引信對極薄弱目標發(fā)火的作用方法

黃 戈,姚寶珍,冉雪磊

(1.陸軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局,湖北 武漢 425000;2.湖北三江航天紅林探控有限公司,湖北 孝感 432000)

0 引言

本文以空地導彈機電式觸發(fā)引信為研究背景，研究導彈以亞音速或更低速度飛行打擊考斯特車、玻璃鋼小艇等目標時引信的發(fā)火情況?？妓固剀囈话愕刃?.7～1.2 mm的低碳鋼冷扎鋼板，含碳量相當于10#鋼，抗拉強度270 MPa。玻璃鋼小艇一般為玻璃鋼的夾層結構，等效玻璃鋼厚度10～20 mm、強度120～150 MPa。當導彈以低速度打擊此類極薄弱目標時，撞靶沖擊過載對導彈的動態(tài)響應特性較難達到引信目標敏感裝置響應閾值，很容易造成導彈的瞎火或穿過目標后觸地、觸水面作用，使得導彈的毀傷效能大大降低甚至任務的失敗。

機電式觸發(fā)引信的目標敏感裝置由各種類型的撞擊開關或慣性開關等機構組成[1]，其作用是在導彈碰擊目標時使開關閉合，接通發(fā)火控制電路，使發(fā)火控制電路正常工作。撞擊開關限于彈頭引信或需要依賴導彈頭部空間變形來實現(xiàn)，其使用會對導彈的氣動外形或頭部設備設計安裝有較大影響。而慣性開關不受以上條件限制，適應范圍更廣。

為了提高引信對極薄弱目標發(fā)火的可靠性，設計引信的慣性開關時，一般情況會將慣性開關的閉合閾值降低，提高其靈敏度。但閉合閾值的取值需保證彈道安全性的要求。國內(nèi)外學者長期以來對于薄弱目標發(fā)火的理論和仿真方法均有較多研究。文獻[2—3]對3 mm以上薄目標進行了研究，但對于3 mm以下極薄弱目標的發(fā)火作用及如何解決彈道安全性的問題未見詳細介紹。本文以1 mm極薄弱鋼板為典型目標，研究當慣性開關閉合特性已經(jīng)無法滿足彈道安全性時，引信如何實現(xiàn)發(fā)火作用的方法。

1 極薄弱目標發(fā)火的作用方法

極薄弱目標發(fā)火和彈道安全性是極薄弱目標發(fā)火作用方法要解決的兩個方面。

1.1 極薄弱目標發(fā)火的設計

1.1.1 低過載慣性開關

為解決慣性開關對1 mm極薄弱目標的識別，設計了一種極低過載慣性開關。低過載慣性開關由慣性子、極環(huán)Ⅰ、極環(huán)Ⅱ、彈簧、外殼和絕緣套等組成[4]，結構組成示意如圖1所示。圖中向下為導彈運動方向。當導彈碰擊目標時，低過載開關感受撞靶時的沖擊載荷，慣性子在慣性力作用下克服彈簧阻力，運動0.5 mm距離后接通極環(huán)Ⅰ和極環(huán)Ⅱ，低過慣性載開關閉合導通，接通引信發(fā)火控制電路，引信發(fā)火電容給電雷管放電，引信作用發(fā)火。

圖1 慣性開關示意圖Fig.1 Inertia switch sketch map

1.1.2 低過載慣性開關閉合閾值的確定

從后文中打擊考斯特車頂部工況仿真結果進行分析，確定慣性開關離心閉合閾值。打擊1 mm鋼板時，在低速條件下引信獲得過載最小，隨著速度的增加，過載變大，但過載持續(xù)時間差異不大。在導彈最低速度160 m/s時，引信軸向獲得過載大于-100g的持續(xù)時間也能達到0.27 ms。

一般空地導彈載機時的慣性過載可達10g；載機、發(fā)射及飛行時的振動、沖擊、顛簸可達5g，有時可達20g；引信保險解除后導彈自由飛行時過載可達10g。載機、發(fā)射及飛行時保險未解除，電容未充電，引信是安全的。這里的彈道安全主要是指引信保險解除后導彈自由飛行時的過載、沖擊。在保證彈道安全性的前提下，以-100g為設計參考閉合值，取慣性開關閉合中值為70g，過載散布偏差取15g，最終確定慣性開關離心閉合閾值為55～85g。即當慣性子受到的前沖過載小于等于55g時不會運動,開關不會閉合；當慣性體受到的前沖過載大于等于85g，且響應時間足夠時，開關能可靠閉合。

通過對極限55g閉合的慣性開關進行彈道自由飛行振動加嚴試驗,證明慣性開關在極限情況下不會閉合。對極限85g閉合的慣性開關進行打擊0.8 mm厚鋼板極限薄弱目標進行模底試驗,證明慣性開關可以閉合。

