帶電磁鎖定功能的弱發(fā)射環(huán)境后坐保險

劉小崗，鄧震峰，雷軍命

(西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

單自由度彈性后坐保險(以下簡稱后坐保險)是機電引信安全系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛、最直接的保險形式。其作為識別發(fā)射環(huán)境的一道保險，機構(gòu)簡單，作用可靠，一般應(yīng)用在發(fā)射后坐過載比較大的場合[1-2]。反坦克導(dǎo)彈的發(fā)射一般采用發(fā)射發(fā)動機和續(xù)航發(fā)動機兩級發(fā)射。發(fā)射及續(xù)航過載均屬于弱發(fā)射環(huán)境，發(fā)射過載一般為幾十g，但持續(xù)時間僅在幾十毫秒左右，不便于被后坐保險利用；續(xù)航過載持續(xù)時間較長，量值一般在10g以內(nèi)。反坦克導(dǎo)彈機電引信的后坐保險大多利用續(xù)航過載解除保險。目前，大量應(yīng)用的輕型反坦克導(dǎo)彈或巡飛彈的續(xù)航過載甚至不足3g，這樣的彈道環(huán)境給引信后坐保險的設(shè)計帶來了很大的困難。文獻(xiàn)[3]提出一種可識別6g低發(fā)射過載的后坐保險機構(gòu)，但參數(shù)不易調(diào)整，適應(yīng)性不強。如果通過機構(gòu)設(shè)計來區(qū)分發(fā)射環(huán)境和勤務(wù)處理環(huán)境將使得機構(gòu)變得復(fù)雜甚至無法實現(xiàn)，可靠性更無從談起。采用其他環(huán)境的保險形式在成熟度、可靠性、體積及成本等方面均不及后坐保險。為解決弱發(fā)射環(huán)境引信后坐保險對武器平臺超低續(xù)航過載環(huán)境的識別困難，本文提出帶電磁鎖定功能的后坐保險。

1 后坐保險

1.1 后坐保險模型

反坦克導(dǎo)彈引信后坐保險一般利用導(dǎo)彈續(xù)航過載解除保險，后坐保險模型如圖1所示。在實際應(yīng)用中可在后坐保險筒側(cè)向加限位，發(fā)射程序開始時解除限位。本文僅討論后坐保險筒的動作過程，續(xù)航過載持續(xù)時間較長，量值一般在10g左右。后坐保險體積小、可靠性高，是首選的保險形式。在續(xù)航過載持續(xù)期間，后坐保險筒保持在解保位置，續(xù)航過載消失，后坐保險筒恢復(fù)原位。

圖1 后坐保險模型Fig.1 Model of setback arming device

1.2 后坐保險筒受力分析

根據(jù)使用要求，后坐保險可靠解除保險過載系數(shù)為6,可靠保險過載系數(shù)為4。后坐保險模型參數(shù)如表1所示，后坐保險筒的受力圖如圖2所示。m為保險筒質(zhì)量，彈簧質(zhì)量僅為后坐保險筒質(zhì)量的1%，并且系統(tǒng)工作在非諧振模式，彈簧的等效質(zhì)量可忽略不計。

表1 后坐保險模型參數(shù)Tab.1 Model parameter of setback arming device

圖2 后坐保險筒受力圖Fig.2 Force diagram of setback arming device

從開始至t0時刻，位移x=0，后坐力F、引信體對后坐保險筒的反作用力F1與彈簧抗力N平衡，即0≤t≤t0時，位移x=0。在t0時刻，后坐保險筒開始啟動。此時，F(xiàn)=N，

ma(t)=k(λ0+x)

(1)

(2)

當(dāng)t>t0時：

(3)

(4)

對式(4)求解即可得到位移響應(yīng)解析解。后坐保險筒位移x的解析表達(dá)式較為復(fù)雜，難以直觀看出后坐過載環(huán)境參數(shù)周期T和過載系數(shù)K1的影響規(guī)律[4]。但對于弱發(fā)射環(huán)境后坐保險來說，動作過程已限定在發(fā)射周期，主要用途不是區(qū)分跌落過載與發(fā)射過載，而是響應(yīng)最低發(fā)射過載，是解除第一道保險的基本條件。

2 帶電磁鎖定功能的后坐保險

導(dǎo)彈、巡飛彈等武器彈藥續(xù)航/巡航過載極低，傳統(tǒng)后坐保險無法適用。但在體積、質(zhì)量及可靠性等方面要求極為嚴(yán)格的情況下，后坐保險具有很大的優(yōu)勢，要優(yōu)先考慮。如果不用極低的續(xù)航過載而使用量值相對較大的發(fā)射過載是一種可行的解決辦法，但必須克服過載持續(xù)時間短的弊端。帶電磁鎖定功能的后坐保險基于單自由度彈性后坐保險，可以感應(yīng)量值相對較大的發(fā)射過載，又具備瞬時動作能力，滿足對短時較大過載利用的條件。該后坐保險在解除側(cè)向約束后為可恢復(fù)式保險，并作為副保險，保證平時及發(fā)射周期的安全。該保險同時具備對系統(tǒng)電源和環(huán)境力的邏輯識別。

