引信對(duì)極薄弱目標(biāo)的動(dòng)態(tài)發(fā)火測(cè)試方法

魏崢嶸,姚寶珍,冉雪磊,陳劍文,張雪梅,周詩(shī)健

(1.陸裝駐白銀地區(qū)軍事代表室， 甘肅 白銀 730900；2.湖北三江航天紅林探控有限公司， 湖北 孝感 432000)

高價(jià)值彈藥的打靶飛行試驗(yàn)成本極高，一般需要彈藥在地面進(jìn)行各功能部件的充分試驗(yàn)驗(yàn)證后才能進(jìn)行飛行試驗(yàn)。火炮試驗(yàn)具有成本較低、試驗(yàn)實(shí)施方便等特點(diǎn)，能使大質(zhì)量的彈丸達(dá)到每秒千米以上的初速度，獲得很高的動(dòng)能載荷，因此在戰(zhàn)略武器和常規(guī)戰(zhàn)斗部的研制中，特別是常規(guī)半穿甲戰(zhàn)斗部、動(dòng)能彈侵徹戰(zhàn)斗部、智能侵徹彈藥引信的研制中，火炮試驗(yàn)方法發(fā)揮了極其重要的作用[1]。

當(dāng)彈丸以低速度打擊類(lèi)似1 mm厚度極薄弱目標(biāo)時(shí)，撞靶沖擊過(guò)載對(duì)彈丸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較難達(dá)到引信目標(biāo)敏感裝置的響應(yīng)閾值，很容易造成彈藥的瞎火或穿過(guò)目標(biāo)后觸地、觸水面作用，使得彈藥的毀傷效能大大降低甚至任務(wù)的失敗。為了提高引信對(duì)極薄弱目標(biāo)發(fā)火的可靠性，設(shè)計(jì)引信的慣性發(fā)火開(kāi)關(guān)時(shí)，一般情況會(huì)將慣性開(kāi)關(guān)的閉合閾值降低，提高其靈敏度。但閉合閾值的取值較低時(shí)，引信的膛內(nèi)安全性和彈道安全性將較難保證，很容易造成彈藥的膛炸或在飛行彈道上早炸[2-3]。

參閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，對(duì)于正式交付的全備彈藥，極薄弱目標(biāo)的引信安全管控措施比較成熟。對(duì)于打擊極薄弱目標(biāo)的發(fā)火測(cè)試，如何以較為可靠、低成本的方式保證火炮試驗(yàn)時(shí)測(cè)試引信的膛內(nèi)發(fā)射安全性和飛行彈道安全，防止早炸的發(fā)生，使得試驗(yàn)彈丸能夠安全到達(dá)靶標(biāo)進(jìn)行彈目交會(huì)時(shí)引信發(fā)火性能的考核，查閱文獻(xiàn)資料是當(dāng)前需要解決的問(wèn)題。本文以打擊極薄弱目標(biāo)發(fā)火的測(cè)試引信為研究對(duì)象，研極究薄弱目標(biāo)的引信動(dòng)態(tài)火炮試驗(yàn)方法。

1 測(cè)試引信原理及試驗(yàn)流程

智能侵徹彈藥對(duì)硬目標(biāo)實(shí)施精確毀傷的起爆控制方式主要有4 種:計(jì)時(shí)起爆、計(jì)層/計(jì)空穴起爆、計(jì)行程起爆和介質(zhì)識(shí)別起爆[4]。引信的智能發(fā)火控制模塊是智能侵徹引信的核心部件，其采集和處理高g值加速度傳感器的過(guò)載信號(hào)，控制戰(zhàn)斗部在預(yù)定的炸點(diǎn)起爆。引信火炮動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的目的只考核終點(diǎn)彈道時(shí)刻引信發(fā)火控制模塊的炸點(diǎn)控制能力。因此，測(cè)試引信的保險(xiǎn)不需要嚴(yán)格遵守GJB373A《引信安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》[5]的要求，只需保證勤務(wù)處理及裝彈發(fā)射時(shí)的安全即可，一般由勤務(wù)保險(xiǎn)和炮口保險(xiǎn)組成。

