尾翼彈與近炸引信彈道匹配性及可靠性增長設計*

樸哲鎬,劉 戈,韓 玉,崔 平,仲偉君

(1 駐724廠軍事代表室,沈陽 110045; 2 沈陽軍事代表局,沈陽 110001;3 解放軍軍械工程學院,石家莊 050003)

尾翼彈與近炸引信彈道匹配性及可靠性增長設計*

樸哲鎬1,劉 戈2,韓 玉2,崔 平3,仲偉君3

(1 駐724廠軍事代表室,沈陽 110045; 2 沈陽軍事代表局,沈陽 110001;3 解放軍軍械工程學院,石家莊 050003)

文中針對尾翼彈與近炸引信匹配導致彈道早炸幾率高的問題及解決措施開展研究。在分析尾翼穩(wěn)定裝置結構特點及作用原理,以及飛行彈道中引信受非預期信號影響引起早炸機理的基礎上,找出可控制、可改進的因素,進而提出不改變功能特性情況下,通過改進設計個別零件相互間接口關系進而改善引信彈道環(huán)境的技術方案,實現(xiàn)可靠性增長。風洞試驗結果表明,消除尾翼銷軸裝配間隙,能夠有效降低因翼片振動造成的彈道早炸幾率。

尾翼穩(wěn)定裝置;近炸引信;尾翼振動;早炸

0 引言

為拓展坦克炮殺傷爆破榴彈的用途,增加毀傷武裝直升機的功能,設計研制了具有毀傷輕型裝甲的戰(zhàn)斗部、配用高靈敏度近炸引信的多用途彈藥。出現(xiàn)的問題之一是配用對空目標的無線電近炸引信時,出現(xiàn)彈道早炸的幾率較高,直接影響裝備使用效能甚至安全。通過分析尾翼穩(wěn)定裝置結構及作用機理、近炸引信作用原理,發(fā)現(xiàn)尾翼隨空氣動力矢量的大小和方向不斷變化,加劇振動從而產生物理場變化,對采用感應方式探測目標的近炸引信構成非預期干擾信號源。原制式彈尾翼采用鉚接連接方式,在研究識別干擾源信號特性的基礎上,提出改進設計尾翼座和銷軸局部結構及連接方式、減小彈體振動的技術方案,通過模擬試驗驗證了改進方案的正確性。改進設計方案有效降低了引信早炸幾率,實現(xiàn)了引戰(zhàn)系統(tǒng)的可靠性增長。

1 引戰(zhàn)系統(tǒng)分析

發(fā)射裝藥、彈丸外形結構、穩(wěn)定裝置與制式彈相同。文中僅就與彈道早炸相關的問題進行分析,包括與之有關的部件、結構、特性以及外彈道特定時段的特征分析等。

1.1 尾翼穩(wěn)定裝置結構及作用原理

該型榴彈采用前張式尾翼穩(wěn)定裝置,由尾翼座和4組尾翼片、銷軸、固定銷等組成,如圖1所示。

圖1 尾翼穩(wěn)定裝置結構

從裝配關系來看,銷軸以鉚接方式連接尾翼座和尾翼片,固定銷以螺紋方式連接尾翼座和尾翼片。固定銷的功能是滿足勤務處理需要,與外彈道無關,此處不作具體分析。為便于敘述,將穩(wěn)定裝置零部件的結構和裝配關系定義為結構要素。結構要素共有4種配合關系:銷軸與尾翼座徑向配合(簡稱“接口1”)、銷軸與尾翼片的軸配合(簡稱“接口2”)、尾翼片與尾翼座之間的橫向配合(簡稱“接口3”)、銷軸與尾翼座端面的軸向配合(簡稱“接口4”)。

尾翼座設計為氣室結構,尾翼片采用斜切面結構。彈丸出炮口后,通過氣室效應,尾翼片以銷軸為軸旋轉至完全張開,繼而作用于尾翼片上的空氣動力賦予彈體靜穩(wěn)定貯備,同時空氣動力通過翼片斜切面產生旋轉力,實現(xiàn)彈丸旋轉,減少因某些不對稱干擾因素引起的散布[1]提高彈丸密集度。

1.2 近炸引信與制式彈引信差異性分析

制式彈引信采用機械觸發(fā)引信,近炸引信除具有觸發(fā)功能以外,還具有感應發(fā)火功能。近炸引信通過探測目標的各種信號來確定目標的存在和方位,以控制引信適時作用。當引信接近目標時,振蕩器天線接收到回波信號,通過檢波獲得多普勒信號,再經過放大電路進行處理,當信號達到預定值時,發(fā)火電路給出發(fā)火脈沖,電雷管起爆,引爆爆炸序列并使整個彈丸爆炸[2]。與觸發(fā)引信的相同之處是具有各種保險機構、隔爆機構和爆炸序列等裝置;不同之處是,近炸引信有一套實現(xiàn)近炸功能的近感裝置。近感裝置由敏感裝置、信號處理裝置、執(zhí)行裝置、電源等組成。

