隨機(jī)起爆子母彈引信數(shù)據(jù)無(wú)線裝定系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

彭志凌,趙河明,呂海峰

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原　030051)

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隨機(jī)起爆子母彈引信數(shù)據(jù)無(wú)線裝定系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

彭志凌,趙河明,呂海峰

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原030051)

摘要:為了實(shí)現(xiàn)隨機(jī)起爆子母彈引信超近距一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)裝定,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,建立了子-母通信模型,設(shè)計(jì)了母彈發(fā)射單元、子彈引信接收與控制單元;通過(guò)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)裝定系統(tǒng)仿真和無(wú)線感應(yīng)供電與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程實(shí)驗(yàn),表明利用電磁感應(yīng)設(shè)計(jì)的隨機(jī)起爆子母彈引信數(shù)據(jù)裝定系統(tǒng)能夠完成預(yù)定的功能。

關(guān)鍵詞:子母彈引信;隨機(jī)起爆;無(wú)線數(shù)據(jù)裝定

0引言

隨機(jī)起爆時(shí)間可控的子彈引信是封鎖彈藥的控制核心,引信數(shù)據(jù)裝定技術(shù)決定彈藥的封鎖效能。文中開(kāi)展近距電磁感應(yīng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)起爆時(shí)間控制的數(shù)據(jù)裝定技術(shù)研究。

20世紀(jì)90年代后期開(kāi)始,將計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字電路和模擬電路有機(jī)結(jié)合,開(kāi)展了新一代電子時(shí)間引信和裝定器的研制,定時(shí)精度和功能得到進(jìn)一步增強(qiáng),增加了時(shí)間修正電路,進(jìn)一步提高了引信的作用精度,很大程度提高了戰(zhàn)斗力[1-2]。我國(guó)對(duì)引信中隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生技術(shù)、裝定技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)也進(jìn)行了一些有益的探討,目前在小口徑子彈藥方面還沒(méi)有相關(guān)產(chǎn)品的報(bào)道資料[3]。

按照裝定技術(shù)分類(lèi),電子時(shí)間引信有電磁感應(yīng)裝定、射頻裝定、光學(xué)感應(yīng)裝定、X射線裝定和超聲裝定等多種裝定形式[4-7]。電磁感應(yīng)裝定通過(guò)電磁、磁電變換來(lái)傳遞信號(hào),次級(jí)感應(yīng)線圈相距很近,不易受外界干擾,裝定過(guò)程較為穩(wěn)定、可靠。而且裝定頭與引信體沒(méi)有機(jī)械觸點(diǎn),可靠性高。通過(guò)感應(yīng)能量傳遞實(shí)現(xiàn)引信無(wú)能源裝定,因而在國(guó)外引信中得到了廣泛應(yīng)用[8-10]。因此文中采用電磁感應(yīng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)裝定。

1無(wú)線數(shù)據(jù)裝定系統(tǒng)工作原理

在拋撒之前,子彈存放在母彈的彈體之中,母彈引信與子彈引信之間的距離很近,其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示,所以采用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)子-母通信。發(fā)射線圈與母彈引信相聯(lián),采用細(xì)長(zhǎng)、密繞螺旋的形式,由母彈引信進(jìn)行控制;接收線圈與子彈引信相聯(lián)并受其控制。發(fā)射線圈與接收線圈之間形成的電磁場(chǎng)作為隨機(jī)起爆時(shí)間域信息的傳輸媒介,信號(hào)被加載其中并通過(guò)兩線圈的電磁感應(yīng)進(jìn)行傳輸。

圖1　子母彈原理結(jié)構(gòu)圖

初始條件下,每一枚子彈都裝定了在封鎖(也稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間域)T0內(nèi)的隨機(jī)起爆時(shí)間t0。通過(guò)外部接口可以將子彈隨機(jī)起爆時(shí)間域信息傳輸給母彈引信;母彈引信按照預(yù)先設(shè)定的程序自動(dòng)將此信息傳輸?shù)矫恳粋€(gè)子彈引信之中,實(shí)現(xiàn)了一枚母彈引信對(duì)多枚子彈引信的數(shù)據(jù)傳輸和控制。

