侵徹引信半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計

閆鵬杰，張　亞

（中北大學機電工程學院，山西太原　030051）

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侵徹引信半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計

閆鵬杰，張亞

（中北大學機電工程學院，山西太原030051）

摘要：鑒于侵徹引信實際作戰(zhàn)環(huán)境的復雜多變性，設(shè)計一種半實物仿真系統(tǒng)對于引信綜合性能的評估具有積極意義。首先重點分析了侵徹過載數(shù)據(jù)庫的建立和侵徹引信的起爆控制模塊的設(shè)計。為檢驗半實物仿真系統(tǒng)的實際工作能力，在現(xiàn)有的試驗條件以及實現(xiàn)硬目標侵徹引信半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)之上，對引信的計時起爆控制模式進行了仿真試驗研究。

關(guān)鍵詞：半實物仿真；侵徹引信；起爆控制模塊

自20世紀90年代以來，戰(zhàn)爭越來越注重對敵方指揮中心、導彈發(fā)射場所等重點目標的精確打擊。也正因如此，這些首要被攻擊目標已有地上逐漸轉(zhuǎn)入地下，并且越來越隱蔽，這就對引信對地下目標的精確打擊能力與侵徹能力提出了越來越高的要求。而要確保侵徹引信能夠在最佳位置引爆戰(zhàn)斗部，就必須考慮侵徹過載的環(huán)境因素。影響彈丸侵徹目標介質(zhì)環(huán)境信息比較復雜，包括目標彈目交會時的著速、著角，目標介質(zhì)與戰(zhàn)斗部的性能參數(shù)以及作戰(zhàn)地理環(huán)境等等，都會影響彈丸的侵徹能力。人們一般通過實彈打靶的試驗來檢驗侵徹引信的綜合性能，但是由于侵徹引信在實際作戰(zhàn)時受外界環(huán)境因素干擾，如果對所有可能的環(huán)境都進行實彈打靶，既不現(xiàn)實，也不經(jīng)濟。因此實彈打靶試驗只能針對某些特定環(huán)境，不具普遍意義。因此，設(shè)計一種半實物仿真系統(tǒng)模型來檢驗侵徹引信的性能是十分必要的。本文設(shè)計了侵徹引信的半實物仿真系統(tǒng)模型，并通過引信的計時起爆控制模式的仿真實驗來驗證其可行性。

1　半實物仿真系統(tǒng)的設(shè)計

侵徹引信的半實物仿真系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，主要由仿真計算機，PCI總線信號模擬器和仿真引信三部分組成。

圖1　侵徹引信實驗半實物仿真試驗系統(tǒng)框圖

首先仿真計算機從過載曲線數(shù)據(jù)庫中把數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存中，然后通過PCI接口控制器傳送到信號模擬器的數(shù)據(jù)緩存區(qū)FIFO內(nèi)，緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)再傳送給D/A轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)信號調(diào)理電路后，使其幅度、頻譜特征等與引信加速度計輸出特性一致。而后引信解除保險狀態(tài)，啟動起爆控制模塊,引信按裝定的起爆控制模式開始計時或計層數(shù)。最后在侵徹引信適時起爆后，將起爆輸出信號送入示波器，示波器主要顯示彈丸碰擊目標時的侵徹零時信號以及起爆信號。從示波器中讀出實測計時時間，并記錄實驗結(jié)果。

2　仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

硬目標侵徹引信能否作用的關(guān)鍵之一就是對侵徹過載的判別。因此半實物仿真系統(tǒng)必須建立與實驗相關(guān)的侵徹過載數(shù)據(jù)庫，并設(shè)計起爆控制模塊，以保證再輸入侵徹過載數(shù)據(jù)后，引信能夠按預(yù)定方式適時起爆。

（1）過載數(shù)據(jù)庫的建立。過載數(shù)據(jù)庫的建立可以為后續(xù)的仿真實驗奠定良好的基礎(chǔ)，其包含兩方面的內(nèi)容，一種是試驗過載數(shù)據(jù)，一種是模擬過載數(shù)據(jù)。而對于半實物仿真系統(tǒng)，一個關(guān)鍵的問題是如何得到不同初始環(huán)境下的模擬侵徹過載數(shù)據(jù)。

對于試驗過載數(shù)據(jù)，可直接通過實彈打靶試驗測得。鑒于實際作戰(zhàn)環(huán)境的復雜性與多變性，本文主要探討模擬過載數(shù)據(jù)。無論彈丸侵徹的目標介質(zhì)為何種類型，模擬過載與試驗過載的逼近程度，主要由侵徹過載的特性參量T決定，即最大侵徹過載Amax，過載建立時間ts，侵徹用時te。根據(jù)相似第二定理（π定理），針對彈體侵徹混凝土目標，給出了與侵徹過載特征參量相關(guān)的依存表達式，即：