2 彈道任務剖面環(huán)境應力與早炸致因分析

2.1 彈道環(huán)境與早炸

彈丸出炮口一定距離,引信解除保險且近感裝置啟動。之后的彈道中,近炸引信一直處于接收外界信號的狀態(tài)。早炸意味著彈道任務剖面中接收到的外界信號中,除了目標信息之外,還有非目標信息。非目標信息成為干擾因子,信號強度足以使轉換的電壓值超過門限值時,導致早炸。在飛行過程中,未與目標交會情況下,引信近感裝置接收的外界信號中,當物理特性及峰值超過引信作用的門限值時,引信就會作用導致彈道早炸。

引信設計時雖然考慮了通過頻率、幅值、時間和波形等目標識別和處理信息,但在實際中由于不同信號的物理特性有相同之處,當多種條件達到敏感裝置啟動條件時,就會導致引信誤作用。

2.2 引信早炸非目標信號源分析

從適配性層面研究早炸問題,首先分析非目標信號來源。彈丸飛行一直處于電磁環(huán)境中,空間電磁環(huán)境的變化勢必對引信產生影響。這其中既有自然環(huán)境變化帶來的信號源,也有通訊信號甚至人為干擾的信號,統(tǒng)一稱之為環(huán)境信號。同時,彈丸飛行以及與介質相對運動產生的物理場變化,同樣對引信產生影響,稱之為介質信號。外彈道階段是引信承載于彈丸空中飛行的過程,即引信相當于載體上的一種裝置,受到彈丸飛行產生的應力作用,稱之為載體信號。

通過上述分析,伴隨彈道任務剖面同步存在的非目標信號源有環(huán)境信號、介質信號和載體信號,上述信號對觸發(fā)引信的作用不會造成干擾,但對配用近炸引信的彈藥則屬于干擾信號。非目標信號的疊加效應可能會引起早炸,要降低早炸幾率,需降低非目標信號的影響,識別可控性并采取措施。

2.3 可控制信號源分析

無論何種結構和原理的彈藥,彈丸飛行過程中三種非目標信號是同步存在的。其中,環(huán)境信號是完全不可控的因素;介質信號和彈丸與介質的相對運動有關,對于不同類型的尾翼彈丸,其氣動外形不同,介質信號的特性也是不確定的,所以介質信號也是不可控的因素。

載體信號與彈丸結構及作用機理有關,其影響取決于引信的作用原理。通過前面穩(wěn)定裝置結構和作用原理分析可以看出,尾翼在全彈道上始終受空氣動力作用,并處于旋轉狀態(tài),空氣動力與速度矢量有關,尾翼所受空氣動力大小、方向不斷變化,導致尾翼產生變頻隨機振動。

可通過改進載體的結構要素,改變載體信號特性。該型彈通用制式彈內外彈道性能,所以不能改變彈丸基本結構。載體信號是振動產生的噪聲信號,如果適當控制振動,則可以緩解噪聲信號。振動特性除與所受載荷有關之外,還與其自身結構要素有關。

3 穩(wěn)定裝置結構要素分析與改進設計

3.1 穩(wěn)定裝置結構要素計算

外彈道階段,尾翼片受空氣動力作用而旋轉,實現(xiàn)彈體飛行穩(wěn)定。振動與尾翼片關聯(lián)的結構要素間隙有關。制式彈靠銷軸以鉚接方式裝配連接尾翼座、尾翼片,結構要素共有4種間隙,經尺寸鏈計算所得裝配間隙極值見表1。

表1 尾翼穩(wěn)定裝置結構要素的裝配間隙

3.2 可改善環(huán)節(jié)分析

穩(wěn)定裝置作用時,要求尾翼片以銷軸為軸自由張開。因此,接口2、接口3設計為間隙配合;接口1、接口4對尾翼張開無直接影響。銷軸功能為連接并起轉軸作用,消除接口1、接口4間隙不影響功能實現(xiàn),且有利于減少振動。

3.3 穩(wěn)定裝置改進設計方案

尾翼片與尾翼座之間選擇的鉚接連接方式使得接口1、接口4兩類裝配間隙在客觀上必然存在。改進的方案是使這兩類間隙處于非松動狀態(tài),即使其處于固定狀態(tài)進而消除間隙。

可能的技術方案有兩種:第一種是涂膠固定方式,防止松動。該方法在工藝上容易實現(xiàn),但外露的涂膠受彈藥長期儲存環(huán)境應力和發(fā)射時火藥燃氣作用影響,難以保證固定可靠性和長儲壽命。第二種是螺紋固定方式,即在保證功能特性不變的情況下,只改進局部的產品基線,是從設計上解決問題、實現(xiàn)可靠性增長的有效途徑。

