一種引信系統(tǒng)火工品解保通路精確計算方法

孫倩華，王俊林，高 宗，王 豐

(北京航天長征飛行器研究所，北京 100076)

0 引言

引信系統(tǒng)作為武器系統(tǒng)中彈藥毀傷的關鍵子系統(tǒng)，需完成對目標攻擊的最佳時機選擇和起爆控制[1]，除此之外，還需要根據(jù)武器系統(tǒng)的工作時序，分時引爆引信內(nèi)的保險火工品，火工品是否能正常起爆決定了引信系統(tǒng)保險能否解除，直接關系到武器系統(tǒng)作戰(zhàn)任務的成敗，因此引信系統(tǒng)火工品解保通路的理論計算和試驗驗證的方法成為引信系統(tǒng)設計中的一項重要內(nèi)容。

以往，引信系統(tǒng)火工品解保通路設計主要根據(jù)某條通路上火工品的阻值范圍及線阻，結(jié)合電池提供的電壓值范圍粗略地估算限流電阻的阻值，使起爆電流在火工品的額定范圍內(nèi)[2]。由于冗余設計在引信安全系統(tǒng)中的廣泛應用[3-4]，在工作時序上存在多個火工品在某一時間段內(nèi)同時作用的情況，會造成不同段的線阻產(chǎn)生串并聯(lián)的現(xiàn)象，以至于真實的發(fā)火電流與理論計算存在一定的偏差，從而影響引信系統(tǒng)解除保險的可靠性。針對該問題，本文通過建立引信系統(tǒng)解保通路的等效模型，表征出解保通路的各種串并聯(lián)關系，通過對模型的推導給出限流電阻與通路電流的關系，從而提出一種引信系統(tǒng)火工品解保通路電流的精確計算方法，并經(jīng)過模擬試驗和發(fā)火試驗驗證了理論計算的正確性。

1 引信系統(tǒng)解保通路組成及工作時序分析

1.1 引信系統(tǒng)解保通路組成

某引信系統(tǒng)的解保通路涉及到的單機包含供電電池、控制器和兩枚引信。供電電池為解保通路提供能源，控制器為引信提供解保信號。引信的保險機構(gòu)由兩個互相獨立的保險件組成：第一級保險件為電磁拔銷器[5]，第二級為火藥拔銷器[6]。其解保通路分為兩級，分別為電磁拔銷器通路和火藥拔銷器通路，按要求時間發(fā)出時序控制指令使兩級保險機構(gòu)作用，負載是電磁拔銷器和火藥拔銷器的腳-腳電阻。典型引信系統(tǒng)火工品解保通路從功能上由供電電池、控制器指令控制及指令分配、引信指令控制、負載五部分組成，如圖1所示。

供電電池一般為熱電池，作為引信系統(tǒng)的工作電源以及提供引爆火工品所需的能量。電池的電壓及電流根據(jù)實際負載情況來確定，控制器及引信的控制通過繼電器實現(xiàn)。兩級負載中，電磁拔銷器線圈阻值為8～10 Ω，動作電壓為15～23 V，二級為鈍感火藥拔銷器，橋絲阻值為0.8～1.2 Ω，起爆電流為5～10 A。

1.2 引信系統(tǒng)工作時序

典型引信系統(tǒng)的工作時序為系統(tǒng)感受到第一道環(huán)境力后，控制器向兩枚引信發(fā)送電磁拔銷器信號，感受到第二道環(huán)境力后向兩枚引信發(fā)送火藥拔銷器信號，之后引信先打開電磁拔銷器通路，持續(xù)一段時間后打開火藥拔銷器通路，持續(xù)一段時間后先關閉火藥拔銷器通路再關閉電磁拔銷器通路。負載的工作時序如圖2所示。

圖2 引信系統(tǒng)負載工作時序Fig.2 Working sequence

由引信系統(tǒng)的工作時序可以看出，引信的兩個火工品起爆時兩個電磁拔銷器仍處于工作狀態(tài)，此時系統(tǒng)電流最大。

2 解保通路精確計算方法

2.1 解保通路的等效模型

根據(jù)引信系統(tǒng)解保通路的基本構(gòu)成，建立解保通路的等效模型，如圖3所示。

圖3 解保通路等效模型Fig.3 The equivalent model

圖3中，R1為“電池+”到控制器的線阻，R2為“控制器+”到引信的線阻，R3為“引信+”到保險機構(gòu)的線阻，R4為限流電阻，R5為保險機構(gòu)內(nèi)阻，其中RX-1、RX-2為引信1、引信2的電磁拔銷器通路，RX-3、RX-4為引信1、引信2的火藥拔銷器通路，R′1、R′2、R′3為回線線阻。