由于彈簧的加工誤差不可避免,導致慣性開關的閉合閾值有一定散布范圍,為進一步提高彈道安全性和發(fā)火可靠性,在工程應用中慣性開關需采取成品100%篩選的辦法,將閉合閾值內(nèi)控在70g左右(不超過5g),有利于消除慣性開關的閉合閾值散布帶來的風險。

1.2 彈道安全性設計

空地導彈的彈道安全一般包含載機、發(fā)射及飛行時彈道安全。飛行彈道安全進一步細分為引信保險解除前彈道安全和引信保險解除后導彈處于待發(fā)狀態(tài)的彈道安全。

引信保險解除處于待發(fā)狀態(tài)后的彈道安全只能通過提高低過載開關自身的過載閉合閾值保證。其余彈道安全性可以通過提高低過載開關自身的過載閉合閾值和控制發(fā)火電容充電時刻點兩個方面來保證引信的彈道安全。為了防止低過載開關的過載閉合閾值下限與彈道過載之間裕度不足或意外情況引信上電發(fā)火，只要控制引信處于待發(fā)狀態(tài)前的任何時刻引信發(fā)火電容不被充電，即使低過載慣性開關閉合，彈道仍然安全。引信發(fā)火電容管控電原理圖如圖2所示。

圖2 電原理圖Fig.2 Electrical schematic diagram

圖2中充電管控開關與引信兩級保險物理關聯(lián)，當引信保險解除后，引信充電管控開關才能接通，引信發(fā)火電容C1充電。當引信碰擊目標時，慣性開關感受過載閉合，發(fā)火電容C1給電雷管放電。

為保證彈道安全性，在盡可能接近目標時解除引信第二級保險。引信待發(fā)后，在導彈自由飛行階段，引信感受到的過載可達10g，文中取低過載慣性開關的最小閉合值為55g，因此可保證彈道安全。

2 彈目交會發(fā)火作用及仿真

采取基于ANSYS-LSDYNA與ADAMS的聯(lián)合仿真方法，進行彈目交會發(fā)火作用仿真驗證。

2.1 終點彈道仿真

導彈侵徹體材料為高強度鋼，彈體直徑150 mm，彈長1.4 m，頭部等效艙、彈尾及引信材料為高強度鋁。利用ANSYS-LSDYNA970軟件進行仿真，計算時采用1/2對稱模型、2個CPU并行[5-9]。

導彈打擊目標具有多樣性和復雜性，相比較而言，考斯特車車頂和玻璃鋼小艇較沙土地、水面、建筑物等目標更為薄弱。因此，本文以打擊該兩種目標工況進行仿真。打擊目標仿真工況見表1。

表1 仿真工況

2.1.1 打擊考斯特車頂部工況

打擊考斯特車頂部仿真模型見圖3。

圖3 仿真模型Fig.3 simulation model

1)低速工況

導彈速度160 m/s、落角90°、攻角0°、靶標1 mm厚鋼板時的穿靶仿真情況見圖4所示。穿靶過程中導彈的速度時間曲線見圖5，引信軸向過載見圖6所示。

圖4 低速穿靶過程Fig.4 Low speed penetration process

圖5 導彈速度時間曲線Fig.5 Missile velocity-time curve

圖6 引信加速度時間曲線Fig.6 Fuze acceleration-time curve

通過仿真計算可知，穿靶后導彈余速約為159 m/s。侵徹過程中引信軸向(-Z)加速度峰值約為-388g，過載大于-100g的持續(xù)時間約為 0.27 ms(0.5～0.77 ms)。

2)高速工況

導彈速度240 m/s、落角90°、攻角0°、靶標1 mm厚鋼板時的穿靶仿真情況見圖7所示。穿靶過程中導彈的速度時間曲線見圖8，引信軸向過載見圖9所示。

圖7 高速穿靶過程Fig.7 High speed penetration process

圖8 導彈速度時間曲線Fig.8 Missile velocity-time curve

圖9 引信加速度時間曲線Fig.9 Fuze acceleration-time curve

通過仿真計算可知，穿靶后導彈余速約為239 m/s。侵徹過程中引信軸向(-Z)加速度峰值約為-589g，過載大于-100g的持續(xù)時間約為 0.29 ms(0.38～0.67 ms)。

2.1.2 打擊玻璃鋼小艇甲板工況

打擊玻璃鋼小艇甲板仿真模型見圖10。

圖10 仿真模型Fig.10 Simulation model

1)低速工況

導彈速度160 m/s、落角30°、攻角4°、靶標20 mm厚玻璃鋼時的穿靶仿真情況見圖11所示。穿靶過程中導彈的速度時間曲線見圖12，引信軸向過載見圖13所示。

圖11 低速穿靶過程Fig.11 Low speed penetration process

圖12 導彈速度時間曲線Fig.12 Missile velocity-time curve

圖13 引信加速度時間曲線Fig.13 Fuze acceleration-time curve

通過仿真計算可知，穿靶后導彈余速約為133 m/s。侵徹過程中引信軸向(-Z)加速度峰值約為-483g，過載大于-100g的持續(xù)時間約為 0.97 ms(0.46 ms～1.43 ms)。