具體改進設計的措施是:銷軸一段設計為外螺紋(銷軸與尾翼片轉軸的部分外徑保持不變,螺紋外徑與原銷軸外徑一致或略小),尾翼座一段設計為內螺紋,鉚接連接改為螺紋連接,以一定的力矩擰緊并采取防松動措施,有效保證彈道環(huán)境中銷軸處于緊固狀態(tài),消除接口1、接口4間隙。除此之外,以壓縮公差的方法減小接口2、接口3的間隙量。

3.4 改進方案定性分析及試驗驗證

振動是由于尾翼片受變矢量、變頻的空氣動力作用產生,消除或減少裝配間隙能夠有效降低載荷強度,有利于改善彈道環(huán)境應力。彈丸設計時,主要關注質心運動和彈道飛行穩(wěn)定性,一般通過試驗確定其最佳結構尺寸[3]。目前尚難以定量計算制式彈狀態(tài)、改進狀態(tài)尾翼片振動的特征值;同樣,改進設計的具體方案有待于動態(tài)試驗驗證確認。

為驗證分析結果,借鑒GJB150.16A—2009、GJB 150.17A—2009軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法中振動試驗、噪聲試驗要求模擬彈道環(huán)境[4-5],將改進設計后的尾翼穩(wěn)定裝置固定于振動臺,施加穩(wěn)態(tài)振動,并選擇掠入式噪聲類型,對彈丸無尾翼片、尾翼銷軸螺紋緊固、尾翼銷軸松動等3種不同狀態(tài)進行風洞對比試驗。

試驗過程中采集到的近炸引信信號處理電路放大輸出信號如圖2所示。

圖2 風動試驗近炸引信放大輸出信號

為便于表述,用V1、V2、V3分別表示三種狀態(tài)下的信號波峰值,用G1、G2、G3分別表示三種狀態(tài)下的信號差值。試驗結果表明:1)無尾翼片狀態(tài)下,信號放大曲線均勻,G1小,最大波峰值V1小于1 V;2)尾翼銷軸處于松動狀態(tài)下,信號放大曲線波動最大,G3大,最大波峰值V3接近V1的3倍;3)銷軸螺紋緊固狀態(tài)下,信號放大曲線波動相對較小,最大波峰值V2約為V1的1.7倍,僅為V3的57%。試驗結果表明,減小或消除尾翼銷軸裝配間隙,可使引信信號處理電路放大輸出信號趨于平穩(wěn),能夠有效降低因翼片振動造成的彈道早炸幾率。

4 結論

理論分析和試驗結果均表明,設計采用的固定尾翼銷軸的措施能有效減緩尾翼片振動,有利于提高近炸引信的適配性,降低早炸幾率。其中,銷軸與尾翼座采用螺紋連接方式是一種有效的可靠性增長設計方案,從結構要素采取措施,無長儲后可靠性降低的風險。文中涉及的匹配性分析局限于定性層面且未涉及引信的改進,要大幅提高該型彈藥的可靠性水平,應研發(fā)目標信息辨識度更高的近炸引信,并重視和加強近炸引信環(huán)境適應性技術標準的研究與制定工作。

[1] 魏惠之,朱鶴松,汪東暉,等.彈丸設計理論 [M].北京:國防工業(yè)出版社,1985:219.

[2] 曹紅松,張亞,高躍飛.兵器概論 [M].北京:國防工業(yè)出版社,2008:257-258.

[3] 張合,李豪杰.引信機構學 [M].北京:北京理工大學出版社,2008:236.

[4] 馬少杰.引信試驗技術 [M].北京:國防工業(yè)出版社,2010:45.

[5] 張文娜,熊飛麗.計量技術基礎 [M].北京:國防工業(yè)出版社,2009:175.

BallisticMatchingandReliabilityGrowthDesignofFin-stabilityProjectileandProximityFuze

PIAO Zhegao1,LIU Ge2,HAN Yu2,CUI Ping3,ZHONG Weijun3

(1 Military Representative Office in No.724 Factory,Shenyang 110045,China; 2 Shenyang Military Representative Bureau,Shenyang 110001,China; 3 Ordnance Engineering College of PLA,Shijiazhuang 050003,China)

The problem and solutions of high probability of trajectory early burst caused by tail bomb and proximity fuze matching were studied in this paper.On the basis of the analysis of the structure characteristics and working principle of fin stabilizer,and early explosion mechanism caused by the influence of unexpected signal on fuze in flight trajectory,controlled and improvable factors were found to propose the technical proposal that without changing the functional characteristics,fuze trajectory environment could be improved by improving the design of the interface relationship between individual parts,and the reliability growth was realized.The wind tunnel test results indicated that eliminating tail pin assembly clearance could effectively reduce the early burst probability in trajectory caused by fin vibration.

fin stabilizer; proximity fuze; fin vibration; early burst

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.015

2016-10-10

樸哲鎬(1964-),男,吉林圖們人,高級工程師,研究方向:彈藥質量控制及檢測技術應用。

TJ410.3

A