引信體外射頻電源供電控制方法

常　悅，李　杰，周曉東

(1.北京理工大學機電學院，北京 100081；2.解放軍63961部隊，北京 100012；

3.軍械工程學院彈藥工程系，河北 石家莊 050003)

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引信體外射頻電源供電控制方法

常悅1，2，李杰1，周曉東3

(1.北京理工大學機電學院，北京 100081；2.解放軍63961部隊，北京 100012；

3.軍械工程學院彈藥工程系，河北 石家莊 050003)

摘要:針對引信體外射頻電源的供電控制問題，提出了基于發射后坐過載傳感器的引信體外射頻電源供電控制方法。該方法采用后坐過載傳感器，通過彈簧約束切刀并在后坐過載作用下切斷導體的方式識別發射環境，并控制供電電路通斷，實現引信體外射頻電源在出炮口附近對發火控制與起爆電路供電；在引信裝定時檢測傳感器導體的通斷，提高引信體外射頻電源供電安全性。原理樣機驗證試驗結果表明，該方法能夠控制引信體外射頻電源僅在出炮口附近對發火控制與起爆電路供電，發射過載傳感器與上電控制電路簡單、易于小型化。

關鍵詞:引信；體外射頻電源；供電控制；電磁感應裝定

0引言

為提高小口徑武器系統作戰效能，小口徑彈藥引信向可編程、電子化、靈巧化方向迅速發展，迫切需要小型化、快激活、激活時間散布小的引信電源。

基于電磁感應裝定的引信體外射頻供電技術為小口徑引信提供了一種新型電源系統[1-2]。引信體外射頻電源屬于內儲能，在發射前通過裝定器為其感應儲電；而引信發火控制與起爆電路需在發射后啟動，即引信體外射頻電源必須在發射后才可為引信發火控制與起爆電路供電，否則存在安全性隱患[3]。因此，供電控制是引信體外射頻電源的關鍵技術。但是，目前引信體外射頻電源技術研究主要側重于提高儲能電容充電效率或工作效率，而未涉及上電控制[4-6]。本文針對此問題，提出了基于發射后坐過載傳感器的引信體外射頻電源上電控制方法。

1引信體外射頻電源

如圖1所示，發射前，裝定器通過DC/AC逆變電路，將直流電源逆變為高頻交流電，并驅動裝定感應線圈。根據電磁感應原理，引信感應線圈端產生感應電動勢，經整流后感應能量儲存至儲能電容。發射后，供電控制電路在發射環境激勵作用下啟動，儲能電容與引信工作電路導通，經穩壓電路(DC/DC或LDO)后，為引信電路供電，包括發火控制系統的工作電能和第一級火工品的起爆能量。

圖1　引信體外射頻技術的工作原理Fig. 1　Schematic diagram of the fuze externally RF power

電源和裝定模塊均是現代電子引信不可或缺的功能部件，且引信體外射頻電源與感應裝定系統均利用線圈間的電磁耦合實現能量和信息的非接觸傳輸，因此，兩者構成了一個密不可分的整體，稱為引信體外射頻電源與感應裝定系統，其結構如圖2所示。

圖2　引信體外射頻電源與感應裝定系統的原理圖Fig.2　Configuration of fuze inductive setting and externally RF power system

裝定過程中，儲能電路充電，并通過裝定穩壓電路為引信裝定電路供電；引信裝定電路上電后，接收和存儲裝定數據，并向裝定器反饋裝定結果；但釋放機構處于斷路狀態。發射后，供電控制電路在發射環境激勵作用下導通，儲能電路經供電控制電路、穩壓電路為引信發火控制與起爆電路供電；引信發火控制與起爆電路讀取引信裝定電路的裝定數據，并根據裝定數據選擇作用模式和起爆時間，適時起爆戰斗部。

2供電控制電路

2.1工作原理

引信體外射頻電源供電控制電路是利用發射環境信息控制儲能電容釋放電能時機的開關控制系統。如圖3所示，發射環境傳感器感知特定的環境信息，將其轉換為電信號，控制器提取該電信號的特征值，并根據預定條件輸出控制信號，驅動執行器，使儲能電容和穩壓電路導通。如引信發火控制系統和引信起爆電路需分別上電時，則采用時序控制和并行執行器方式。

