侵徹引信半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆鵬杰，張　亞

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原　030051）

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侵徹引信半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆鵬杰，張亞

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原030051）

摘要：鑒于侵徹引信實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜多變性，設(shè)計(jì)一種半實(shí)物仿真系統(tǒng)對(duì)于引信綜合性能的評(píng)估具有積極意義。首先重點(diǎn)分析了侵徹過(guò)載數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和侵徹引信的起爆控制模塊的設(shè)計(jì)。為檢驗(yàn)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的實(shí)際工作能力，在現(xiàn)有的試驗(yàn)條件以及實(shí)現(xiàn)硬目標(biāo)侵徹引信半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，對(duì)引信的計(jì)時(shí)起爆控制模式進(jìn)行了仿真試驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：半實(shí)物仿真；侵徹引信；起爆控制模塊

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，戰(zhàn)爭(zhēng)越來(lái)越注重對(duì)敵方指揮中心、導(dǎo)彈發(fā)射場(chǎng)所等重點(diǎn)目標(biāo)的精確打擊。也正因如此，這些首要被攻擊目標(biāo)已有地上逐漸轉(zhuǎn)入地下，并且越來(lái)越隱蔽，這就對(duì)引信對(duì)地下目標(biāo)的精確打擊能力與侵徹能力提出了越來(lái)越高的要求。而要確保侵徹引信能夠在最佳位置引爆戰(zhàn)斗部，就必須考慮侵徹過(guò)載的環(huán)境因素。影響彈丸侵徹目標(biāo)介質(zhì)環(huán)境信息比較復(fù)雜，包括目標(biāo)彈目交會(huì)時(shí)的著速、著角，目標(biāo)介質(zhì)與戰(zhàn)斗部的性能參數(shù)以及作戰(zhàn)地理環(huán)境等等，都會(huì)影響彈丸的侵徹能力。人們一般通過(guò)實(shí)彈打靶的試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)侵徹引信的綜合性能，但是由于侵徹引信在實(shí)際作戰(zhàn)時(shí)受外界環(huán)境因素干擾，如果對(duì)所有可能的環(huán)境都進(jìn)行實(shí)彈打靶，既不現(xiàn)實(shí)，也不經(jīng)濟(jì)。因此實(shí)彈打靶試驗(yàn)只能針對(duì)某些特定環(huán)境，不具普遍意義。因此，設(shè)計(jì)一種半實(shí)物仿真系統(tǒng)模型來(lái)檢驗(yàn)侵徹引信的性能是十分必要的。本文設(shè)計(jì)了侵徹引信的半實(shí)物仿真系統(tǒng)模型，并通過(guò)引信的計(jì)時(shí)起爆控制模式的仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可行性。

1　半實(shí)物仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

侵徹引信的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，主要由仿真計(jì)算機(jī)，PCI總線信號(hào)模擬器和仿真引信三部分組成。

圖1　侵徹引信實(shí)驗(yàn)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

首先仿真計(jì)算機(jī)從過(guò)載曲線數(shù)據(jù)庫(kù)中把數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存中，然后通過(guò)PCI接口控制器傳送到信號(hào)模擬器的數(shù)據(jù)緩存區(qū)FIFO內(nèi)，緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)再傳送給D/A轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后，使其幅度、頻譜特征等與引信加速度計(jì)輸出特性一致。而后引信解除保險(xiǎn)狀態(tài)，啟動(dòng)起爆控制模塊,引信按裝定的起爆控制模式開(kāi)始計(jì)時(shí)或計(jì)層數(shù)。最后在侵徹引信適時(shí)起爆后，將起爆輸出信號(hào)送入示波器，示波器主要顯示彈丸碰擊目標(biāo)時(shí)的侵徹零時(shí)信號(hào)以及起爆信號(hào)。從示波器中讀出實(shí)測(cè)計(jì)時(shí)時(shí)間，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2　仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

硬目標(biāo)侵徹引信能否作用的關(guān)鍵之一就是對(duì)侵徹過(guò)載的判別。因此半實(shí)物仿真系統(tǒng)必須建立與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的侵徹過(guò)載數(shù)據(jù)庫(kù)，并設(shè)計(jì)起爆控制模塊，以保證再輸入侵徹過(guò)載數(shù)據(jù)后，引信能夠按預(yù)定方式適時(shí)起爆。

（1）過(guò)載數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。過(guò)載數(shù)據(jù)庫(kù)的建立可以為后續(xù)的仿真實(shí)驗(yàn)奠定良好的基礎(chǔ)，其包含兩方面的內(nèi)容，一種是試驗(yàn)過(guò)載數(shù)據(jù)，一種是模擬過(guò)載數(shù)據(jù)。而對(duì)于半實(shí)物仿真系統(tǒng)，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是如何得到不同初始環(huán)境下的模擬侵徹過(guò)載數(shù)據(jù)。

對(duì)于試驗(yàn)過(guò)載數(shù)據(jù)，可直接通過(guò)實(shí)彈打靶試驗(yàn)測(cè)得。鑒于實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜性與多變性，本文主要探討模擬過(guò)載數(shù)據(jù)。無(wú)論彈丸侵徹的目標(biāo)介質(zhì)為何種類型，模擬過(guò)載與試驗(yàn)過(guò)載的逼近程度，主要由侵徹過(guò)載的特性參量T決定，即最大侵徹過(guò)載Amax，過(guò)載建立時(shí)間ts，侵徹用時(shí)te。根據(jù)相似第二定理（π定理），針對(duì)彈體侵徹混凝土目標(biāo)，給出了與侵徹過(guò)載特征參量相關(guān)的依存表達(dá)式，即：

