隨機起爆子彈引信空氣動力保險機構設計

彭志凌,孫 健,趙河明

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

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隨機起爆子彈引信空氣動力保險機構設計

彭志凌,孫 健,趙河明

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

在有限的子彈空間內布置各引信機構是隨機起爆子彈引信設計的關鍵和難點,根據某隨機起爆子彈藥的工作要求,在研究引信工作過程的基礎上,設計了由降落傘、保險筒、尾翼、扭轉體和扭轉簧組成的空氣動力保險機構,并對扭轉簧8個參數進行了理論計算,結合工程實際,得出了扭轉體解除保險時間。結果表明,所設計的隨機起爆子彈引信空氣動力保險機構科學合理。

空氣動力保險機構;子彈引信;隨機起爆;扭轉簧

0 引言

隨機起爆子母彈藥主要用于機場跑道設障、遲滯敵方的作戰速度、清除敵方所設障礙和對敵目標實行封鎖等方面[1-3]。

不同的應用場合對此類彈藥引信工作要求不同。為了使隨機起爆時間可控的子彈群具有能適應各種場合的戰場需要，要求隨機起爆子彈藥的時間段可以按要求重新設定。因此，控制起爆時間的子彈引信是此類彈藥的核心，其性能直接決定了彈藥的效能。在引信尺寸嚴格控制的情況下，合理布置各零部組件是引信設計的關鍵和難點[2-4]。

文中通過研究隨機起爆子彈引信工作過程，根據某隨機起爆子彈藥的實際工作要求，設計了由降落傘單元、 保險筒組件、尾翼部分、扭轉體和扭轉簧等零部組件組成的隨機起爆子彈藥空氣動力保險機構。按照《引信設計手冊》對決定扭轉簧特性的八個參數進行了詳細理論計算，結合實戰情況，給出了扭轉體解除保險時間。

1 隨機起爆子彈引信工作過程

隨機起爆子彈藥倉儲和勤務過程中，必須保證絕對安全。在開倉拋撒之前，引信處于未解保狀態。拋撒后，子彈以較高的速度攻擊目標，要求有穩定裝置提供合適的空氣阻力，使子彈速度調整到預定范圍。引信工作流程如圖1所示。母彈開倉之前，無線數據接受模塊通過電磁感應原理獲得電能并對數據進行接收與存儲；子彈從母彈體中拋撒后，引信的傘蓋機構將保險桶拉出，被釋放的扭轉體旋轉，尾翼伸出，引信滑塊的第一道保險解除。碰撞目標時，滑塊剪切銷被剪斷，解除第二道保險。

2 引信空氣動力保險機構設計

空氣動力保險機構將空氣動力作為解除保險的原動力，保險解除過程如圖2所示。利用降落傘的空氣阻力將保險套筒拉出，解除對扭轉體的限制，扭轉體在扭力簧的作用下旋轉90°運動到位，滑塊的第一道保險解除，尾翼伸出。

2.1 降落傘的設計

降落傘是空氣動力保險機構的重要組成部分,它的設計主要是確定降落傘的外形與面積,降落傘在母彈中的位置如圖3所示。

隨機起爆子彈藥拋撒將進行一個非常復雜的傘-彈系統運動過程，其受力狀態、環境參數、系統外形與姿態等都不是恒量，很難建立精確的數學模型，因此在實際設計時都需要對傘-彈系統的模型進行簡化，文中進行如下假設為：不考慮系統的扭轉，降落傘的阻力與速度方向在同一直線上，忽略彈丸的空氣阻力對降落傘的影響。

圖1 引信工作流程圖

由于設計降落傘的目的是為了將保險桶可靠地拉出,因此可以先求得保證保險桶剛好被拉出時的降落傘的面積,而后再進行放大來確定最終的降落傘的面積。

圖2 空氣動力解除保險過程示意圖

同時,由于圓形傘比條形傘和十字形傘有更好的阻力效果,因此選用圓形傘。

圖3 子母彈裝配狀態示意圖

由空氣動力學的知識可知:當傘-彈系統處于穩態下降時,若其速度為v,那么該回收系統的阻力為:

F=0.5×ρ×v2×(CDS)

(1)

式中:F為降落傘的阻力;ρ為流體密度;(CDS)為降落傘阻力特征;CD為傘的阻力系數;S為傘衣的阻力面積。

由于保險桶的質量為m=0.02 kg,摩擦阻力為f=1.96 N,則:

F=mg+f=20×10-3×9.8+1.96=2.16 N

又因為v=200 m/s(這是取最小,而實際要遠高于此值),ρ=1.1 kg/m3,CD=0.8,則可以求得:

這是保證保險桶能否分離的最小極限值,為了保證在較短時間將保險桶可靠的拉出,取S=1.0×10-2m2。

2.2 保險筒的設計

保險筒的外徑與彈體相同,高度為16 mm,壁厚1 mm,頂部與降落傘相連接。保險筒的作用是通過約束尾翼的運動來限制扭轉體的轉動。當子彈被拋散以后利用降落傘的空氣動力將其拉出來。裝配時的狀態如圖4與圖5所示。

圖4 整體裝配圖

2.3 尾翼扭轉體的設計[4-7]

為了使子彈垂直落向目標,采用了3個穩定翼片,相互成120°均勻分布于引信體周圍。尾翼厚度為1 mm,寬度4 mm,扭轉到位時伸出長度為10 mm。在保險狀態時如圖6所示,3個尾翼旋入引信體內;當保險套筒被拉出后,3個尾翼在扭力簧的作用下旋出時的狀態如圖7所示。