其中：L、D、ρP、σP、EP分別為彈體長度、直徑以及彈體材料密度、抗壓強度、楊氏模量；LN為彈頭長度，M為彈丸質(zhì)量，V、θ、α分別為侵撤著速、著角和攻角；ρt、σt為靶體材料密度和抗壓強度；g為重力加速度。

根據(jù)實測的試驗過載數(shù)據(jù)，再結(jié)合ANSYS/LS- DYNA模擬仿真軟件，構(gòu)建合理的彈靶有限元模型和本構(gòu)關(guān)系模型，進而得到不同侵徹著角、著速等參數(shù)時的侵徹過載曲線。如果模擬結(jié)果與實驗結(jié)果存在較大的誤差，則需要對仿真模型進行校正。校正方法主要有模型校正和參數(shù)校正。本文采用參數(shù)校正的方法，通過調(diào)整本構(gòu)模型中的參量以及公式（1）中的各種參數(shù)，使模擬過載數(shù)據(jù)不斷逼近試驗過載數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2　模擬過載曲線

（2）侵徹引信起爆控制模塊的設(shè)計。侵徹引信的起爆控制模塊一般有計層數(shù)/空穴、計時、計行程、目標識別等功能。其中計層數(shù)/空穴功能指在彈丸碰擊目標介質(zhì)后，通過加速度傳感器來感應(yīng)加速度的變化，并以此來分析彈丸的侵徹狀態(tài)，在確定其達到預(yù)定的層數(shù)或者空穴數(shù)時，輸出起爆信號。計時、計行程與目標識別功能是指侵徹引信在達到預(yù)定的時間、行程或者識別目標明顯特征后引爆戰(zhàn)斗部的過程。另外，侵徹引信還有自毀功能。這主要是為了在計層數(shù)/空穴、計時、計行程、目標識別等功能失效的情況下，可以確保安全引爆戰(zhàn)斗部。

硬目標侵徹引信起爆控制模塊由觸發(fā)開關(guān)、信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機系統(tǒng)、編程接口和二次電源等組成,如圖3所示。其工作原理為當彈丸與目標介質(zhì)開始接觸，目標開關(guān)動作，解除保險狀態(tài)，并首先啟動系統(tǒng)內(nèi)部定時器作為延時自毀起爆，時間為100ms。與此同時，單片機系統(tǒng)也按照預(yù)先裝定的起爆控制模式和參數(shù)開始工作。在判定輸入的侵徹過載信號滿足設(shè)定起爆條件后輸出起爆信號給后續(xù)的執(zhí)行級電路，適時起爆。

圖3　起爆控制模塊工作原理框圖

（3）仿真。鑒于目前的實驗條件，這里主要對計時起爆控制模式進行仿真研究。仿真實驗裝定10s和15s兩種參數(shù)來對半實物仿真系統(tǒng)進行可行性驗證，見表1。

表1　引信計時起爆控制模塊仿真試驗結(jié)果

從表1中可以看出，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果之間的誤差相對較小，在允許誤差范圍內(nèi)，說明利用半實物仿真系統(tǒng)檢驗引信的性能是可行的。

3　結(jié)語

本文設(shè)計了一種侵徹引信的半實物仿真系統(tǒng)，并對過載數(shù)據(jù)庫和侵徹引信的起爆模塊進行了重點論述。對侵徹引信的計時起爆控制模式的仿真實驗研究，表明利用半實物仿真系統(tǒng)檢驗侵徹引信的性能是可行的。但是從仿真結(jié)果與試驗結(jié)果來看，由于實彈試驗過程中存在各種外界因素的干擾，使得仿真結(jié)果優(yōu)于試驗結(jié)果，因而仍需對半實物仿真系統(tǒng)進行進一步改進和提高。

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Design of Penetration Fuze Hardware-in-the-loop Simulation

YAN Peng-jie，ZHNG Ya
（School of mechanical and electrical engineering，North University of China，Taiyuan，Shanxi 030051，China）

Abstract：In view of the complicated and changeful actual application of penetration fuze，it is positive to design a hardware-in-the-loop simulation system to evaluate the overall performance of penetration fuze.This paper lays emphasis on analyzing the creation of penetration overload database and design of the detonation control module.To test the actual working capacity of hardware-in-the-loop simulation system，the simulation for timing detonation control model of penetration fuze is studied according to the existing experimental conditions.

Key words：hardware-in-the-loop simulation；penetration fuze；Initiation control module

作者簡介：閆鵬杰（1990-），男，山西運城人，碩士研究生，主要研究方向：機械電子工程。

收稿日期：2016-01-15

中圖分類號：TJ43

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）02-0035-02