提高引信延期起爆可靠性的傳感器弱防護(hù)方法

張 康，李文龍，張海濤，李朝陽

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

提高引信延期起爆可靠性的傳感器弱防護(hù)方法

張 康，李文龍，張海濤，李朝陽

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

針對戰(zhàn)斗部的艙罩影響引信延期起爆可靠性的問題，提出了提高引信延期起爆可靠性的傳感器弱防護(hù)方法。該方法是在引信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)把傳感器與電路分級(jí)防護(hù)，特意不消減應(yīng)力波對傳感器的影響，傳感器弱防護(hù)使其感知加速度因加速度真值與應(yīng)力波擾動(dòng)復(fù)合而增大，用于確定延期起點(diǎn)的預(yù)設(shè)加速度閾值、時(shí)間窗、占比等特征更顯著，從而提高了引信延期起爆可靠性。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明：傳感器與電路分級(jí)防護(hù)后，電路抗沖擊性能不變，用于確定延期起點(diǎn)的加速度特征更清晰，實(shí)現(xiàn)引信延期起爆可靠性的提高。

引信；延期起爆；延期起點(diǎn)；傳感器；防護(hù)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，打擊機(jī)庫、艦船、地下指揮中心一般使用高價(jià)值精確制導(dǎo)彈藥，為保證起爆可靠性，引信一般采取冗余發(fā)火設(shè)計(jì)，除了卸載起爆、計(jì)層起爆等外，還設(shè)置固定延期起爆。但是導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部前面一般還有制導(dǎo)艙等，艙罩相對薄弱，影響延期的延期精度和延期起點(diǎn)確定的快速性，對延期起爆的炸點(diǎn)精度和目標(biāo)的毀傷效果造成影響。

引信在彈體的安裝位置、傳感器的安裝位置及防護(hù)形式不同，測試到的彈體過載特征有很大不同。文獻(xiàn)[1]研究了侵徹過載測量裝置在彈體軸向安裝位置對測量結(jié)果的影響。彈載測量裝置安裝在彈體的重心部位時(shí)，所測得的加速度變化較小。越靠近彈體頭部，所測得的過載越大，越靠近彈體底部，過載擾動(dòng)越大。文獻(xiàn)[2]研究傳感器安裝位置對高應(yīng)變打樁監(jiān)測結(jié)果影響，指出傳感器安裝在不同位置時(shí)，由于應(yīng)力波的影響，監(jiān)測結(jié)果差異很大。綜上文獻(xiàn)，可以看出傳感器安裝在不同位置，所測試到的過載特性也不同，加速度信號(hào)中所含的應(yīng)力波成分也不同。文獻(xiàn)[3]提出一種基于加速度傳感器和MEMS開關(guān)信號(hào)卷積加權(quán)融合的計(jì)層算法，消除應(yīng)力波等干擾影響造成分層特性不明顯或信號(hào)異常帶來的計(jì)層誤差，以提高對多層硬目標(biāo)的識(shí)別能力。針對戰(zhàn)斗部的艙罩影響引信延期起爆可靠性的問題，提出了提高引信延期起爆可靠性的傳感器弱防護(hù)方法。