圖5 保險筒

圖6 尾翼未解除保險狀態

圖7 尾翼解除保險狀態

扭轉體有兩個作用,一方面將尾翼伸出,另一方面作為保險件。當扭轉體轉過90°后其缺省平面與滑塊側面平行,進而解除對滑塊的限制。如圖8與圖9所示,分別是未解除保險與解除保險后的狀態。

圖8 滑塊未解除保險狀態

圖9 滑塊解除保險狀態

2.4 扭轉簧的設計

扭轉簧是引信中的儲能部件,它的作用是:在扭轉體的約束解除以后,驅動其轉動到位,使尾翼伸出,同時解除對滑塊的第一道保險。在轉動到位后,扭轉簧還要保持有一定的扭轉力矩,防止扭轉體恢復[8-10]。

根據《引信設計手冊》中扭轉彈簧的設計原則,設計過程如下:

1)已知扭力簧的初始參數如下:

a)最小扭矩M1=(1.0±0.2) kg·mm;

b)最小扭角φ1=90°;

c)最大扭矩M2=(2.0±0.4) kg·mm;

d)最小扭角φ2=180°;

e)芯桿最大直徑D0=4.50 mm;

f)最大自由高度hmax≤4 mm;

g)最大外徑D2≤8 mm;

h)工作扭角φ=φ2-φ1=180°-90°=90°。

2)初定扭力簧的中徑為:

D=D0+1.5=6 mm

3)依據《引信設計手冊》中扭簧的設計方法,并根據扭簧自由高度、穩定性、最大外徑、最小內徑等綜合考慮,所設計扭簧的彈簧絲直徑d=0.6+0.02mm,扭簧圈數n=4.5,扭簧中徑公差ΔD=0.5 mm,各圈之間的間距為0.2 mm。

4)扭簧中徑縮小量為:

上式算出的δ是中徑的平均縮小量,為防止工作時扭簧卡緊芯桿,取δ=1.5 mm。

依據《引信設計手冊》中扭簧中徑的計算公式可得:

5)扭簧的最大外徑:

扭簧的最小內徑:

最大自由高度:

hmax=ntmax+dmax=3.76 mm

6)驗算扭矩M1和M2

已知特殊用途碳素鋼絲的E=2.1×104kg/mm2,則:

以上計算結果與設計條件基本相符。

7)強度校核

則此扭簧在最大載荷下的彎曲應力為:

所以:σmax=(1+0.204)σ=236 kg/mm2

材料采用甲組的特殊用途碳素彈簧鋼絲,其σb=285～315 kg/mm2,則:

[σ]=0.81σb=243 kg/mm2

σmax<[σ]滿足要求。

綜上可知,此引信扭轉彈簧的參數確定為:

a)最小扭矩M1=(1.0±0.2) kg·mm;

b)最小扭角φ1=90°;

c)最大扭矩M2=(2.0±0.4) kg·mm

d)最小扭角φ2=180°;

e)最小內徑D1=6 mm;

g)最大外徑D2=7.56mm;

h)扭簧圈數n=4.5圈。

3 扭轉體解除保險時間計算

扭轉體解除保險的時間是指從保險筒被拉出后到尾翼完全伸出所需要的時間。在只考慮滑塊壓力影響因素時扭轉體的運動方程為:

(2)

其中:J0為扭轉體組合件對其轉軸的轉動慣量,這里取轉動到位時的最大值為3.197kg/mm2;β0為扭簧的預扭轉角度,取180°;β為轉子的扭轉角度,初始值為0°,轉正到位時為90°;M為扭簧的扭轉剛度6.248N·mm/π;f1為滑塊與扭轉體軸的動摩擦系數,為0.17;f2為扭轉體軸與引信體的動摩擦系數,為0.15;N1為滑塊對扭轉體軸的正壓力,為7.39N;N2為引信體對扭轉體軸的正壓力,為7.39N。r為扭轉體半徑,為1.5mm。

代入數據,解上述扭轉體的運動方程可得扭轉體在理想條件下轉正到位所用時間為25.4ms。

4 結論

文中通過研究隨機起爆子彈引信工作過程,根據某隨機起爆子彈藥的實際工作要求,設計了由降落傘單元、保險筒組件、尾翼、扭轉體和扭轉簧組成的隨機起爆子彈藥空氣動力保險機構。按照《引信設計手冊》對對決定扭轉簧特性的8個參數進行了詳細的理論計算,結合實戰情況,給出了扭轉體解除保險時間。結果表明,所設計的空氣動力保險機構性能特性符合隨機起爆子彈引信實戰需求。

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Design of Aerodynamic Insurance Components of Random Detonating Fuze

PENG Zhiling,SUN Jian,ZHAO Heming

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051)

Allocation of fuze mechanism in limited space is key and difficult point for design of random detonating fuze. According to work requirements of a certain random detonating submunition, working process of bomblet fuze was studied. Aerodynamic insurance mechanism composed of parachute, insurance tube, spoiler, reverse body and torsion spring was designed. Eight parameters of torsion spring were presented through rigorous theoretical. Based on engineering practice, the time when released from quarantine was given. The results show that the design of aerodynamic insurance mechanism is scientific and rational.

aerodynamic insurance mechanism; bomblet fuze; random detonation; torsion spring

2014-09-17

國家青年自然科學基金(51305409);山西省自然科學基金(2013021020-2)資助

彭志凌(1976-),男,山西興縣人,副教授,博士,研究方向:探測制導與控制技術。

TJ430.33

A