其中：L、D、ρP、σP、EP分別為彈體長(zhǎng)度、直徑以及彈體材料密度、抗壓強(qiáng)度、楊氏模量；LN為彈頭長(zhǎng)度，M為彈丸質(zhì)量，V、θ、α分別為侵撤著速、著角和攻角；ρt、σt為靶體材料密度和抗壓強(qiáng)度；g為重力加速度。

根據(jù)實(shí)測(cè)的試驗(yàn)過(guò)載數(shù)據(jù)，再結(jié)合ANSYS/LS- DYNA模擬仿真軟件，構(gòu)建合理的彈靶有限元模型和本構(gòu)關(guān)系模型，進(jìn)而得到不同侵徹著角、著速等參數(shù)時(shí)的侵徹過(guò)載曲線。如果模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大的誤差，則需要對(duì)仿真模型進(jìn)行校正。校正方法主要有模型校正和參數(shù)校正。本文采用參數(shù)校正的方法，通過(guò)調(diào)整本構(gòu)模型中的參量以及公式（1）中的各種參數(shù)，使模擬過(guò)載數(shù)據(jù)不斷逼近試驗(yàn)過(guò)載數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2　模擬過(guò)載曲線

（2）侵徹引信起爆控制模塊的設(shè)計(jì)。侵徹引信的起爆控制模塊一般有計(jì)層數(shù)/空穴、計(jì)時(shí)、計(jì)行程、目標(biāo)識(shí)別等功能。其中計(jì)層數(shù)/空穴功能指在彈丸碰擊目標(biāo)介質(zhì)后，通過(guò)加速度傳感器來(lái)感應(yīng)加速度的變化，并以此來(lái)分析彈丸的侵徹狀態(tài)，在確定其達(dá)到預(yù)定的層數(shù)或者空穴數(shù)時(shí)，輸出起爆信號(hào)。計(jì)時(shí)、計(jì)行程與目標(biāo)識(shí)別功能是指侵徹引信在達(dá)到預(yù)定的時(shí)間、行程或者識(shí)別目標(biāo)明顯特征后引爆戰(zhàn)斗部的過(guò)程。另外，侵徹引信還有自毀功能。這主要是為了在計(jì)層數(shù)/空穴、計(jì)時(shí)、計(jì)行程、目標(biāo)識(shí)別等功能失效的情況下，可以確保安全引爆戰(zhàn)斗部。

硬目標(biāo)侵徹引信起爆控制模塊由觸發(fā)開(kāi)關(guān)、信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)系統(tǒng)、編程接口和二次電源等組成,如圖3所示。其工作原理為當(dāng)彈丸與目標(biāo)介質(zhì)開(kāi)始接觸，目標(biāo)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，解除保險(xiǎn)狀態(tài)，并首先啟動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器作為延時(shí)自毀起爆，時(shí)間為100ms。與此同時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)也按照預(yù)先裝定的起爆控制模式和參數(shù)開(kāi)始工作。在判定輸入的侵徹過(guò)載信號(hào)滿足設(shè)定起爆條件后輸出起爆信號(hào)給后續(xù)的執(zhí)行級(jí)電路，適時(shí)起爆。

圖3　起爆控制模塊工作原理框圖

（3）仿真。鑒于目前的實(shí)驗(yàn)條件，這里主要對(duì)計(jì)時(shí)起爆控制模式進(jìn)行仿真研究。仿真實(shí)驗(yàn)裝定10s和15s兩種參數(shù)來(lái)對(duì)半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行可行性驗(yàn)證，見(jiàn)表1。

表1　引信計(jì)時(shí)起爆控制模塊仿真試驗(yàn)結(jié)果

從表1中可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差相對(duì)較小，在允許誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明利用半實(shí)物仿真系統(tǒng)檢驗(yàn)引信的性能是可行的。

3　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種侵徹引信的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，并對(duì)過(guò)載數(shù)據(jù)庫(kù)和侵徹引信的起爆模塊進(jìn)行了重點(diǎn)論述。對(duì)侵徹引信的計(jì)時(shí)起爆控制模式的仿真實(shí)驗(yàn)研究，表明利用半實(shí)物仿真系統(tǒng)檢驗(yàn)侵徹引信的性能是可行的。但是從仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，由于實(shí)彈試驗(yàn)過(guò)程中存在各種外界因素的干擾，使得仿真結(jié)果優(yōu)于試驗(yàn)結(jié)果，因而仍需對(duì)半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和提高。

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Design of Penetration Fuze Hardware-in-the-loop Simulation

YAN Peng-jie，ZHNG Ya
（School of mechanical and electrical engineering，North University of China，Taiyuan，Shanxi 030051，China）

Abstract：In view of the complicated and changeful actual application of penetration fuze，it is positive to design a hardware-in-the-loop simulation system to evaluate the overall performance of penetration fuze.This paper lays emphasis on analyzing the creation of penetration overload database and design of the detonation control module.To test the actual working capacity of hardware-in-the-loop simulation system，the simulation for timing detonation control model of penetration fuze is studied according to the existing experimental conditions.

Key words：hardware-in-the-loop simulation；penetration fuze；Initiation control module

作者簡(jiǎn)介：閆鵬杰（1990-），男，山西運(yùn)城人，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械電子工程。

收稿日期：2016-01-15

中圖分類號(hào)：TJ43

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）02-0035-02