1 引信抗沖擊原理及現(xiàn)有延期起爆起點(diǎn)確定方法

1.1 引信抗沖擊原理

戰(zhàn)斗部侵徹硬目標(biāo)過程中，侵徹體頭部受到強(qiáng)烈沖擊，沖擊沿侵徹體、炸藥、轉(zhuǎn)接盤、引信外殼傳入引信內(nèi)部，引信要在這種強(qiáng)烈沖擊環(huán)境中生存并正常工作?？箾_擊措施應(yīng)用中采取電路灌封加固防護(hù)、不同模塊之間設(shè)置機(jī)械濾波墊片、選用低密度高強(qiáng)度材料，使用抗沖擊的塑封元器件等措施對電路部件和傳感器進(jìn)行防護(hù)[4]。傳感器與電路同級(jí)防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1。防護(hù)原理是將電路部件和傳感器用環(huán)氧樹脂灌封到本體內(nèi)，把本體底部用聚四氟乙烯上墊片和鋁合金下墊片進(jìn)行防護(hù)。引信的這種抗沖擊機(jī)理是機(jī)械濾波，依靠引信內(nèi)部填充的力學(xué)特性差異材料介質(zhì)形成的界面，降低應(yīng)力波在介質(zhì)界面處傳遞效率，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力波反射和透射衰減，提高引信的抗沖擊能力[5-6]。

圖1 傳感器與電路同級(jí)防護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.1 Sensor circuit with the same level of protection structure

1.2 現(xiàn)有延期起爆確定延期起點(diǎn)方法

目前引信延期起爆中確定延期起點(diǎn)的方法主要有兩種，一種是利用機(jī)械開關(guān)，另一種是利用加速度傳感器。機(jī)械開關(guān)確定延期起點(diǎn)的原理是在復(fù)合戰(zhàn)斗部風(fēng)帽內(nèi)與制導(dǎo)艙連接處安裝一個(gè)或并聯(lián)多個(gè)機(jī)械開關(guān)結(jié)構(gòu)，戰(zhàn)斗部首次碰靶后，機(jī)械開關(guān)瞬間擠壓破壞實(shí)現(xiàn)內(nèi)外極閉合，判定戰(zhàn)斗部碰到首層硬目標(biāo)，確定延期起點(diǎn)[7]。這種機(jī)械開關(guān)通電后相當(dāng)于一個(gè)射頻天線，由于對周圍設(shè)備造成干擾，應(yīng)用范圍受到限制，目前在炮彈引信中采用較多。機(jī)械開關(guān)閉合即認(rèn)為碰靶，十分可靠，但只能應(yīng)用在碰撞到首層硬目標(biāo)場合確定延期起點(diǎn)。

加速度傳感器確定延期起點(diǎn)的原理是，戰(zhàn)斗部碰硬目標(biāo)后，單片機(jī)以一定采樣率實(shí)時(shí)采集加速度值，利用連續(xù)實(shí)時(shí)的采集多個(gè)加速度值，計(jì)算所測量的加速度絕對值超出預(yù)設(shè)加速度閾值部分的采樣點(diǎn)數(shù)量與該時(shí)間窗內(nèi)采樣點(diǎn)總數(shù)量的比值(簡稱占比)，通過占比判定侵徹體是否侵入硬目標(biāo)，確定引信的延期起點(diǎn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能多次利用侵徹加速度確定延期起點(diǎn)、識(shí)別所侵入硬目標(biāo)層次和彈體出入靶狀態(tài)等。這種方法的缺點(diǎn)是，由于帶艙罩的戰(zhàn)斗部侵徹首層目標(biāo)過程中伴隨著艙罩破壞，可能會(huì)因?yàn)榍秩雽佑材繕?biāo)的厚薄或強(qiáng)度特性存在差異，出現(xiàn)的延期起點(diǎn)延后問題，引信錯(cuò)過起爆的最佳時(shí)機(jī)[7]。

1.3 傳感器與電路同級(jí)防護(hù)的副作用

單片機(jī)實(shí)時(shí)采集的侵徹加速度值由兩部分疊加而成，一部分是加速度真值，一部分是應(yīng)力波擾動(dòng)。加速度測量值是加速度真值與應(yīng)力波擾動(dòng)復(fù)合的結(jié)果，傳感器布置位置或防護(hù)型式不同，所測試到的加速度值會(huì)有很大差異。侵徹鋼筋混凝土或鋼板等硬目標(biāo)，加速度真值(或感知加速度)幅度已經(jīng)很高，應(yīng)力波擾動(dòng)使復(fù)合加速度加倍，會(huì)加重電路或機(jī)構(gòu)破壞，影響引信正常工作。