當(dāng)?shù)贜個(gè)子彈裝定了在封鎖T0內(nèi)的隨機(jī)起爆時(shí)間為tn時(shí),當(dāng)隨機(jī)起爆時(shí)間域改變時(shí),第N個(gè)子彈在新的時(shí)間域內(nèi)的隨機(jī)起爆時(shí)間tn′可由引信中的微處理器根據(jù)下式得出。

(1)

封鎖時(shí)間的精度要求較高,標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間域T0取值較小;反之,標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間域T0取值可以大一些。在本設(shè)計(jì)之中,T0取值為10 min,N0為一個(gè)八位二進(jìn)制數(shù),取值從0到255,則封鎖時(shí)間域?yàn)?從10 min到2 550 min。當(dāng)N0為0時(shí),此彈藥一旦解除保險(xiǎn)就馬上起爆,基本無(wú)延時(shí);當(dāng)N0為255時(shí),彈藥在2 550 min內(nèi)隨機(jī)起爆。此系統(tǒng)的封鎖時(shí)間誤差為T(mén)0。

2無(wú)線數(shù)據(jù)裝定系統(tǒng)的建模分析與設(shè)計(jì)

1)建立模型的假設(shè)條件

為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程,由螺線管電磁場(chǎng)特性可做如下假設(shè):

①有限長(zhǎng)密繞螺線管可以等效為條形磁鐵;

②有限長(zhǎng)密繞螺線管內(nèi)外磁通量大小相等;

③密繞通電螺線管的外磁場(chǎng)都被限制在螺線管外壁與殼體內(nèi)壁所構(gòu)成的空腔內(nèi)。

2)通過(guò)接收線圈的磁通量

在此子母彈的空腔內(nèi),由于通電螺線管的磁力線都被限制在空腔內(nèi),空腔外部無(wú)磁場(chǎng)。

圖2　通訊系統(tǒng)截面圖

子母彈彈體截面如圖2所示,因此可以得到通過(guò)接收線圈的磁通量的通用表達(dá)式:

(2)

實(shí)驗(yàn)中所采用的參數(shù)為:螺線管半徑r0=7.5×10-3m;密閉鐵容器半徑r1=5.25×10-2m;接收線圈兩端到螺線管中心的最大與最小距離分別為S1=5.0×10-2m,S0=1.0×10-2m;銅線直徑φ銅線=2×10-5m,n=5 000匝;真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7。

利用數(shù)值積分方法的Newton-Cotes求解式(2),可得:

φ=0.032IS

設(shè)用削弱因子ξ來(lái)定量表示系統(tǒng)總體(包括建立模型本身的固有誤差、系統(tǒng)漏磁以及鐵磁殼體對(duì)磁場(chǎng)的削弱作用等)對(duì)螺線管外部磁場(chǎng)的削弱影響,則實(shí)際通過(guò)接收線圈的磁通量為:

φ′=0.032ISξ

176.8 Ω

3)接收線圈匝數(shù)的設(shè)計(jì)

感應(yīng)線圈的有效直徑為4.0×10-2m,銅線直徑φ銅線=0.2×10-4m,當(dāng)感應(yīng)線圈為700匝時(shí),代入上式可得空載電動(dòng)勢(shì)為3.12 V(峰-峰值),通過(guò)加上并聯(lián)諧振電容,接收端的電動(dòng)勢(shì)可達(dá)14.8 V(峰-峰值),根據(jù)法拉利電磁感應(yīng)定律并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)取感應(yīng)線圈的匝數(shù)為700。

2.2母彈引信發(fā)射單元設(shè)計(jì)