帶電磁鎖定功能的后坐保險在經(jīng)典后坐保險筒的下方設(shè)置了一個圓環(huán)形的電磁鐵， 帶電磁鎖定功能的后坐保險模型見圖3，后坐保險筒的材料必須為軟磁材料。

圖3 電磁鎖定后坐保險模型Fig.3 Model of setback arming device with electromagnetic lock

平時，無過載、未通電時(參見圖3(a))，在后坐保險簧的抗力作用下，后坐保險筒處于高位保險位置；發(fā)射前給側(cè)向限位及電磁鐵線圈通電，解除限位，但此時不能影響后坐保險筒的保險狀態(tài)。發(fā)射時后坐保險筒在短時較大發(fā)射過載作用下克服后坐保險簧的抗力向下運動與鐵芯上端面接觸，電磁鐵將后坐保險筒瞬間牢靠鎖定，鎖定持續(xù)時間根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)定。

斷電后，線圈中的電勵磁消失，鐵芯無外加磁場，不再對后坐保險筒產(chǎn)生吸力，后坐保險筒在后坐保險簧抗力的作用下向上運動，恢復(fù)到初始位置，適用于失去作戰(zhàn)時機，需要恢復(fù)保險的場合。工作過程中預(yù)定過載和持續(xù)加電缺一不可。

后坐系統(tǒng)的動力學(xué)運動過程(忽略空氣阻力和摩擦阻力)如下：

(5)

式(5)中，k為彈簧系數(shù)；λ0為預(yù)壓縮量，m；x為位移，m；F為電磁吸力，kg，其余參數(shù)同式(1)。

電磁鐵鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 圓環(huán)形電磁鐵鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch map of ring electromagnet

其吸力的大小可按電磁鐵吸力公式[5]進行計算：

(6)

式(6)中，F(xiàn)為電磁吸力，kg；I為線圈電流，A；W為線圈匝數(shù)；δ為空氣氣隙長度，cm。

將式(6)代入式(5)即為后坐保險筒的位移與受力關(guān)系。

3 系統(tǒng)仿真及驗證

系統(tǒng)仿真包括質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)混合仿真。由式(6)可知，電磁吸力F在接觸瞬間才會急劇增大，系統(tǒng)可以簡化為動力學(xué)過程和接觸瞬間的磁力學(xué)過程并分別進行分析。動力學(xué)過程根據(jù)式(4)即可得到運動過程參數(shù)。本節(jié)主要進行磁力學(xué)(吸合力)仿真計算。經(jīng)典設(shè)計方法在計算電磁鐵吸合力時只考慮了線圈的電氣參數(shù)及磁隙的影響，不考慮電磁鐵結(jié)構(gòu)布局對吸合力的影響[6]。有限元計算可以基于電磁鐵的結(jié)構(gòu)關(guān)系及電氣特性對其吸合力進行分析，為電磁鐵的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

電磁吸力的基本公式為[7-8]：

(7)

式(7)中，F(xiàn)為電磁力，J/cm；B為磁感應(yīng)強度，Wb/cm2；S為磁極表面總面積，cm2；μ0為空氣磁導(dǎo)系數(shù)，為1.25×10-8H/cm。

有限元計算的核心是求得所需計算氣隙處的磁感應(yīng)強度B的分布，根據(jù)式(7)采用單元積分求和計算氣隙處的電磁力，從而求得整個保險筒所受的電磁吸力。

3.1 吸合力大小仿真計算

按設(shè)計結(jié)構(gòu)給出線圈線徑0.05 mm、匝數(shù)為1 350，線圈內(nèi)阻為260 Ω，磁筒材料為工業(yè)純鐵DT4E。利用有限元分析軟件Ansoft進行磁力學(xué)仿真計算，在求解器中定義氣隙進行變參分析,并選擇電磁力作為求解對象。圖5為電磁鎖定裝置吸力與磁氣隙的關(guān)系曲線，圖6為電磁鎖定裝置吸合力與線圈輸入電壓的關(guān)系曲線。

圖5 電磁鎖定裝置吸合力大小與磁氣隙的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between electromagnetic force and distance

從圖5可以看出，當(dāng)后坐保險筒與磁筒之間的磁氣隙為0時，20 V輸入電壓時的吸合力為10 N，30 V輸入電壓時的吸合力為13 N，大于后坐保險筒受到的極限外力6.14 N(150g近似半正弦波沖擊)，此狀態(tài)為工作狀態(tài)，在工作電壓范圍內(nèi)，吸合力滿足要求。隨著后坐保險筒與磁筒之間磁氣隙的增大，其吸合力急劇減小，在0.2 mm時，吸合力已經(jīng)很小，在1 mm時，吸合力基本為0，在后坐保險簧的作用下很快恢復(fù)至安全狀態(tài)。