對(duì)于導(dǎo)彈等全備彈藥，彈上一般能夠?yàn)橐盘峁┕ぷ鞯碾娔茉?，?duì)于試驗(yàn)彈，彈上一般不具備電能源。因此，測(cè)試引信需自己具備能源部件，本試驗(yàn)引信中能源部件為24V鋰電池組。炮口保險(xiǎn)是測(cè)試引信除勤務(wù)保險(xiǎn)之外的另一道保險(xiǎn)，其主要包括慣性體和接電開(kāi)關(guān)等組成。在勤務(wù)處理階段及炮膛內(nèi)發(fā)射時(shí)，將能源(電池組)與發(fā)火控制模塊物理隔斷，防止動(dòng)態(tài)發(fā)火測(cè)試引信在勤務(wù)處理階段誤發(fā)火或在炮膛內(nèi)早炸。在彈丸出炮口解除保險(xiǎn)后，接電開(kāi)關(guān)接通，發(fā)火控制模塊的電容才能充上電，使測(cè)試引信處于待發(fā)狀態(tài)。

曳光藥主要作用是指示試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試引信的發(fā)火炸點(diǎn)，以便于試驗(yàn)結(jié)果的判定。

開(kāi)展薄弱目標(biāo)的引信動(dòng)態(tài)發(fā)火試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)彈丸一般速度較低，彈丸及引信獲得的膛內(nèi)過(guò)載較小，炮口保險(xiǎn)為了可靠解保，其解保過(guò)載條件會(huì)設(shè)計(jì)更低閾值，解保閾值條件越低其炮口安全性和勤務(wù)安全性越低。因此僅炮口保險(xiǎn)較難保證勤務(wù)跌落安全，需要增加勤務(wù)保險(xiǎn)對(duì)隔爆機(jī)構(gòu)進(jìn)行安全管制。

測(cè)試引信與正式全備引信相比，設(shè)計(jì)異同如下:保留引信結(jié)構(gòu)外形不變；兩級(jí)保險(xiǎn)更換為一級(jí)勤務(wù)保險(xiǎn)和炮口保險(xiǎn)；引信增加能源部件，為動(dòng)態(tài)發(fā)火測(cè)試引信的工作提供電能源；引信輸出末級(jí)藥柱由鈍感猛炸藥改為曳光藥劑，用于炸點(diǎn)指示。針對(duì)后效期干擾,增加延期供電電路避開(kāi)后效期干擾，提高試驗(yàn)彈的彈道安全性。測(cè)試引信原理見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)試引信原理框圖

以打擊目標(biāo)為鋼筋混凝土靶標(biāo)，靶標(biāo)面與彈道線夾角為60°為例,火炮動(dòng)態(tài)發(fā)火試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置(俯向剖視)如圖2所示。引信的操作及試驗(yàn)流程如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)布置示意圖

圖3 測(cè)試引信試驗(yàn)流程框圖

2 炮口保險(xiǎn)技術(shù)

2.1 炮口保險(xiǎn)設(shè)計(jì)

為了試驗(yàn)彈丸的膛內(nèi)及出炮口后效期安全，測(cè)試引信需有保證膛內(nèi)安全且出炮口后延期解除保險(xiǎn)的炮口保險(xiǎn)[6]。

本文設(shè)計(jì)了一種炮口保險(xiǎn)如圖4所示，該保險(xiǎn)件為直線運(yùn)動(dòng)式雙行程后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)[7-8]。試驗(yàn)彈發(fā)射前慣性體處于原始位置(圖4(a))，試驗(yàn)彈發(fā)射時(shí)火藥推力建立，彈丸承受后坐過(guò)載，炮口保險(xiǎn)的慣性體沿-X向(圖4中向下)運(yùn)動(dòng)一端距離后，上鋼球也隨之下移(圖4(b))。當(dāng)后坐過(guò)載小于彈簧推力時(shí)，炮口保險(xiǎn)的慣性體在彈簧推力的作用下沿X向運(yùn)動(dòng)，直至保險(xiǎn)解除位置(圖4(c))。

圖4 炮口保險(xiǎn)

