(shí)自動(dòng)展開，展開后最長(zhǎng)可至2.7 m，采用火工品爆炸來產(chǎn)生作動(dòng)力，使天線伸展到位。難點(diǎn)在于：1)各節(jié)管的縮口、擴(kuò)口形式和尺寸精度；2)薄壁管的縮口、擴(kuò)口的制造技術(shù)；3)各節(jié)管的間隙控制；4)火工品藥量的匹配。通過多批次靜態(tài)彈射試驗(yàn)、摸索、積累和修正，確定了各頻段拉桿天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和藥量匹配值。試驗(yàn)時(shí)拉桿天線成功地承受住了沖擊，各節(jié)拉桿展開到位，不回縮、不脫落、不折斷，天線的收縮和彈射展開的試驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖7 拉桿天線彈射展開狀態(tài)

2.5 熱設(shè)計(jì)

2.5.1 電池的熱安全設(shè)計(jì)

干擾機(jī)由鋰電池供電。鋰電池放電時(shí)，電池內(nèi)阻發(fā)熱、電極極化發(fā)熱及化學(xué)反應(yīng)放熱等會(huì)使電池溫度升高。尤其是密閉空間的電池組大電流長(zhǎng)時(shí)間放電時(shí)，內(nèi)部溫度上升更為明顯，當(dāng)溫度超過一定限度時(shí)，電池可能會(huì)出現(xiàn)膨脹、泄露、乃至爆炸等危險(xiǎn)[6]。文獻(xiàn)[7]通過仿真給出了3種恒流放電情況下電池內(nèi)部最高溫度和放電時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖8所示。仿真結(jié)論是恒流1.0 A、2.0 A和3.0 A放電情況下，電池溫度達(dá)到平衡的時(shí)間均為2.5 h左右，2.0 A的溫升為3.4 ℃。

圖8 3種恒流放電情況下電池內(nèi)部最高溫度和放電時(shí)間的關(guān)系曲線

針對(duì)上述結(jié)論，考慮到密閉環(huán)境和50 ℃高溫工作環(huán)境，選擇了2.0 A 的鋰電池(工作溫度范圍：-60 ℃～71 ℃)，理論上可計(jì)算出電池的最高溫度：50 + 3.4 = 53.4 ℃<71 ℃，電池可安全工作。摸底試驗(yàn)表明，在環(huán)境溫度為50 ℃的條件下，電池組可安全完成放電。

2.5.2 干擾機(jī)的熱設(shè)計(jì)

干擾機(jī)工作時(shí)的散熱途徑如圖9所示。熱分析的邊界條件為：環(huán)境溫度50 ℃，外殼的自然對(duì)流換熱系數(shù)7～9W/(m2·K)，熱負(fù)荷42W，熱輻射溫度50 ℃，輻射方向?yàn)榉ň€方向，黑度0.9(按表面軍綠色計(jì))，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度按1 000 W/m2計(jì)算。分析中沒有包括因接觸熱阻產(chǎn)生的溫升，散熱仿真的溫度云圖如圖10所示。仿真結(jié)果表明，功率模塊的殼溫為99 ℃。以某POLYFET功率管為例，其內(nèi)熱阻為0.75 ℃/W，推算其結(jié)溫為130.5 ℃，可滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 干擾機(jī)的散熱途徑

圖10 干擾機(jī)溫度云圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文描述了投擲式干擾機(jī)的工作流程，就所涉及的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究。文中干擾機(jī)是系統(tǒng)概念，涉及到供電單元、信號(hào)的產(chǎn)生和放大、信號(hào)匹配等電路單元、天線單元、整機(jī)結(jié)構(gòu)等，在可靠性上有很高的要求，存在灌封后基本不能維修，難以在巖石、池塘、沼澤地形上工作等問題。另外，本干擾機(jī)采用減旋減速傘控制落地姿態(tài)，與文獻(xiàn)[2]中的消旋翼片和飄帶控制不同；機(jī)械慣性開關(guān)觸發(fā)控制與文獻(xiàn)[8]不同，避免了干擾機(jī)空中工作。在落地的控制上可進(jìn)一步研究，如采用落地扶正機(jī)構(gòu)或不倒翁原理等新思路，改進(jìn)干擾機(jī)對(duì)地理環(huán)境和落地角度的適應(yīng)。希望本文能給彈載任務(wù)載荷提供參考和借鑒。

[1] 李天剛, 劉立仁, 高聰杰. 炮射懸浮式有源通信干擾彈研究[J]. 兵工自動(dòng)化, 2008, 27(3): 9-11.

[2] 馬建華, 胡治國(guó), 趙劍鋒. 通信干擾彈：信息化戰(zhàn)場(chǎng)上的致盲武器[J]. 中國(guó)尖端武器報(bào)道：進(jìn)攻與防御, 2005(5): 65-67.

[3] 楊帆. 電子干擾炮彈應(yīng)用展望[J]. 艦船電子對(duì)抗, 2007, 30(6): 5-7.

[4] 楊翼, 朱偉. 地面無人傳感器投射/部署系統(tǒng)的發(fā)展[J]. 電子偵察干擾, 2003(2): 26-31.

[5] 陳軍, 楊樹興, 張國(guó)慶, 等. 炮射電動(dòng)無人機(jī)總體概念設(shè)計(jì)方法研究[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 29(9): 767-770.

[6] 陳玉紅, 唐致遠(yuǎn), 盧星河, 等. 鋰離子電池爆炸機(jī)理研究[J]. 化學(xué)進(jìn)展, 2006, 18(6): 823-831.

[7] 歐陽(yáng)唐文, 張興娟, 楊春信. 基于CFD的鋰電池溫度場(chǎng)仿真[J]. 電子機(jī)械工程, 2013, 29(2): 14-17.

[8] 邢立新, 高善清, 吳新明. 無線電通信干擾彈射擊特點(diǎn)分析[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2007, 27(4): 157-159.

胡唐生(1971-)，男，高級(jí)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Structure Design of an Expendable Jammer

HU Tang-sheng

(The36thResearchInstituteofCETC，Jiaxing314000,China)

Throwing jammer to target area by using projectile as carrier needs the completion of a series of actions such as gun launching, chamber opening in air, landing and antenna deploying to carry out successive work effectively. The composition and operation process of the expendable jammer are described in this paper. Engineering design includes the means of simulation analysis, structure design optimization, structure design innovation, adopting encapsulation technology, combining static and dynamic tests. Test results show that the jammer can operate reliably and effectively. The design requirements are satisfied.

jammer; overloading; mechanical inertia switch; less spin parachute; telescopic antenna

2013-11-19

TH122

A

1008-5300(2014)02-0033-04