圖6 電磁鎖定裝置吸合力大小與線圈輸入電壓的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between electromagnetic force and input voltage

從圖6可以看出，電磁鎖定裝置的吸合力總體隨著輸入電壓的增大而增大。20 V輸入電壓時的吸合力為10 N，有較大的余量。此后，隨著輸入電壓的增大，吸合力持續(xù)增大。

3.2 斷電后的磁吸力計算

根據(jù)后坐保險的使用要求，電磁鎖定裝置在斷電后，線圈中的電勵磁消失，鐵芯無外加磁場，不應(yīng)對后坐保險筒產(chǎn)生吸力，后坐保險筒在彈簧抗力的作用下向上運動恢復(fù)到初始位置。該要求可以確保后坐保險在總裝測試過程中不會因為加電測試產(chǎn)生的剩磁對后坐保險筒產(chǎn)生影響，同時也保證了特定場合可恢復(fù)功能的實現(xiàn)。

斷電后的磁吸力由材料的剩磁產(chǎn)生，DT4E材料的飽和剩余磁通密度為1 Gs，磁路截面積0.25 cm2， 代入式(8)[5]：

(8)

從計算結(jié)果可知，鐵芯斷電后由于剩磁產(chǎn)生的磁吸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于彈簧力，因此后坐保險在電磁鐵線圈通電后不會對后坐險筒的保險狀態(tài)產(chǎn)生影響，只有后坐保險筒與電磁鐵接觸后，才會產(chǎn)生足夠的吸合力。發(fā)射過載和正常工作電壓必須同時具備才能維持在解除保險狀態(tài)。電磁鎖定裝置在斷電后，剩磁引起的吸力不影響后坐保險筒復(fù)位。

3.3 實驗驗證分析

根據(jù)帶電磁鎖定功能的后坐保險的應(yīng)用特點，選取兩種典型的環(huán)境條件對后坐保險進行考核驗證，主要考核吸合狀態(tài)的后坐保險在彈道環(huán)境下的吸合可靠性。

1) 隨機振動過載

對后坐保險裝置(吸合狀態(tài))施加如圖7所示的隨機振動，來考核裝置的鎖定可靠性。W1=0.04g2/Hz，振動時間為軸向30 min，供電電壓20 V，以考核彈道飛行過載對吸合可靠性的影響。該條件下的峰值加速度按25g計算，抗力約為1.2 N，遠(yuǎn)小于吸合力，試驗過程中全程吸合可靠，斷電后可靠復(fù)位。

圖7 隨機振動曲線Fig.7 Random vibration curve

2) 沖擊過載

沖擊過載考核裝置在發(fā)射時可靠吸合和彈道中保持鎖定狀態(tài)的能力。在12g發(fā)射環(huán)境，脈沖持續(xù)時間50 ms。根據(jù)式(2)，代入?yún)?shù)得t0=4.63 ms。對a(t)等效處理后可以得到位移與時間的函數(shù)，K為等效過載系數(shù)。

(9)

(10)

后坐保險筒到達(dá)底部吸合位置時，x=4.5 mm，t=16 ms，總時間為20.63 ms，在50 ms脈沖持續(xù)期間可以完成吸合動作，保險筒可被過載和吸合力可靠鎖定在吸合狀態(tài)。

對后坐保險裝置(吸合狀態(tài))施加加速度峰值150g的近似半正弦波沖擊，脈沖持續(xù)時間3 ms，供電電壓20 V。在吸合位置，后坐保險筒受到的外力由兩部分組成，一個是因沖擊過載產(chǎn)生的慣性力，另一個是受到的彈簧抗力?？紤]最嚴(yán)厲方向，后坐保險筒所受的沖擊力與所受彈簧抗力方向一致，后坐保險筒所受的力F為二者之合(忽略摩擦力及彈簧等效質(zhì)量)。

F=K1mg+N

(11)

式(11)中，K1取150，其余參數(shù)同式(1)。

F=150×4×10-3×9.8+0.26=6.14 N，峰值抗力小于下限吸合力10 N。沖擊過程中吸合可靠，斷電后可靠復(fù)位。

4 結(jié)論

本文提出一種適用于弱發(fā)射環(huán)境的帶電磁鎖定功能的后坐保險，該后坐保險可實現(xiàn)對短時發(fā)射過載的識別并可靠鎖定保險筒，在持續(xù)加電及規(guī)定發(fā)射過載作用下解除保險，斷電后可恢復(fù)保險。仿真計算和沖擊、振動試驗表明，該后坐保險在給定條件下能可靠解除保險，彈道抗沖擊能力滿足使用要求。帶電磁鎖定功能的后坐保險在不增加體積的前提下，為弱發(fā)射環(huán)境彈藥平臺引信提供了可行的保險形式，拓展了后坐保險的應(yīng)用范圍。