振動(dòng)與沖擊在引信技術(shù)中的應(yīng)用展望*

張 合

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 南京，210094)

引 言

隨著軍事變革和戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的改變，戰(zhàn)場(chǎng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的水平不斷提高，武器裝備正朝著遠(yuǎn)射程、高機(jī)動(dòng)、高精度、信息化、多能化與高毀傷方向發(fā)展，而光電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、原材料與元器件、新型探測(cè)與識(shí)別等技術(shù)的巨大進(jìn)步也推動(dòng)了各類武器系統(tǒng)的發(fā)展與進(jìn)步。作為武器系統(tǒng)中起毀傷作用的彈藥，其關(guān)鍵核心部件——引信，其功能不僅在利用環(huán)境信息保障武器系統(tǒng)的全壽命安全，還要保證利用目標(biāo)信息依據(jù)預(yù)定策略或?qū)崟r(shí)指令控制彈藥起爆，實(shí)現(xiàn)最大的毀傷效能。未來的智能引信除利用戰(zhàn)場(chǎng)信息(環(huán)境信息、目標(biāo)信息和指揮控制信息)以外，還應(yīng)具有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)感知、自主分析判斷和決策的能力[1-4]。

無論是已裝備的機(jī)械引信、機(jī)電引信、近炸引信，還是正在發(fā)展的靈巧引信，從制造、運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射、彈道飛行以及與目標(biāo)相互作用整個(gè)生命周期內(nèi)，都將會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的物理環(huán)境，諸如高低溫、潮濕、鹽霧、振動(dòng)、電磁波與強(qiáng)沖擊的作用。其中最為典型的力學(xué)環(huán)境就是運(yùn)輸振動(dòng)與發(fā)射沖擊。力學(xué)環(huán)境對(duì)于引信的影響涉及到引信的安全性與作用可靠性，主要表現(xiàn)為對(duì)安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響。因此掌握引信整個(gè)生命周期所承受的振動(dòng)與沖擊環(huán)境力，可以為研發(fā)、生產(chǎn)及使用提供技術(shù)支撐。筆者針對(duì)引信系統(tǒng)中遇到的振動(dòng)與沖擊問題進(jìn)行了梳理，歸納與分析目前引信經(jīng)歷振動(dòng)與沖擊過程中遇到的若干問題。

1 振 動(dòng)

1.1 勤務(wù)處理

引信經(jīng)歷的勤務(wù)處理環(huán)境指的是從生產(chǎn)出廠到使用發(fā)射之前的一系列環(huán)境，其振動(dòng)環(huán)境指的是運(yùn)輸、搬運(yùn)過程中受到的振動(dòng)。任何交通工具都會(huì)因?yàn)槁访娴牟黄秸豢杀苊獾拇嬖谥駝?dòng)與顛簸。1982年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織在《路面不平度表示方法草案》中規(guī)定了路面不平度的功率譜擬合公式

(1)

其中：Gq(n0)為路面功率譜密度；n為空間頻率，指的是每米長(zhǎng)度中包含的波長(zhǎng)個(gè)數(shù)；n0為參考空間頻率(n0=0.1/m)；Gq(n0)為參考空間n0下路面功率譜密度；w為頻率指數(shù)，其決定了路面譜的頻率結(jié)構(gòu)。

一般而言，勤務(wù)處理運(yùn)輸過程中的振動(dòng)一般不會(huì)太強(qiáng)烈，尤其是導(dǎo)彈等戰(zhàn)斗部件的振動(dòng)更為微弱。表1列出了部分車輛在滿載情況下的振動(dòng)情況[1]。其中運(yùn)輸振動(dòng)的頻率范圍為2～100 Hz，車輛運(yùn)輸過程中的慣性加速度一般只有3～4g，最大值不超過20g。由于加速或者減速引起運(yùn)動(dòng)方向上的加速度更小，一般小于1g，即使包裝箱在卡車內(nèi)部不固定，所產(chǎn)生的慣性加速度不超過300g[3,5]。

