一種觸發(fā)引信的目標感知方法

一種觸發(fā)引信的目標感知方法

曹殊蔣啟凌

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所宜昌443003）

針對深彈戰(zhàn)斗部在攻擊潛艇目標時不能發(fā)揮最大毀傷效能的現狀，提出一種配合復合戰(zhàn)斗部的觸發(fā)引信目標感知方法：通過檢測彈目交會時深彈頭部過載傳感器產生的過載響應，感知目標態(tài)勢，并自動選擇適宜的起爆模式。分析并建立了起爆模式判據。研究表明：觸發(fā)引信根據起爆模式判據適時選擇聚能起爆或定向爆破，可最大程度發(fā)揮深彈的攻潛效果。

深彈；觸發(fā)引信；目標感知；起爆模式；判據

Class NumberE917；E932.4

1 引言

深水炸彈（簡稱深彈）一直是最主要的反潛武器，隨著冷戰(zhàn)結束，新的世界戰(zhàn)略格局的形成，各國海軍在重新認識深彈在未來反潛戰(zhàn)中的作用和地位這個問題上，又逐漸趨于一致，并且堅信深彈在未來的反潛作戰(zhàn)中具有不可動搖的地位和作用。

隨著科學技術的不斷發(fā)展，現代潛艇普遍采用雙層殼體及多密封艙室的結構，同時采用高強度鋼或鎳合金等材料制造耐壓殼體，高強度耐壓殼體連同水層和鋼外殼共同構成現代艦艇的堅固防護外殼，使其抗爆炸沖擊性能得到很大的提高。因此，在戰(zhàn)斗部距艦船有一定距離的非接觸爆炸的情況下，利用水中爆炸產生的沖擊波壓力造成穿透船體的破壞是比較困難的。眾所周知，戰(zhàn)斗部破片及爆轟能量在海水中衰減很快，即使采用聚能戰(zhàn)斗部，其形成的有效射流也不及空氣中長度的一半。因此，使用近炸引信時，可能僅有少量的爆轟能量作用在目標上［1］。目前，國內外對反潛效能的分析大都集中在采用新型裝藥、保證垂直擊中的條件下［2］，而忽略了實際情況中大著角接觸時戰(zhàn)斗部的作用局限性。

引信的設計必須與戰(zhàn)斗部的起爆方式和作用距離相匹配，陳荷娟等［3］對不同體制的引信對深彈反潛效能的影響進行了分析，通過對新型復合型（觸發(fā)/近炸復合）、“深聯(lián)-1”（觸發(fā)/定時復合）、觸發(fā)、近炸四種不同作用方式引信的反潛命中率的計算，發(fā)現：新型復合引信的反潛命中率最高，比現有的“深聯(lián)-1”引信反潛命中率提高了2倍左右。但在其研究中只重點考慮了命中率問題，而忽視了戰(zhàn)斗部的效能局限性。在深彈武器中，由于深彈戰(zhàn)斗部的裝藥量有限，而現代水面艦船和潛艇的抗爆炸沖擊性能得到很大的提高，為將深彈有限的爆破威力最大限度地作用在潛艇上，必須使深彈盡可能地緊貼著潛艇外殼起爆。在這種需求中，在深彈引信中采用觸發(fā)引信將是最明智的選擇。因此，在提高武器系統(tǒng)的識別、跟蹤能力的前提下，采用觸發(fā)引信優(yōu)先模式能取到較好的作戰(zhàn)效果［4］。

基于以上原因，本文提出一種配合復合戰(zhàn)斗部的觸發(fā)引信目標感知方法，通過識別彈目交會時的著發(fā)角，自動選擇適當的起爆方式：起爆聚能戰(zhàn)斗部或定向爆破戰(zhàn)斗部，最大限度地將爆破威力作用在潛艇目標上，達到殲滅目標或使目標失去戰(zhàn)斗力或上浮的目的。

2 彈目交會時碰撞矢量的識別原理

目前觸發(fā)引信采用機械萬向觸發(fā)機構或側擊機構，可保證在著發(fā)角為82°（圖1中等于θ）時仍能可靠發(fā)火［5］。由于作戰(zhàn)時戰(zhàn)場環(huán)境的干擾、攻擊目標的規(guī)避、攻擊武器的性能等因素，再加上潛艇的外形為橢圓，因此，大多數情況下，深彈與潛艇的交會是大著角接觸。這時戰(zhàn)斗部的聚能射流有可能不會觸及或者有限觸擊耐壓殼體，作戰(zhàn)效果反而并不好，如圖1中II和III所示。如果這時深彈選擇定向爆破戰(zhàn)斗部作用，將戰(zhàn)斗部近距離向目標爆轟，如圖1中IV所示，就可最大限度利用爆轟能量重創(chuàng)目標。