引信設(shè)計(jì)時(shí)采取傳感器與電路同級(jí)防護(hù)措施如圖1。雖然這些措施在一定程度上降低了應(yīng)力波對引信的危害，提高了引信的抗沖擊性能，但是也消減了部分本應(yīng)該施加到傳感器上的應(yīng)力波，使傳感器本應(yīng)該感知的加速度幅值降低了，這對那些依靠預(yù)設(shè)加速度閾值確定延期起點(diǎn)的計(jì)時(shí)起爆引信產(chǎn)生副作用。在戰(zhàn)斗部遇上較薄或強(qiáng)度偏弱的首層硬目標(biāo)時(shí)，由于所確定延期起點(diǎn)延后，副作用的危害更嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)侵徹體穿出目標(biāo)后引信發(fā)出起爆信號(hào)，引信錯(cuò)過起爆的最佳時(shí)機(jī)。

2 提高引信延期起爆可靠性的傳感器弱防護(hù)方法

2.1 傳感器與電路分級(jí)防護(hù)結(jié)構(gòu)

引信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，傳感器與電路采取分級(jí)防護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。分級(jí)防護(hù)原理是將電路部件用環(huán)氧樹脂灌封到上本體內(nèi)，把上本體底部用聚四氟乙烯上墊片和鋁合金下墊片進(jìn)行防護(hù)，以保證電路部件的抗沖擊性能。調(diào)整傳感器的安裝位置，傳感器直接用環(huán)氧樹脂灌封到下本體內(nèi)，以弱化傳感器的防護(hù)。上本體與下本體之間有合金鋼隔板。由于下本體底部沒有聚四氟乙烯上墊片和鋁合金下墊片來緩解彈體與引信間應(yīng)力波的傳播，傳遞到加速度傳感器上的應(yīng)力波分量會(huì)增多，從而實(shí)現(xiàn)了傳感器所感知的加速度增大。

圖2 傳感器與電路分級(jí)防護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Sensors and circuit protection hierarchical structure

2.2 傳感器弱防護(hù)提高延期起爆可靠性的機(jī)理

傳感器的防護(hù)型式不同，所測試的加速度幅值會(huì)有很大差異。傳感器與電路分級(jí)防護(hù)后，電路防護(hù)級(jí)別沒有變化，其抗沖擊性能不變，下傳感器弱防護(hù)，其感知加速度會(huì)增大。戰(zhàn)斗部碰目標(biāo)后，單片機(jī)以一定時(shí)間間隔T實(shí)時(shí)采集加速度值，連續(xù)采集N個(gè)數(shù)據(jù)，如果N個(gè)加速度值中有多于M個(gè)高于預(yù)設(shè)加速度閾值as時(shí)，則判定侵徹體的侵入硬目標(biāo)，確定延期起點(diǎn)。

由于傳感器與電路分級(jí)防護(hù)后，與原來傳感器與電路同級(jí)防護(hù)方案相比，下傳感器弱防護(hù)后感知加速度由于應(yīng)力波的影響而變大。碰硬目標(biāo)后，在一定時(shí)間段內(nèi)采集加速度，高于預(yù)設(shè)加速度閾值的部分在數(shù)量上會(huì)增多，時(shí)間窗變寬，占比增大，滿足高于預(yù)設(shè)加速度閾值條件概率同樣會(huì)增大。與傳感器與電路同級(jí)防護(hù)相比，所確定的延期起點(diǎn)會(huì)更早、更準(zhǔn)，延期起爆可靠性會(huì)提高。由于下傳感器感知加速度因應(yīng)力波的疊加影響，尤其是當(dāng)戰(zhàn)斗部遇上較薄或強(qiáng)度偏弱的首層硬目標(biāo)時(shí)，因真實(shí)侵徹加速度變小，即時(shí)預(yù)設(shè)加速度閾值仍舊保持固定不變，引信的延期起點(diǎn)延后的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)降低。