圖3　供電控制電路工作原理圖Fig.3　Schematic diagram of the fuze externally RF power supply control circuit

2.2發射環境傳感器

為保證引信安全性，引信發火控制與起爆電路必須在發射后才可上電工作；另一方面，引信發火控制與起爆電路通常以其上電啟動時刻作為計時起點。因此，為提高引信安全性和炸點控制精度，引信體外射頻電源的最佳供電時機是出炮口瞬間。則發射環境傳感器應以內彈道獨有的環境或者環境激勵水平作為輸入信號，通常包括發射后坐過載、離心力、火藥燃氣壓力等。但離心力只存在于旋轉穩定彈，而利用火藥燃氣壓力需在彈體尾部開孔，降低了儲存可靠性。

勤務處理過程中，除跌落與撞擊產生的慣性力Fq外，其他的慣性力遠小于發射后坐力Fs，而Fq持續時間Tq遠小于發射后坐力Ts的持續時間[7]。因此，本文以后坐發射過載作為供電控制機構系統的環境激勵。

后坐發射過載環境傳感器的工作原理及實物圖如圖4所示。勤務處理過程中，切刀在彈簧抗力的作用下限制在預定位置，與導體不接觸，AB端短路；發射過程中，當發射過載大于彈簧抗力，切刀迅速后坐，切斷導體；出炮口后，發射過載消失，切刀上移復位，AB端斷路。

設m為切刀質量；K為彈簧剛度；λ0為彈簧的預壓變形量；g為重力加速度；Kx表示引信的后坐沖擊過載系數；l為切刀的最大行程。由動力學方程可知

(1)

則

x=A(1-cosωt)

(2)

其中

(3)

(4)

在后坐力作用下，切刀最大行程對應的時間

(5)

要保證勤務處理安全，由式(2)、式(5)可知

Fq=Kxmg

(6)

且

(7)

同理，要保證發射過程中可靠切斷導體，有

Fs=K1mg>K(λ0+l)+Pt

(8)

且

(9)

式中K1為引信發射最大后坐過載系數，Pt為導體剪切力。

由式(5)—式(9)可知，在Fq、Fs(K1)一定時，傳感器可通過調整彈簧剛度K和壓縮行程l，亦可適當調整切刀質量m和導體剪切力Pt，識別發射環境。

2.3電路實現

基于發射后坐過載環境傳感器的引信體外射頻電源供電控制電路的工作原理如圖5所示。儲能電容C1等效于引信體外射頻電源，發射前，通過裝定器充電；C2為引信電路儲能電容，VOUT經DC/DC轉換后，為引信電路提供工作電壓；U1為發射后坐過載環境傳感器。發射前U1短路，PMOS管Q1的柵、源端電壓VGS為0，Q1漏極和源極關斷，則VIN和VOUT間斷路。在發射后坐載荷作用下，U1斷開，VGS為VIN經R2、R3反向分壓，Q1漏極和源極導通，VIN經D1、Q1和R1為C2充電。

圖5　基于發射后坐過載環境傳感器的供電控制電路Fig.5　Supply control circuit of fuze externally RF power based on firing recoil acceleration sensor

2.4供電控制電路安全控制邏輯

由圖5所示可知，當U1導通時，VGS=VIN；反之VGS≈0.66VIN，因此檢測VGS幅值大小可以檢測U1的狀態。

根據引信體外射頻電源工作原理可知，只要U1斷路，VIN與VOUT導通，引信工作電路即上電工作。因此，為提高引信安全性，避免發射前引信電路上電啟動，應在發射前對U1狀態進行檢查，如圖6所示，發射前，完成裝定后檢測VGS幅值大小，如VGS不等于VIN，則判定發射后坐過載環境傳感器故障，引信轉入絕火狀態；如VGS等于VIN，則發射前發射后坐過載環境傳感器處于正常的短路狀態，當發射過載使其斷開后，引信發火控制電路上電工作，根據裝定數據選擇作用模式和起爆時間，適時起爆戰斗部。

圖6　供電控制電路安全控制邏輯Fig.6　Logic diagram of safety control with fuze externally RF power supply control circuit