⑨Feng S．，Heerink N．，“Are farm households’land renting and migration decisions inter－related in rural China?”NJAS － Wageningen Journal of Life Sciences，4，2008．

2)高速工況

導彈速度240 m/s、落角30°、攻角4°、靶標20 mm厚玻璃鋼時的穿靶仿真情況見圖14所示。穿靶過程中導彈的速度時間曲線見圖15，引信軸向過載見圖16所示。

圖14 高速穿靶過程Fig.14 High speed penetration process

圖15 導彈速度時間曲線Fig.15 Missile velocity-time curve

圖16 引信加速度時間曲線Fig.16 Fuze acceleration-time curve

通過仿真計算可知，穿靶后導彈余速約為224 m/s。侵徹過程中引信軸向(-Z)加速度峰值約為-851g，過載大于-100g的持續(xù)時間約為 1.22 ms(0.36～1.58 ms)。

2.1.3 仿真結論

導彈打擊考斯特車頂部工況時，目標最為薄弱，可依據(jù)該工況數(shù)據(jù)進行慣性開關的識別響應仿真。

2.2 慣性開關識別響應仿真

將導彈打擊考斯特車頂部工況仿真結果作用于低過載開關，采用ADAMS 多體動力學仿真軟件對低過載開關動態(tài)響應特性進行仿真分析[2]，仿真結果如下。

1)低速條件仿真

導彈速度160 m/s、落角90°、攻角0°、打擊靶標為1 mm厚鋼板時的慣性開關仿真結果如圖17。

圖17 仿真結果Fig.17 Simulation result

2)高速條件仿真

導彈速度240 m/s、落角90°、攻角0°、打擊靶標為1 mm厚鋼板時的慣性開關仿真結果如圖18。

圖18 仿真結果Fig.18 Simulation result

圖中慣性子運動0.5 mm慣性開關導通時刻在1.5～2.3 ms之間，閉合時間約800 μs。

通過仿真,在導彈打擊考斯特車頂部工況最薄弱目標時,低過載慣性開關仍然能夠可靠性閉合。

3 試驗驗證

3.1 地面火炮試驗

引信地面火炮試驗采用滑膛炮作為導彈動能的加載設備。試驗導彈裝填假藥，采用曳光藥劑燃燒時的亮光作為引信炸點指示判斷依據(jù)?；鹋谠囼灂r，試驗引信具有炮口保險，在炮口后效期結束后，引信才具備待發(fā)狀態(tài)。同時為了滿足導彈在侵徹目標后，在目標內(nèi)部起爆，試驗引信具備延期7 ms±2 ms發(fā)火的功能。火炮試驗引信發(fā)火情況如表2所示。

表2 火炮試驗引信發(fā)火情況

第1發(fā)，導彈速度162 m/s，落角90°，打1 mm厚10#鋼板時的試驗發(fā)火景象見圖19。

圖19 162 m/s發(fā)火景象Fig.19 Scene of fire under 162 m/s

第2發(fā)，導彈速度240 m/s，落角90°，打1 m厚10#鋼板時的試驗發(fā)火景象見圖20。

圖20 240 m/s發(fā)火景象Fig.20 Scene of fire under 240 m/s

通過對2發(fā)炮射試驗數(shù)據(jù)進行分析，結果表明，引信的慣性開關對薄弱目標具有良好的發(fā)火性能，且火炮彈道安全。

3.2 全彈道飛行試驗

2發(fā)引信隨空地導彈進行了全彈道飛行試驗考核，試驗時導彈打擊目標為1 mm厚10#鋼板，靶標與地面成45°夾角，引信瞬發(fā)發(fā)火不帶延時功能，炸點指示用曳光劑。飛行試驗引信發(fā)火情況見表3，彈目交會發(fā)火景象見圖21和圖22。

表3 飛行試驗引信發(fā)火情況

圖21 244 m/s發(fā)火景象Fig.21 Scene of fire under 244 m/s

圖22 163 m/s發(fā)火景象Fig.22 Scene of fire under 163 m/s

通過對2發(fā)全彈道飛行試驗數(shù)據(jù)進行分析，結果表明，引信的慣性開關對1 mm厚10#鋼板具有良好的發(fā)火性能，且載機、發(fā)射及飛行時彈道安全。

4 結論

本文提出了基于低過載慣性開關的引信對極薄弱目標發(fā)火作用方法，通過ANSYS-LSDYNA與ADAMS聯(lián)合仿真方法驗證了低過載慣性開關能夠敏感碰靶過載條件而發(fā)火作用。通過火炮試驗及全彈道飛行試驗結果表明：空地導彈在162～244 m/s著靶速度條件下，設計的低過載慣性開關對1 mm厚10#鋼能夠可靠發(fā)火，同時提出的解決彈道安全性的設計方法有效可行，能夠保證空地導彈的彈道安全。