3 驗(yàn)證

3.1 仿真驗(yàn)證

3.1.1 傳感器與電路分級(jí)防護(hù)結(jié)構(gòu)沖擊仿真

參照傳感器與電路分級(jí)防護(hù)結(jié)構(gòu)圖2，忽略電路部件部分，零部件之間連接關(guān)系簡化處理，模擬引信的馬歇特捶擊試驗(yàn)環(huán)境，建立仿真模型見圖3。沖擊載體和沖擊臺(tái)的30CrMnSi材料選用雙線性隨動(dòng)硬化模型，二者間定義侵蝕接觸。45鋼作為載體的電源模塊選用線彈性材料模型，與引信殼體間邊界上設(shè)置為共節(jié)點(diǎn)以模擬連接螺紋。上墊片為聚四氟乙烯材料，下墊片、上本體和下本體為鋁合金，上下傳感器用環(huán)氧樹脂灌封材料代替，材料模型均選用帶失效應(yīng)變的彈塑性隨動(dòng)硬化材料模型，彼此相鄰的零件間定義自動(dòng)接觸。為驗(yàn)證引信傳感器與電路分級(jí)防護(hù)，下傳感器7感知加速度的增大效果，保留上傳感器，以與下傳感器的仿真結(jié)果對比。

圖3 傳感器分級(jí)防護(hù)仿真模型Fig.3 Protection classification sensor simulation model

3.1.2 加速度曲線特征提取原則

從預(yù)設(shè)加速度閾值、時(shí)間窗和占比三個(gè)方面統(tǒng)計(jì)分析仿真得到的加速度曲線結(jié)果，評價(jià)傳感器與電路分級(jí)防護(hù)仿真模型對提高延期起爆可靠性的作用大小、有效性，加速度曲線特征提取原理見圖4。

1)預(yù)設(shè)加速度閾值。即在沖擊后，用預(yù)設(shè)加速度閾值as確定高于預(yù)設(shè)加速度閾值的時(shí)間窗。

2)時(shí)間窗。即在多次出現(xiàn)高于加速度閾值情況下，加速度a的絕對值超出預(yù)設(shè)加速度閾值as部分的持續(xù)時(shí)間為時(shí)間窗tM。

3)占比。即在持續(xù)時(shí)間窗tM內(nèi)，時(shí)間窗tM內(nèi)加速度絕對值超出預(yù)設(shè)加速度閾值部分的采樣點(diǎn)數(shù)量M與該時(shí)間窗內(nèi)采樣點(diǎn)總數(shù)量N的比值M/N稱為占比。

圖4 加速度曲線特征提取原理圖Fig.4 Acceleration curve feature extraction schematics

3.1.3 仿真結(jié)果分析

對同一仿真模型，分別在沖擊速度為5 m/s、10 m/s、20 m/s條件下進(jìn)行仿真，提取上傳感器2、下傳感器7在沖擊方向的加速度，分析傳感器感知加速度曲線特征差異。仿真結(jié)果如圖5-圖10所示。采集上下傳感器的中心位置在沖擊方向上加速度隨時(shí)間變化規(guī)律，數(shù)據(jù)采樣率為200 kHz。

上傳感器仿真的加速度變化規(guī)律如圖5、圖7、圖9。下傳感器仿真的加速度變化規(guī)律如圖6、圖8、圖10?？梢钥闯鲈谕粵_擊速度條件下，上傳感器與下傳感器所仿真的加速度包絡(luò)一致性良好，但加速度幅值特征差異明顯，最直觀的差異就是下傳感器的加速度數(shù)據(jù)的幅值偏大。

圖5 沖擊速度5 m/s上傳感器加速度曲線Fig.5 Impact velocity of 5 m/s upper acceleration sensor curve