振動(dòng)作為一種重復(fù)性的加載過程，極易引發(fā)零部件的疲勞損壞，甚至可能會(huì)導(dǎo)致引信的提前解除保險(xiǎn)。目前，針對(duì)傳統(tǒng)引信的防護(hù)通過限制振動(dòng)幅值來實(shí)現(xiàn)，一般的振動(dòng)過程不會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)件對(duì)隔爆件的完全解脫；針對(duì)機(jī)電式或者全電子式安全系統(tǒng)，可通過相關(guān)傳感器的設(shè)計(jì)來屏蔽機(jī)械信號(hào)；且對(duì)于只能在發(fā)射過程激活的引信而言，其安全系統(tǒng)在運(yùn)輸中處于“休眠”狀態(tài)，這些措施均保證了安全系統(tǒng)不會(huì)對(duì)運(yùn)輸過程中的振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生誤響應(yīng)，產(chǎn)生誤動(dòng)作[6]。

表1 各種車輛在滿載運(yùn)行中的振動(dòng)

1.2 彈道振動(dòng)

與勤務(wù)處理的振動(dòng)環(huán)境相比，彈道飛行中的振動(dòng)環(huán)境更加危險(xiǎn)，這是因?yàn)閺椀里w行過程中的引信已經(jīng)“激活”——解除保險(xiǎn)，因此彈道振動(dòng)極易引發(fā)引信機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作并導(dǎo)致彈道早炸。彈道振動(dòng)沖擊環(huán)境主要由氣動(dòng)擾流引起，此外還可能由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪音、內(nèi)部設(shè)備工作以及噪聲所引起的振動(dòng)。如某型號(hào)空空導(dǎo)彈在自由飛行時(shí)的振動(dòng)譜型的示意圖如圖1所示[7]，在兩個(gè)頻段內(nèi)(20 Hz～f1，f2～2 000 Hz)雙倍頻條件下振動(dòng)的增大和衰減均為3 dB，即頻率每增加1倍，振動(dòng)幅值增大/哀減3 dB，表示為3 dB/oct。航空火箭彈以及空空導(dǎo)彈均存在著由于彈道振動(dòng)所引發(fā)的彈道早炸的問題[6,8-9]。

此外，除了需要對(duì)氣流擾動(dòng)所引起的彈道振動(dòng)加以防范以防止早炸，許多研究人員也對(duì)氣流擾動(dòng)所引起的振動(dòng)加以利用。隨著引信向小型化、靈巧化與智能化方向發(fā)展，也對(duì)引信提出了全彈道完成安全控制、姿態(tài)監(jiān)測(cè)與控制、目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別等要求，這也對(duì)引信電源提出了全彈道供電的要求，其中一種解決問題的思路是將彈丸飛行中迎面氣流能量轉(zhuǎn)換成振動(dòng)，并通過壓電發(fā)電機(jī)或者電磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能[10-11]。美國(guó)AD-7416961報(bào)告中論述了射流發(fā)電機(jī)及環(huán)音諧振器的工作原理[12]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 自由飛行時(shí)的振動(dòng)圖譜Fig.1 Free flying vibration spectrum

圖2 射流發(fā)電機(jī)示意圖Fig.2 Jet generator schematic

磁電式射流發(fā)電機(jī)放置在彈丸的頭部，彈丸頭部開有氣孔，當(dāng)彈丸飛行時(shí)，高速氣流通過彈丸頭部進(jìn)入環(huán)形噴嘴，沖擊諧振腔的尖劈產(chǎn)生一種音頻擾動(dòng)，并觸發(fā)腔體內(nèi)部的空氣進(jìn)入諧振狀態(tài)，空氣的脈動(dòng)再驅(qū)動(dòng)夾在腔體末端的金屬膜片，膜片的振動(dòng)通過連桿引起磁電轉(zhuǎn)換器磁阻的交替變化，便在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生交變電流且輸出的電壓頻率很穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)眾多研究人員在在磁電式射流發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上，利用壓電換能器代替磁電換能器，構(gòu)成了氣流致聲壓電發(fā)電機(jī)方案，實(shí)現(xiàn)了體積小型化，提高了可靠性，如圖3所示[13-17]。

圖3 氣流致聲壓電發(fā)電機(jī)Fig.3 Air-driven resonance piezoelectric generator

2 沖 擊

2.1 勤務(wù)處理

勤務(wù)處理過程中的意外跌落、磕碰和撞擊，均會(huì)使得引信受到?jīng)_擊力的作用，沖擊的波形、大小和作用時(shí)間與包裝方式、彈丸質(zhì)量、結(jié)構(gòu)尺寸、跌落高度及地面性質(zhì)有關(guān)。圖4為在3 m落高條件下分別作用在水泥面和鋼板的加速度曲線[18]。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同材料面對(duì)于沖擊加速度的影響非常大。實(shí)際上，如當(dāng)彈丸落下土地時(shí)，最大加速度幅值有幾百個(gè)g，但是作用時(shí)間長(zhǎng)達(dá)十幾毫秒；當(dāng)彈丸落向鋼板時(shí)所產(chǎn)生的加速度可達(dá)近20 000g，持續(xù)時(shí)間只有300多微秒。前人針對(duì)跌落沖擊方面的研究進(jìn)行了大量的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究[19-20]。