后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的可靠解保設(shè)計(jì)，應(yīng)以最小發(fā)射速度情況下最小膛內(nèi)過(guò)載為參考，炮口保險(xiǎn)后坐到位過(guò)載也要考慮勤務(wù)及彈丸的裝填安全性。

2.2 炮口保險(xiǎn)簡(jiǎn)化力學(xué)模型

假設(shè)在后效期結(jié)束后炮口保險(xiǎn)的慣性體開(kāi)始向前動(dòng)作。慣性體運(yùn)動(dòng)至炮口保險(xiǎn)解保時(shí)間為T(mén)，對(duì)慣性體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，不計(jì)摩擦力和重力，慣性體見(jiàn)圖5[8]。

圖5 慣性體示意圖

對(duì)慣性體進(jìn)行受力分析，可得下式：

(1)

式(1)中：m為慣性體質(zhì)量；k為彈簧的彈性系數(shù)；λ為彈簧的原始?jí)嚎s量；x為慣性體的位移；t為慣性體位移x時(shí)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

式(1)的起始條件為：t=0、x=0、dx/dt=0、d2x/dt2=0，將起始條件代入式1中，得慣性體從后坐位置運(yùn)動(dòng)到保險(xiǎn)解除的運(yùn)動(dòng)時(shí)間表達(dá)式見(jiàn)式(2)：

(2)

將炮口保險(xiǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)代入式(2)可以計(jì)算出炮口保險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)至炮口保險(xiǎn)解保時(shí)間的T。

2.3 炮口保險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)仿真

利用ADAMS軟件對(duì)炮口保險(xiǎn)進(jìn)行了剛體動(dòng)力學(xué)仿真分析。將試驗(yàn)所得160 m/s發(fā)射的試驗(yàn)彈丸炮膛過(guò)載曲線(圖6)施加到設(shè)計(jì)的炮口保險(xiǎn)。進(jìn)行慣性體的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 加速度時(shí)間曲線

圖7 仿真曲線

從圖7仿真結(jié)果可以看出：炮口保險(xiǎn)的慣性體感受過(guò)載，在3.6 ms時(shí)刻運(yùn)動(dòng)到位，在84 ms時(shí)刻開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)，在131 ms時(shí)刻運(yùn)動(dòng)到位保險(xiǎn)解除。

3 低成本延時(shí)充電技術(shù)[9]

從圖1可以看出：試驗(yàn)彈丸出炮口后，未到達(dá)目標(biāo)在飛行彈道上引信提前作用。分析結(jié)果認(rèn)定為：測(cè)試引信在膛內(nèi)已啟動(dòng)解?；蛭闯龊笮诰徒獗Ｍ瓿?，炮口保險(xiǎn)解除后，火炮后效期仍然對(duì)測(cè)試引信存在較大影響，后效期的干擾過(guò)載達(dá)到測(cè)試引信慣性開(kāi)關(guān)的閉合閾，使得測(cè)試引信提前發(fā)火作用。因此，僅使用炮口保險(xiǎn)的延期解保功能無(wú)法有效徹底擺脫后效期對(duì)測(cè)試引信的影響。

因此，需要對(duì)測(cè)試引信給發(fā)火控制模塊的開(kāi)始供電時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行延時(shí)，在遠(yuǎn)離后效期后對(duì)測(cè)試引信的發(fā)火電容進(jìn)行充電。電路延時(shí)可采用的辦法有繼電器延時(shí)、微控制器延時(shí)和RC模擬電路延時(shí)等措施。其中繼電器結(jié)構(gòu)體積較大、成本高；微控制器雖然延時(shí)精度高但成本也較高，同時(shí)需要增加軟件控制；RC模擬延時(shí)電路成本低，體積小。在本方案中RC模擬延時(shí)電路具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)的一種RC模擬延時(shí)電路如圖8所示。

圖8 測(cè)試引信電路圖

圖8中:E為24 V鋰電池組，為電路提供電能源條件。K為接電開(kāi)關(guān)，炮口保險(xiǎn)解除后接通。N1為5 V固定電壓三端集成穩(wěn)壓器。