圖6 沖擊速度5 m/s下傳感器加速度曲線Fig.6 Impact velocity of 5 m/s under acceleration sensor curve

圖7 沖擊速度10 m/s上傳感器加速度曲線Fig.7 Impact velocity of 10 m/s upper acceleration sensor curve

圖8 沖擊速度10 m/s下傳感器加速度曲線Fig.8 Impact velocity of 10 m/s under acceleration sensor curve

圖9 沖擊速度20 m/s上傳感器加速度曲線Fig.9 Impact velocity of 20 m/s upper acceleration sensor curve

圖10 沖擊速度20 m/s下傳感器加速度曲線Fig.10 Impact velocity of 20 m/s under acceleration sensor curve

對上下傳感器加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，得到加速度曲線特征對比見表1，沖擊速度和加速度閾值同見表1。在同一加速度閾值條件下，與上傳感器相比較，下傳感器感知加速度時(shí)間窗變寬，占比增大，沖擊加速度特征更加清晰。增大沖擊速度后，下傳感器感知加速度幅度變化最為明顯，時(shí)間窗變寬，占比增大，說明傳感器與電路分級(jí)防護(hù)可以增強(qiáng)弱防護(hù)傳感器的感知能力，用于快速確定延期起點(diǎn)。

表1 上下傳感器感知加速度特征對比Tab.1 The vertical acceleration sensor sensing feature comparison

3.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 試驗(yàn)方法

在火箭橇動(dòng)態(tài)侵徹試驗(yàn)中，帶艙罩的戰(zhàn)斗部侵徹4層薄厚不一致的鋼靶，首層鋼靶強(qiáng)度相對第二層偏弱，靶板厚度依次為10 mm、16 mm、8 mm、8 mm，間隔2.8 m。碰靶前戰(zhàn)斗部速度681 m/s，著角小于5°，加速度信號(hào)采樣率為100 kHz。傳感器與電路在測試引信中的布置形式如圖11，起爆控制電路部件，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)電路部件與傳感器分別灌封在不同的腔室，上傳感器用環(huán)氧樹脂灌封到上本體內(nèi)，下傳感器用環(huán)氧樹脂灌封到下本體內(nèi)，即傳感器與電路采取分級(jí)防護(hù)結(jié)構(gòu)。測試引信安裝在彈底軸心位置，通過機(jī)芯殼體與轉(zhuǎn)接盤螺紋連接。

圖11 傳感器與電路分級(jí)防護(hù)的測試引信Fig.11 Grade sensor and circuit protection test fuze

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

由于兩個(gè)記錄器分別采集上、下兩個(gè)傳感器的加速度數(shù)據(jù)。上傳感器與下傳感器所測試結(jié)果如圖12和圖13，可以看出上傳感器與下傳感器所測試數(shù)據(jù)一致性良好，但加速度曲線特征存在差異，最直觀的差異就是下兩個(gè)傳感器的加速度數(shù)據(jù)的幅值偏大。依據(jù)前文所述的加速度曲線特征提取原則，深入分析數(shù)據(jù)，以彈體每一次穿過一層鋼靶的時(shí)間范圍內(nèi)的加速度數(shù)據(jù)為研究對象，預(yù)設(shè)一定的加速度閾值，分析高于預(yù)設(shè)加速度閾值的時(shí)間窗和占比。