3驗證試驗

根據上述引信體外射頻電源供電控制原理，以某榴彈發射器預制破片彈為應用平臺，設計了基于引信體外射頻電源的電子時間引信和引信感應裝定器的原理樣機，分別如圖7、圖8所示。引信電路由起爆電路、引信體外射頻電源和發火控制電路等三層電路組成。該樣機采用手工感應裝定方式，彈藥裝填前，通過裝定器為引信裝定起爆時間，并對引信體外射頻電源層的儲能電容感應充電。發射后，發射后坐過載傳感器在后坐過載的作用下，處于斷路狀態，儲能電容與發火控制電路、起爆電路導通，為其供電。

儲能電容由3個100 μF/25 V鉭電容并聯組成，裝定起爆時間2.7 s。利用馬希特錘模擬發射環境，測試波形如圖9和圖10所示，其中圖9為引信體外射頻電源充電階段的放大波形，圖10為引信體外射頻電源供電階段的放大波形，信號從上而下分別對應為起爆信號、儲能電容端電壓波形和后坐過載傳感器端電壓(即供電控制信號)。

圖7　應用體外射頻電源的引信原理樣機Fig.7　Photo of fuze prototype with externally RF power

圖8　引信感應裝定器原理樣機Fig.8　Photo of fuze inductive setter prototype

圖9　引信體外射頻電源充電階段信號波形Fig.9　Signal during the externally RF power charging

圖10　引信體外射頻電源供電階段信號波形Fig.10　Signal after the externally RF power activated

由圖9可知，信息裝定過程中，同步完成了能量裝定，儲能電容充電，710 ms處充到最大電壓12 V，即引信體外射頻電源充電階段。引信與裝定器分離后，由于供電控制電路的隔離作用，引信發火控制電路和起爆電路未上電工作。

由圖10可知，當后坐過載傳感器在后坐過載作用下斷開，端電壓從3 V降至0 V附近時，引信發火控制電路和起爆電路上電工作，計時器啟動，計時2.7 s后輸出起爆信號。

4結論

本文提出了基于發射后坐過載傳感器的引信體外射頻電源供電控制方法。該方法采用后坐過載傳感器，通過彈簧約束切刀并在后坐過載作用下切斷導體的方式識別發射環境，并控制供電電路通斷，實現引信體外射頻電源在出炮口附近對發火控制與起爆電路供電；在引信裝定時檢測傳感器導體的通斷，提高引信體外射頻電源供電安全性。原理樣機驗證試驗結果表明，該方法能夠控制引信體外射頻電源僅在出炮口附近對發火控制與起爆電路供電，從而解決了引信體外射頻電源的供電控制問題；發射過載傳感器與上電控制電路簡單、易于小型化。但該方法僅利用發射后坐過載作為控制激勵，為提高引信安全性，應進一步研究利用多種發射環境激勵的引信體外射頻電源上電復合控制方法。

參考文獻:

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[7]GJB/Z 135-2002引信工程設計手冊[S].北京：總裝備部軍標出版發行部，2002.

Externally RF Power Supply Control Technology for Fuze

CHANG Yue1,2, LI Jie1, ZHOU Xiaodong3

(1.School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China;2.No.63961 Unit of PLA, Beijing 100012, China; 3.Ammunition Engineering Department,Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract:To control the power supply of the externally RF power for fuze, the supply control method of the externally RF power for fuze based on the launch recoil overload sensor was proposed. The launch recoil overload sensor could distinguish the difference environment between ammunition service and ammunition launch, and generated the control signal to switch on the circuit of power supply of the externally RF power, when the cutter cut off the wire by the pull of recoil, which was hold upper by spring. To avoid false detonation, the state of wire was checked during fuze setting, and the control and detonate circuit of fuze became short-circuit if the wire was broken before launch. The prototype test results showed that the externally RF power was discharged and the control and detonate circuit of fuze begins to start-up just during muzzle with the supply control method. The sensor and control circuit had advantages of simple and easily miniaturization.

Key words:fuze；fuze externally RF power；supply control；inductive setting

中圖分類號:TJ430.1

文獻標志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)01-0024-04

作者簡介:常悅(1980—)，女，遼寧錦州人，博士研究生，研究方向： 引信和戰斗部總體技術。E-mail:Changyue@sina.com。

*收稿日期:2015-11-03