V1為可控硅,當(dāng)C3充電的電壓達(dá)到V1的導(dǎo)通電壓時(shí)V1導(dǎo)通，當(dāng)彈丸發(fā)射出炮口后效期結(jié)束后，炮口保險(xiǎn)解除，接電開(kāi)關(guān)接通，R3兩端的24 V電壓才能供給引信智能發(fā)火控制模塊中的二次電源。

R1和C3構(gòu)成RC延時(shí)電路的核心器件。C3的充電過(guò)程為一階電路的零狀態(tài)響應(yīng)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(3)

式中:u為任意時(shí)刻t,電容器C3兩端電壓；ut為電容器C3充滿終止電壓；u0為電容器C3初始電壓；R1為電容器C3充電電阻阻值；C為電容器C3容值。

此電路中，電容器C3兩端的初始電壓u0為0，故上式可簡(jiǎn)化為

(4)

式(4)中：τ=RC時(shí)間常數(shù)。

C3的充電電壓波形為如圖9所示。

圖9 充電電壓波形

可控硅V1的導(dǎo)通電壓根據(jù)器件手冊(cè)查得其范圍為0.62～0.8 V,取其中值0.7 V，則延時(shí)導(dǎo)通時(shí)間t為

(5)

從充電電壓波形圖和式(5)中可見(jiàn)，當(dāng)充電時(shí)間為0.154倍的τ時(shí)，電容器C3兩端的電壓u已達(dá)可控硅V1的平均導(dǎo)通電壓，此時(shí)可有效導(dǎo)通V1。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

引信的動(dòng)態(tài)發(fā)火試驗(yàn)采用155滑膛炮作為加載設(shè)備，試驗(yàn)時(shí)彈丸為惰性彈丸。測(cè)試引信設(shè)置為計(jì)時(shí)起爆模式，計(jì)時(shí)起爆時(shí)間為7 ms，引信在靶后發(fā)火作用。測(cè)試引信炮口保險(xiǎn)解除后的延時(shí)充電時(shí)間為30 ms。不同靶標(biāo)標(biāo)下的引信發(fā)火情況如表1所示。

表1 引信發(fā)火情況

表1中，序號(hào)1為引信提前發(fā)火的試驗(yàn)情況，如圖10所示，測(cè)試引信在彈丸發(fā)射后距炮口4 m位置提前發(fā)火。由于彈丸未到達(dá)目標(biāo)靶，因此試驗(yàn)未能考核到終點(diǎn)彈道時(shí)刻引信智能發(fā)火控制模塊的炸點(diǎn)控制能力。經(jīng)增加30 ms延時(shí)充電功能后，測(cè)試引信未出現(xiàn)彈道提前發(fā)火作用情況。

圖10 引信提前發(fā)火景象

序號(hào)5的彈丸速度160 m/s，落角90°，打擊1 mm厚Q235鋼板時(shí)的試驗(yàn)發(fā)火景象，如圖11所示。

圖11 160 m/s發(fā)火景象

序號(hào)6為導(dǎo)彈速度280 m/s，落角90°，打300 mm厚鋼混靶時(shí)的試驗(yàn)發(fā)火景象，如圖12所示。

圖12 280 m/s發(fā)火景象

通過(guò)對(duì)10發(fā)火炮動(dòng)態(tài)發(fā)火試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，結(jié)果表明，第1發(fā)測(cè)試引信因受后效期影響提前發(fā)火之外，經(jīng)增加延時(shí)充電功能后的其余試驗(yàn)方法可行，試驗(yàn)均取得智能發(fā)火模塊對(duì)炸點(diǎn)的考核數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

針對(duì)智能侵徹引信工程研制階段對(duì)薄弱目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)發(fā)火火炮試驗(yàn)時(shí)，因后效期的干擾影響，測(cè)試引信的慣性開(kāi)關(guān)在彈道上提前閉合引起早炸，設(shè)計(jì)了引信動(dòng)態(tài)發(fā)火測(cè)試的試驗(yàn)方案，解決了引信的炮口保險(xiǎn)和延時(shí)充電。試驗(yàn)結(jié)果表明：該方法可以保證試驗(yàn)時(shí)引信的炮口安全和彈道安全，用于對(duì)薄弱目標(biāo)的引信研制試驗(yàn)，具有工程應(yīng)用價(jià)值。