引信系統(tǒng)的工作時序映射到圖3即分為六步：一是K1閉合，二是K2閉合，三是K1-1、K1-2閉合，四是K2-1、K2-2閉合，五是K2-1、K2-2斷開，六是K1-1、K1-2斷開。當K1-1、K1-2、K2-1、K2-2閉合時所需電流最大，圖3可變化為圖4。

圖4 簡化模型Fig.4 The simplified model

由圖4可以看出，A、B兩點處構(gòu)成典型的“Y”型電路，利用基爾霍夫定律，所有進入某節(jié)點的電流的總和等于所有離開該節(jié)點的電流的總和[7]，可以實現(xiàn)“Y”型電路向“△”型電路的轉(zhuǎn)化，如圖5所示。

圖5 “Y” 向 “△”型電路轉(zhuǎn)化示意圖Fig.5 The schematic of “Y” to “△”

“Y”型電路向“△”型電路的電阻轉(zhuǎn)化公式為

(1)

因此，圖5轉(zhuǎn)化為“△”型電路，如圖6所示。

圖6 “Y”型向“△”型電路轉(zhuǎn)化模型Fig.6 The conversion model of “Y” to “△”

根據(jù)式(1)，轉(zhuǎn)化后的電阻阻值的計算公式為

(2)

圖7 電路簡化模型Fig.7 The simplified model

圖7中，i1、i2分別為引信1電磁拔銷器、火藥拔銷器的電流，i3、i4分別為引信2電磁拔銷器、火藥拔銷器的電流，電阻阻值的計算公式為

(3)

因此，電磁拔銷器、火藥拔銷器的電流計算公式為

(4)

2.2 模型分析

由式(4)及圖3可知，電磁拔銷器、火藥拔銷器的電流可以表征為自變量R1、R2-1、R2-2、R3-1～R3-4、R4-1～R4-4、R5-1～R5-4、R′1、R′2、R′3的函數(shù)，以單一自變量增加1%，計算火藥拔銷器通路電流的變化情況來研究各參數(shù)的權重，計算結(jié)果見表1。

表1 自變量權重Tab.1 The weight of arguments

由表1可以看出，R4-3火藥拔銷器限流電阻和R5-3火藥拔銷器內(nèi)阻的權重最大，而線阻的阻值相對較小因此權重較低。

2.3 解保通路的設計

引信系統(tǒng)解保通路的設計，主要考量解保通路的電流是否在火藥拔銷器的電流范圍。由圖3可知，電池的電壓由熱電池本身特性決定，線阻在設計完成后即是固定的，其阻值較小。電磁拔銷器、火藥拔銷器的阻值也由產(chǎn)品本身特性決定，因此，解保通路的設計主要是針對火藥拔銷器限流電阻的阻值，即在確定限流電阻阻值時，確保在極限條件下火藥拔銷器的電流在正常工作范圍內(nèi)。

以某引信系統(tǒng)為例，供電電池電壓U為(28±4) V，電磁拔銷器阻值R5-1、R5-2為(9±1) Ω，電磁拔銷器限流電阻為(5.1±0.255) Ω，火藥拔銷器阻值R5-3、R5-4為(1±0.2) Ω。不考慮線阻的微小變化，線阻R1、R′1為0.1 Ω，R2-1、R2-2為0.21 Ω，R3-1、R3-2、R3-3、R3-4為0.08 Ω，R′2、R′3為0.29 Ω。由式(4)可知，在電池電壓最小、電磁拔銷器及其限流電阻取最小值、火藥拔銷器及其限流電阻取最大值時，火藥拔銷器的電流最小，火藥拔銷器電流為5 A時的限流電阻為2.2 Ω；在電池電壓最大、電磁拔銷器及其限流電阻取最大值、火藥拔銷器及其限流電阻取最小值時，火藥拔銷器的電流最大，火藥拔銷器電流為10 A時的限流電阻最小為1.1 Ω。通常，為兼顧可靠起爆和降低電池功耗的考慮，火藥拔銷器的電流應控制在5～8 A，此時限流電阻為1.9～2.2 Ω，因此，限流電阻設計值取2.0 Ω，此時火藥拔銷器的電流范圍為5.29～7.72 A。