圖4 彈丸下落受到的沖擊加速度Fig.4 Impact acceleration of the projectile while falling

2.2 空投所產(chǎn)生的沖擊

引信零件在空投過程中所產(chǎn)生的慣性力主要包含有開傘時(shí)所產(chǎn)生的沖擊慣性力和著陸時(shí)所產(chǎn)生的慣性力。其中開傘時(shí)的沖擊力與飛機(jī)速度、空投高度、空投重量及開傘時(shí)間等因素有關(guān)；而著陸時(shí)所產(chǎn)生的沖擊力則與著陸速度、空投引信的包裝及地面性質(zhì)等因素有關(guān)[5]。表2給出了某次實(shí)驗(yàn)過程中空投所產(chǎn)生空投慣性力的實(shí)驗(yàn)值。

表2 空投沖擊力的實(shí)驗(yàn)值

Tab.2 Experimental value of airdrop inertial forceg

測(cè)試條件實(shí)驗(yàn)次數(shù)最大值最小值平均值開傘時(shí)140.9960.6530.896著陸時(shí)3225.8003.7007.240

2.3 裝填引信零件時(shí)受到的沖擊力

在裝填彈藥的過程中，彈藥在輸彈機(jī)的推動(dòng)下，以每秒幾米甚至十幾米的速度向炮膛運(yùn)動(dòng)，當(dāng)彈帶與膛線起始部相碰或藥筒底部與炮尾相碰時(shí)，彈藥的運(yùn)動(dòng)會(huì)突然停止，使得引信受到可達(dá)100g以上沖擊力的作用。此外，往炮膛輸送彈丸時(shí)不正確的操作可能使引信頭部與炮尾相撞，輸彈機(jī)構(gòu)的某些故障也可能使引信受到磕碰，從而使得引信產(chǎn)生變形或者松動(dòng)。以海雙30火炮為例，手動(dòng)輸彈時(shí)產(chǎn)生的沖擊力達(dá)到了120g；而采用輸彈機(jī)供彈時(shí)，所產(chǎn)生的沖擊力甚至可達(dá)到217.7g。此外，引信零部件在輸彈過程中還會(huì)受到側(cè)向沖擊的作用，這是因?yàn)閺椡栎S線與炮膛軸線不會(huì)完全重合，在裝彈的過程中，彈丸只能被迫與膛線對(duì)正，引發(fā)側(cè)向沖擊。這個(gè)力很大，可能使得引信零件松動(dòng)或變形，如防潮帽破裂、鐘表或藥盤引信的裝定分劃移位等。

2.4 發(fā)射后坐沖擊力

在發(fā)射過程中，引信會(huì)受到后坐沖擊力的作用。一般而言，后坐沖擊力與膛內(nèi)壓力呈正比關(guān)系，即后坐沖擊力與膛內(nèi)壓力具有相同的特征?；谀芰科胶夥匠?，得到火炮內(nèi)彈道基本方程[21]為

(2)