雖然在彈目接近過程中，潛艇和深彈都在運動，考慮到彈目交會的多樣性及深彈受力分析的復雜性，本文暫不考慮潛艇的運動速度，即認為潛艇為靜止的；另外，在尺寸上，深彈與潛艇接觸面相比相差太懸殊，在受力分析中均將潛艇外殼當作平面來看待。

本文依據多傳感器對空間作用矢量的定位原理，選用四組同型號的加速度傳感器均勻布局在彈頭周圍，如圖2所示。在彈目交會時，引信通過分析比較這四組傳感器的響應，對深彈與潛艇相遇時的著發(fā)角進行識別。本文采用的深彈頭部形狀為平頭。

在彈目交會時，引信通過分析比較這四組傳感器的響應，確定深彈與潛艇接觸時的著發(fā)角，從而判斷決策起爆模式。根據該原理在深彈頭部結構示意圖中建立以彈頭圓曲面圓心分布面為XY面、以彈軸為Z軸的空間受力坐標系，如圖3所示。產生的過載響應為，建立相應的數學模型，可得到在坐標系中的α、φ和值大小。

在上述算式中：α為深彈受到的反作用力矢量在彈軸橫截面里與X軸的夾角；δ為傳感器安裝角度；φ為深彈的著發(fā)角；γ為深彈在潛艇表面的摩擦角，tgγ=f；a為深彈撞擊潛艇時頭部受到的撞擊過載，正方向為由外向里，負方向為由里向外。

上述方程組為超靜定方程組。在式（2）～式（5）中任取三個方程式，經過解算可求得a、α、φ，φ∈[0°，90°)，如下取式（2）～式（4）計算得：

這樣可求得4組解，通過取平均值求得最佳解，從而可判斷潛艇相對于深彈的位置，為后續(xù)起爆模式的選擇提供條件。

3 起爆模式的初始判據

確定了碰撞點在中心坐標系O0中所處的象限，就可以初步指導引信決策戰(zhàn)斗部的起爆模式。其判斷示意圖如圖4所示。

根據該判斷示意圖，可得出以下初始判斷準則：

當a1=a2=a3=a4，表示彈頭正面與潛艇相撞，此時采用聚能起爆；

當a1＞a3，a2＞a4，表示碰撞點位于Ⅰ象限；

當a1＜a3，a2＞a4，表示碰撞點位于Ⅱ象限；

當a1＜a3，a2＜a4，表示碰撞點位于Ⅲ象限；

當a1＞a3，a2＜a4，表示碰撞點位于Ⅳ象限。

根據上面的判斷，采用定向爆破時只要將主要爆轟能量導向該象限對應的深彈側面就可以重創(chuàng)目標。

4 起爆模式的識別判據

現代引戰(zhàn)配合［6］理論的落腳點就是要將戰(zhàn)斗部的最大毀傷效能作用在目標上，應用上述初始判據可簡單、直接判定需要的起爆模式。如要精確地判定任何一種交會模式所對應的理想起爆模式，做到精確控制起爆時機，還要根據深彈頭部的外型曲線、潛艇外殼材料特征、彈的撞擊速度以及聚能戰(zhàn)斗都的能力等因素來進行綜合判斷。

根據炸藥在水下爆炸［7］時的傳播機理，聚能戰(zhàn)斗部的射流或高速彈丸在水中的衰減速度很大，作用距離有限［8］。定向戰(zhàn)斗部在向目標高密度拋撒破片的同時，戰(zhàn)斗部的爆炸能量也將大部分地作用在目標方向。因此，必須結合彈目的交會特點選擇合適的起爆模式。