2.4 可靠性分析

火藥拔銷器內(nèi)部火藥作用的可靠性以及機構(gòu)動作的可靠性相對較高，其綜合作用可靠性很大程度上取決于火藥拔銷器的通路電流能否使橋絲正常作用，因此火藥拔銷器通路電流設計，也就是限流電阻的設計對火藥拔銷器作用乃至引信解?？煽啃灾陵P重要。

采用傳統(tǒng)方法，根據(jù)火工品的阻值及線阻粗略地估算限流電阻的阻值，算法如下：

(5)

若要將該引信系統(tǒng)火藥拔銷器電流控制在5～8 A之間，利用式(5)計算可得限流電阻阻值為2.5～2.9 Ω，限流電阻通常取2.7 Ω。

按此限流電阻，用本文的方法即式(4)進行計算：當供電電壓取下限24 V，電磁拔銷器、火藥拔銷器阻值取上限時，火藥拔銷器通路電流最小，電流值為4.55 A；當供電電壓取上限32 V，電磁拔銷器、火藥拔銷器阻值取下限時，火藥拔銷器通路電流最大，電流值為6.55 A。由此可以看出，火藥拔銷器的下限電流4.55 A小于可靠發(fā)火電流下限5 A，存在火藥拔銷器不能正常作用的風險。

綜上所述，采用本文所述的方法計算出的火工品限流電阻的阻值，相比傳統(tǒng)方法更加精確、合理，可以提高引信系統(tǒng)解保的可靠性。

3 試驗驗證

3.1 模擬試驗驗證

由于火工品為一次性作用產(chǎn)品，風險高、費用大，并且短時間內(nèi)無法進行多次試驗。為了驗證設計方法的正確性，通常在正式發(fā)火試驗前進行模擬試驗。模擬試驗采用30 A直流穩(wěn)壓電源模擬控制電池，采用1 Ω、50 W的火工品電阻代替火藥拔銷器，利用VisionMR6000型存儲記錄儀以及3273型鉗形探頭對電流進行實時監(jiān)測，存儲記錄儀采樣頻率設置為200 kHz，可以滿足快速準確測量瞬態(tài)電流的需求，測試方案如圖8所示。

圖8 模擬試驗示意圖Fig.8 The simulation test

模擬試驗的各個電阻實測值如表2所示，測試結(jié)果如表3所示。由表3可知，模擬試驗測試結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致，滿足火工品起爆電流要求的同時確保系統(tǒng)電流不超過20 A的指標，由此可知，引信系統(tǒng)火工品解保通路的設計合理。

表2 模擬試驗阻值Tab.2 The value of resistance in the simulation test

表3 模擬試驗測試結(jié)果Tab.3 The results of the simulation test

3.2 發(fā)火試驗驗證

正式發(fā)火試驗時，采用熱電池供電，引信安保機構(gòu)與全備引信保持一致，傳爆序列用惰性物代替，按照彈上工作時序控制火工品起爆，在控制器與引信連接電纜處進行電流監(jiān)測?，F(xiàn)場實測電阻如表4所示，其中火工品阻值為彈上實測數(shù)據(jù)[8-10]，電流測試結(jié)果如表5所示，理論計算結(jié)果與實測結(jié)果能夠很好地吻合。

表4 發(fā)火試驗阻值Tab.4 The value of resistance in the explosive initiator test

表5 發(fā)火試驗測試結(jié)果Tab.5 The results of the simulation test

4 結(jié)論

引信系統(tǒng)解保通路是影響彈藥安全性與可靠性的重要因素之一。本文針對以往粗略設計的不足，以典型引信系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合引信系統(tǒng)的組成及工作時序，建立解保通路的等效模型，通過對模型的簡化推導出限流電阻與通路電流的關系式，從而給出一種引信系統(tǒng)火工品保險通路的精確計算方法。通過模擬試驗和發(fā)火試驗驗證了理論計算的正確性，為引信系統(tǒng)解保通路的工程設計提供了參考，提高了引信系統(tǒng)解保的可靠性。