圖12 上傳感器感知加速度曲線Fig.12 Upper sensor senses acceleration curve

圖13 下傳感器感知加速度曲線Fig.13 Under sensor senses acceleration curve

傳感器與電路分級(jí)防護(hù)后，上、下傳感器的加速度信號(hào)的包絡(luò)一致性很好。上下傳感器的加速度均成功采集存儲(chǔ)，表明電路的抗沖擊性能沒有受影響。深入分析測試結(jié)果提取加速度曲線特征，上下傳感器加速度曲線特征對比見表2。預(yù)設(shè)加速度閾值取5 000g時(shí)，在戰(zhàn)斗部侵徹首層靶時(shí)間范圍內(nèi)，下傳感器感知加速度時(shí)間窗2.13 ms和占比57.8%，均比上傳感器感知加速度時(shí)間窗1.80 ms和占比40.0%，下傳感器感知加速度幅值因?yàn)閼?yīng)力波影響而增大，時(shí)間窗變寬、占比增大。當(dāng)預(yù)設(shè)加速度閾值取8 000g時(shí)，下傳感器感知加速度時(shí)間窗2.05 ms和占比41.1%，而上傳感器感知加速度時(shí)間窗1.78 ms和占比25.6%，時(shí)間窗變寬、占比增大，同時(shí)干擾特征更少，用于確定延期起點(diǎn)的目標(biāo)特征更加清晰。

表2 首層靶上下傳感器感知加速度特征對比Tab.2 The vertical acceleration sensor detects the first floor of the target feature comparison

3.3 延期起爆可靠性提高效果分析

帶艙罩的戰(zhàn)斗部遭遇首層硬目標(biāo)存在強(qiáng)度或厚薄特性差異時(shí)，預(yù)設(shè)加速度閾值固定不變，傳感器與電路采取分級(jí)防護(hù)措施后，下傳感器感知加速度增大，從圖13、圖14和表2可以看出，高于預(yù)設(shè)加速度閾值的時(shí)間窗變寬、占比增大，用于確定延期起點(diǎn)的加速度特征更加清晰，滿足預(yù)設(shè)加速度閾值條件概率會(huì)隨著加速度幅值增大而增大，從而快速、準(zhǔn)確地確定延期起點(diǎn)，降低因硬目標(biāo)強(qiáng)度或厚薄差異造成的延期起點(diǎn)延后的風(fēng)險(xiǎn)，提高引信延期起爆炸點(diǎn)精度。

4 結(jié)論

本文提出了提高引信延期起爆可靠性的傳感器弱防護(hù)方法。該方法是在引信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)把傳感器與電路分級(jí)防護(hù)，特意不消減應(yīng)力波對傳感器的影響，傳感器弱防護(hù)使其感知加速度因加速度真值與應(yīng)力波擾動(dòng)復(fù)合而增大，用于確定延期起點(diǎn)的預(yù)設(shè)加速度閾值、時(shí)間窗、占比等特征更顯著，從而提高了引信延期起爆可靠性。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明：傳感器與電路分級(jí)防護(hù)后，電路抗沖擊性能不變，用于確定延期起點(diǎn)的加速度特征更清晰，實(shí)現(xiàn)引信延期起爆可靠性的提高。至于通過傳感器弱防護(hù)提高延期起爆的可靠性，對單片機(jī)和信號(hào)處理電路軟硬件資源的影響，需要開展大量動(dòng)態(tài)試驗(yàn)或者半實(shí)物仿真來驗(yàn)證，有待進(jìn)一步研究。

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Sensor Weak Protection to Improve the Delay Initiation Fuze Reliability

ZHANG Kang, LI Wenlong, ZHANG Haitao, LI Zhaoyang

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Warhead detonating fuze canopy affects the starting time accuracy. A starting time to improve the accuracy of the sensor fuze weak protection method was put forward. The fuze rating circuit protection structural was designed, and not be deliberately cut on stress wave sensor, which was weak protected because of its perceived acceleration acceleration for rigid body with composite stress wave disturbance increases. The starting point for determined the timing of the preset acceleration threshold, time window, accounting and other characteristics. The simulation and test results showed that the sensor and circuit protection classification, impact resistance constant circuit for determining the starting time of acceleration characteristics realized high accuracy of the fuze explosion point.

fuze; delay initiation; start time; sensor; protection

2016-05-10

張康(1985—)，男，山東鄆城人，碩士，工程師，研究方向：機(jī)電引信技術(shù)。E-mail:happyzhangkang@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)06-0035-06