分析深彈與潛艇目標交會時的作用過程：彈目交會時，潛艇外殼對深彈產生反作用力，此反作用力的方向將決定彈的下一步運動：正偏轉、反偏轉或反跳。當發(fā)生正偏轉時，深彈將偏轉至與潛艇外殼垂直方向，此將有利于聚能戰(zhàn)斗部的破甲作用；當深彈發(fā)生反偏轉時彈將產生滑移，并使彈偏轉至與潛艇外殼平行或貼近，此將有利于定向戰(zhàn)斗部的破壞作用；而當此反作用力剛好通過深彈的質心位置時，深彈將發(fā)生反跳現象，此時引信需要較高的靈敏度，在深彈反跳離開潛艇外殼前或一定距離內起爆聚能戰(zhàn)斗部。因此，通過識別深彈受到的作用力矢量方向與深彈質心的位置關系，就可決定深彈的運動模式，繼而決定起爆模式。

仔細分析深彈有效聚能爆破區(qū)域與著發(fā)角φ的關系，一般戰(zhàn)斗部的設計要求是：聚能戰(zhàn)斗部在深彈軸線與目標表面碰撞點的法線角在φ0以內時具有對目標毀傷的能力。如圖5所示。圖中可以看出：深彈的受力點并不與軸線重合，大都發(fā)生在頭部外圓上。

最佳的設計是：在聚能戰(zhàn)斗部的射流剛好能穿透潛艇的耐壓殼體時，深彈受到潛艇外殼對它的反作用力矢量（包括切向摩擦力）剛好經過深彈的質心點，即深彈后續(xù)運動的分界點，此時深彈受到的法向作用力矢量與彈軸夾角為φ0。深彈與消聲瓦的摩擦角為γ。

在圖5中，彈頭圓弧段半徑為R1，彈頭平面過渡圓半徑為Rd，過渡圓圓心分布半徑為R2，視圖中過渡圓圓心為Od，潛艇外殼半徑表面為R，耐壓殼體內半徑為Rn，可求得：

設深彈質心點為OZ，彈頭平面圓心為Ot，

此時，聚能戰(zhàn)斗部的有效射流長度必須大于|OtC|。在圖5中，

因此只要射流的能量在克服各種損耗后能到達C點，就表示能穿透耐壓殼體，隨射流之后的沖擊波和空泡效應將對此點產生進一步的破壞。此時對應的著發(fā)角為φ0，則深彈在著發(fā)角為φ0以內時對潛艇目標具備直接毀傷能力。

最終確定深彈受到的反作用力矢量與彈軸的臨界夾角φ0，即起爆模式的識別判據是：當引信識別系統(tǒng)通過四組傳感器確定φ∈[0°，φ0]時，點火控制系統(tǒng)將引導戰(zhàn)斗部以聚能爆破方式作用；當確定φ∈(φ0，90°)時，點火控制系統(tǒng)將引導戰(zhàn)斗部以定向爆破方式按α方向作用。

5 工程實踐分析

通過上面建立的起爆模式判據，可以較容易地實現對復合戰(zhàn)斗部的起爆控制。根據現有深彈的頭部結構參數，該分界點正好位于過渡圓弧上，因此可斷定彈頭端面過渡圓弧的結構參數將對深彈的毀傷效果及靈敏度有直接的影響，并與聚能爆破戰(zhàn)斗部的有效射流長度要求相關聯(lián)，此過渡圓弧應在保證彈形阻力系數的前提下盡可能小，在工藝上應嚴格保證此參數的一致性。

在結構上，選擇四組傳感器布局在彈軸周圍，可以讓出中心部位安裝聲傳感器，實現與近炸引信的功能復合。當然，對于利用了陀螺儀的自導引信，可以在其功能上附加此項任務，不過，由于陀螺儀或三分量傳感器不是安裝在深彈頭部，根據應力傳遞規(guī)律，陀螺儀或三分量傳感器感受到的過載存在不同程度的衰減，同時，還要根據傳感器的安裝狀態(tài)，如是否剛性連接在彈殼體上等因素進行取舍，因此在測試的準確性和及時性上不如本文提供的方法。

根據上述的分析結果，引信只要從四組傳感器中求得a、α、φ三個參數就可決定后續(xù)的動作。因此，在工程運用中可有效防止一組傳感器損壞時給全系統(tǒng)帶來的影響。