將上述方程求解即可獲得內(nèi)彈道壓力的變化趨勢(shì)，如圖5所示。下面著重分析膛內(nèi)發(fā)射與后效期這兩個(gè)時(shí)期。彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)可以分為3個(gè)時(shí)期：前期、第1時(shí)期和第2時(shí)期。前期是指彈丸從裝填完畢至其即將運(yùn)動(dòng)這一時(shí)間區(qū)間。當(dāng)壓力達(dá)到PB，藥筒內(nèi)裝藥開始著火并燃燒，不斷釋放產(chǎn)生的氣體。由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)較小，這一階段的膛內(nèi)壓力不斷增加直至P0，并將其作為下一階段的起始?jí)毫?。進(jìn)入第1時(shí)期后，彈丸開始加速運(yùn)動(dòng)，藥室容積相對(duì)增大，火藥與空氣接觸面增大使其燃燒更加劇烈，壓力曲線上升，當(dāng)氣體做功對(duì)壓力上升的動(dòng)力和壓力下降的影響達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，壓力達(dá)到最大膛壓Pm，對(duì)應(yīng)的后坐慣性力也達(dá)到最大值。隨著彈丸速度的不斷增加，彈尾空間迅速增大，此時(shí)因火藥燃燒增加的氣體壓力小于因體積增大而損失的氣體壓力，膛內(nèi)壓力開始下降。當(dāng)剩余火藥燃燒殆盡時(shí)，膛內(nèi)壓力也隨之降至Pk，結(jié)束第1時(shí)期。雖然火藥已經(jīng)燃燒完畢，但由于還有大量?jī)?nèi)能未做功，彈丸依然會(huì)加速前進(jìn)，且膛內(nèi)壓力不斷下降。當(dāng)彈丸剛出炮口時(shí)，壓力降為Pg，隨后進(jìn)入后效期。當(dāng)彈丸飛離炮口瞬間，膛內(nèi)高速氣流也隨之噴出，繼續(xù)推動(dòng)彈丸加速前進(jìn)，因此彈丸最大速度不是出現(xiàn)在飛離炮口瞬間，而是在飛離炮口之后0.9～10 ms[22]。

圖5 膛內(nèi)發(fā)射壓力-時(shí)間曲線Fig.5 Launching pressure-time curve

一般榴彈炮的后坐加速度可達(dá)10 000～25 000g，部分艦炮榴彈的后坐加速度達(dá)50 000g，其中，小口徑榴彈的后坐加速度甚至能夠達(dá)到70 000g，且發(fā)射后坐力的持續(xù)時(shí)間一般可到幾十毫秒[22]。表3給出了典型的發(fā)射后坐加速度量值。

表3 典型的沖擊環(huán)境

Tab.3 Typical impact environmentg

名稱導(dǎo)彈引信火箭彈引信炮彈引信后坐加速度/g25～50100～1 00010 000～70 000

發(fā)射后坐力往往可利用作為引信解除保險(xiǎn)的環(huán)境力之一。因此，引信安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵之一就是其既能在勤務(wù)處理的意外跌落環(huán)境中不會(huì)解除保險(xiǎn)，又能準(zhǔn)確地識(shí)別發(fā)射環(huán)境并解除保險(xiǎn)。沖擊力的主要參數(shù)為沖擊加速度峰值和持續(xù)時(shí)間。一般而言，在引信設(shè)計(jì)過程中，模擬勤務(wù)處理意外跌落載荷的峰值較大，脈寬相對(duì)較?。话l(fā)射后坐沖擊力脈寬較長(zhǎng)，如圖6所示。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為加速度，A1，A2分別表示勤務(wù)意外跌落與正常發(fā)射環(huán)境下加速度曲線的最大值。對(duì)于機(jī)電或者全電子式引信安全系統(tǒng)而言，可通過“閾值+時(shí)間窗”算法，即同時(shí)比較加速度信號(hào)的幅值與持續(xù)時(shí)間以區(qū)分勤務(wù)處理信號(hào)意外跌落和發(fā)射環(huán)境[23-24]。很多機(jī)械安全系統(tǒng)也可以識(shí)別勤務(wù)處理意外跌落環(huán)境與沖擊發(fā)射環(huán)境，如微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanical systems, 簡(jiǎn)稱MEMS)機(jī)械開關(guān)[25-28]。

圖6 兩種典型加速度曲線示意圖Fig.6 Two typical acceleration curve diagrams

除了利用發(fā)射時(shí)的后坐力解保之外，還有部分物理電源利用發(fā)射時(shí)的后坐力提供的能量發(fā)電。如美軍的M-762機(jī)電時(shí)間引信的后坐發(fā)電機(jī)及利用發(fā)射時(shí)的后坐力進(jìn)行發(fā)電，1999 年Oberlin提出了利用彈丸發(fā)射時(shí)后坐力作用在多層壓電疊堆上來發(fā)電并用于給引信低功耗處理電路和起爆電路供電。李映平等[29]利用壓電疊堆實(shí)現(xiàn)彈藥發(fā)射時(shí)后坐沖擊力的收集與轉(zhuǎn)換，針對(duì)發(fā)射條件下沖擊能量的收集與轉(zhuǎn)換，提出了利用壓電疊堆實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該引信電源滿足電子引信的供電需求。但是無論哪種電磁發(fā)電還是壓電發(fā)電，利用發(fā)射時(shí)的后坐力發(fā)電，得到的電勢(shì)也是脈沖電壓，適合引信電路工作時(shí)間短的彈種。為了延長(zhǎng)作用在換能器載荷的時(shí)間，黎輝等[30]設(shè)計(jì)了一種引信自維持壓電電源，如圖7所示，其能夠?qū)⑼獠繘_擊載荷轉(zhuǎn)換為自維持激勵(lì)源，延長(zhǎng)作用于壓電換能器上載荷的持續(xù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)壓電電源的持續(xù)供電。陳永超等[31]以彈簧-質(zhì)量塊和壓電換能器為主要部件設(shè)計(jì)了一種引信發(fā)電裝置，可將彈藥發(fā)射時(shí)的沖擊能量轉(zhuǎn)換為持續(xù)的電能輸出，測(cè)試結(jié)果表明，其發(fā)電時(shí)間能夠達(dá)到2.499 s。