深彈在不同的工作條件下，其碰擊所產生的加速度存在較大的差異，小的僅為20g～30g，大的超過1000g。因此選擇的傳感器不僅在量程上應涵蓋上述范圍，并且具有較強的抗沖擊能力。根據傳感器的工作原理，當傳感器感受到軸向過載時會產生較大的響應信號，而垂直于傳感器感應軸的橫向過載也會使傳感器產生小的耦合響應。理論上，單軸傳感器是只對一個方向敏感，而對其他正交分量，即橫向不敏感的器件。事實上，所有單軸加速度傳感器對側向過載均會有或多或少的響應，原因是傳感器的安裝誤差與內部結構難以克服，而這兩方面也是造成大橫向效應的主要原因。因加速度傳感器的橫向靈敏度隨頻率的變化而變化，低頻時一般在3%以下，高頻時可達l0%，在實踐中可對此耦合信號進行技術處理。

本識別方法配合復合戰(zhàn)斗部使用，對于聚能起爆來說，執(zhí)行程序相對簡單，但對于側向精確定向起爆模式，還要根據求得的α值，由起爆決策中心根據起爆網絡的設計執(zhí)行邏輯起爆，將絕大部分爆轟波和碎片作用在目標上。

精確定向起爆系統(tǒng)在導彈尤其是防空彈藥中使用較多，可參考的資料也較豐富，爆炸網絡的組網方案如常悅等提出的“一入八出”方案［9］，朱景偉等對利用引信系統(tǒng)提供的信息確定空間交會條件下定向戰(zhàn)斗部起爆方位角進行了建模分析［10］。定向戰(zhàn)斗部的多點同步起爆技術向多維方向發(fā)展，將使戰(zhàn)斗部的定向毀傷能力大為提高。

6 結語

通過在深彈頭部加裝過載傳感器來識別彈目交會姿態(tài)，從而決定戰(zhàn)斗部的起爆模式，可以最大化提高彈藥的毀傷效率，而且工程上較易實現。這種方法可應用于獨立的觸發(fā)引信或聯(lián)合引信，配裝在中、大型彈藥上，從而有效提高引戰(zhàn)配合效能。在工程實踐中可通過研究著發(fā)角φ、撞擊過載a以及彈頭外形曲線之間的關系，可以求得戰(zhàn)斗部偏轉至與目標平行或最接近時的時間，達到最佳引戰(zhàn)配合。

［1］李文慧.水下高能戰(zhàn)斗部機理分析與研究［D］.西安：西北工業(yè)大學工程碩士學位論文，2006：26-27.

［2］宋浦.不同起爆方式對TNT水中爆炸作用的影響［J］.火炸藥學報，2008，31（2）：75-77.

［3］陳荷娟.不同體制引信對深彈反潛效能影響的分析［J］.彈道學報，2000，12（2）：34-37.

［4］石建.深水炸彈引信的智能化實現［C］//第十二屆引信學術年會，2001.

［5］馬寶華.引信構造與作用［M］.北京：國防工業(yè)出版社1983：127.

［6］宗麗娜.便攜式反直升機火箭彈引戰(zhàn)配合的計算機仿真研究［D］.南京：南京理工大學碩士學位論文，2007.

［7］張駿虎.一種適用于水中兵器戰(zhàn)斗部高能炸藥［C］// 2004年全國含能材料發(fā)展與應用學術研討會，2004.

［8］凌榮輝.聚能型魚雷戰(zhàn)斗部對潛艇目標毀傷研究［J］.彈道學報［J］，2001，13（2）：23-27.

［9］常悅，王軍波，游寧.定向起爆系統(tǒng)及定向探測方案研究［C］//第十五屆引信學術年會論文集，2004.

［10］朱景偉.定向戰(zhàn)斗部實際起爆分位數的計算［C］//第十二屆引信學術年會，2001.

The Target Sensing Methods of A Contact Fuze

CAO SHUJIANG Qiling
（No.710 R&D Institute，CSIC，Yichang443003）

Based on limitations of depth charge's warhead on maximal destruction effectiveness against submarines，the paper presents a target sensing method of contact fuze assisting the combined warhead.Target condition will be perceived and suitable detonation mode will be selected automatically through testing of overloading response from overloading sensor of the depth charge warhead when meeting the targets.The paper also analyzes and builds the judgment for detonation mode.The analysis shows that the contact fuze is capable of automatically selecting cumulative or directional blasting based on judgment of detonation mode，which achieves the submarine-attacking utmost effectiveness.

depth charge，contact fuze，target sensing，detonation mode，judgment

E917；E932.4

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.015