圖7 引信自維持壓電電源Fig.7 Fuze self-sustaining piezoelectric power supply

2.5 目標(biāo)侵徹沖擊

當(dāng)彈丸侵徹目標(biāo)時(shí)，引信同樣會(huì)受到?jīng)_擊載荷的作用。該沖擊力取決于載體著速、撞擊姿態(tài)、目標(biāo)的介質(zhì)特性等參數(shù)，很難進(jìn)行精確確定，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)甚至半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。一般而言，彈丸在侵徹過程中受到的阻力可根據(jù)龐賽來-薩布斯基公式進(jìn)行計(jì)算

(3)

其中：C為彈形系數(shù)；Dx為彈丸進(jìn)入目標(biāo)類的最大直徑；vx為彈丸碰擊目標(biāo)時(shí)的速度；a1為碰擊目標(biāo)時(shí)的靜態(tài)阻力系數(shù)；c為動(dòng)態(tài)阻力系數(shù)。

根據(jù)式(3)可知，彈丸在侵徹目標(biāo)時(shí)，其過載一般可達(dá)到30 000～60 000g，對(duì)于小直徑戰(zhàn)斗部而言，其承受的過載可達(dá)到30 000～200 000g，持續(xù)時(shí)間達(dá)到2～20 ms。這對(duì)引信的零部件和引線的設(shè)計(jì)、安裝和連接都提出了苛刻要求，引信中的電子元器件或者組裝部件，往往采用環(huán)氧樹脂或者有機(jī)硅進(jìn)行灌封處理，以提升其抗沖擊能力[32]。但是僅僅通過灌封處理并不足以使引信電路抵抗侵徹過程中產(chǎn)生的高沖擊過載。這是因?yàn)樵诟邲_擊過程中，外殼因承受屈服應(yīng)力等原因會(huì)發(fā)生形變或者斷裂，進(jìn)而引起灌封材料的擠壓、拉伸和剪切，使得電路灌封體出現(xiàn)裂紋或斷裂，最終導(dǎo)致電路板或者芯片中結(jié)構(gòu)薄弱部位因應(yīng)力集中而產(chǎn)生斷裂短路或者斷路，進(jìn)而使得整個(gè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生故障甚至失效。因此，引信中的電路器件除了需要進(jìn)行灌封處理之外，往往還與諸如泡沫鋁等緩沖措施相結(jié)合。許多科研工作者針對(duì)彈載控制系統(tǒng)的抗沖擊分析與設(shè)計(jì)展開了大量的研究工作，其在高達(dá)190 000g的條件下仍能正常工作[33-37]。此外，許多科研工作者還對(duì)許多其他的彈載器件進(jìn)行緩沖隔震處理[38-39]。

3 結(jié)束語

隨著智能彈藥與巡飛彈藥的出現(xiàn)，引信正朝著探測(cè)、識(shí)別、通訊和決策等智能化方向發(fā)展，這也對(duì)引信抗振動(dòng)與沖擊能力提出了更高的要求。一方面既要防止振動(dòng)與沖擊對(duì)引信造成的結(jié)構(gòu)上的損傷，對(duì)引信的結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計(jì)提出要求，也需要緩沖隔震結(jié)構(gòu)具有更高的緩沖能力；另一方面需要盡可能將振動(dòng)與沖擊的能量轉(zhuǎn)化加以利用，以滿足智能引信的供電與環(huán)境識(shí)別的需求，只有如此，才能在未來的軍事斗爭(zhēng)中保證引信更安全與更可靠，贏得戰(zhàn)爭(zhēng)勝利。