母彈引信發(fā)射單元的電路原理如圖3所示。當(dāng)需要改變子彈藥隨機(jī)起爆的時(shí)間閾時(shí),通過(guò)母彈引信的外部數(shù)據(jù)裝定接口將隨機(jī)起爆的時(shí)間閾信息輸入到母彈引信,母彈引信通過(guò)電磁感應(yīng)原理將信息發(fā)送給每一枚子彈引信。

圖3　母彈發(fā)射電路圖

2.3子彈引信接收與控制單元設(shè)計(jì)

隨機(jī)起爆控制電路是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立電路,在子彈藥完全解除保險(xiǎn)后才起作用。無(wú)線感應(yīng)供電與數(shù)據(jù)接收電路如圖4所示。

圖4　無(wú)線感應(yīng)供電與數(shù)據(jù)接收電路的原理圖

定時(shí)起爆電路的原理如圖5所示,其中:K1、K2、K3為控制開(kāi)關(guān);D1為可控硅,控制起爆電路是否導(dǎo)通;D2是電雷管。

圖5　定時(shí)起爆電路

此通信系統(tǒng)中,每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是一組8位的二進(jìn)制數(shù),數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間小于10 ms,單片機(jī)獲得完整的數(shù)據(jù)后將其存儲(chǔ)在內(nèi)部非易失存儲(chǔ)器之中,此過(guò)程需要15～20 ms,因此,儲(chǔ)能電容至少需要能夠保證單片機(jī)系統(tǒng)正常、可靠工作30 ms。

儲(chǔ)能電容的能量可由公式E=CU2/2來(lái)計(jì)算。通過(guò)選用不同C值的電容并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),選用220 μF的電容比較合適,因此儲(chǔ)能電容選擇220 μF的有極性電容。

此儲(chǔ)能電容所存儲(chǔ)的能量可以使接收模塊正常工作近50 ms,大于數(shù)據(jù)傳輸與裝定所需的30 ms,因此,此無(wú)線感應(yīng)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理的,選用220 μF的電容是合適的,能夠保證無(wú)線接收模塊可靠接收并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中,一個(gè)發(fā)射電路同時(shí)對(duì)3個(gè)接收電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,發(fā)射與接收線圈的相對(duì)位置如圖6所示。

圖6　發(fā)射與接收線圈的相對(duì)位置圖

本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,其中1信號(hào)是接受線圈所獲得的信號(hào),2信號(hào)是單片機(jī)將獲得的數(shù)據(jù)又反饋到輸出引腳上的信號(hào),接收信號(hào)與輸出信號(hào)有一位的延時(shí)。1信號(hào)的第一個(gè)大尖峰脈沖是單片機(jī)開(kāi)始工作時(shí)引起的震蕩,第二個(gè)脈沖是線圈接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?dòng)信號(hào),當(dāng)檢測(cè)到此信號(hào)時(shí)單片機(jī)就開(kāi)始接收數(shù)據(jù),以后8位為數(shù)據(jù)信號(hào)。

圖7　數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

在實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)行了4組信號(hào)的裝定,分別為10101010信號(hào)、01010010信號(hào)、10010010信號(hào)和01000010信號(hào),通過(guò)檢測(cè)與比較單片機(jī)的反饋輸出信號(hào)可知,所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)8位數(shù)據(jù)的裝定。

4結(jié)論

文中在分析子母彈數(shù)據(jù)裝定系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上,建立了子-母通信模型,設(shè)計(jì)了母彈發(fā)射單元、子彈引信接收與控制單元,對(duì)所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)裝定系統(tǒng)的無(wú)線感應(yīng)供電與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),能夠完成預(yù)定的功能,表明隨機(jī)子母彈引信數(shù)據(jù)技術(shù)合理。

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*收稿日期:2015-01-31

基金項(xiàng)目:山西省自然科學(xué)基金(2013021020-2)資助

作者簡(jiǎn)介:彭志凌(1976-),男,山西太原人,副教授,博士,研究方向:探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)。

中圖分類(lèi)號(hào):TJ430.33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

Design of Data Wireless Setting System for Random Detonation Fuze

PENG Zhiling,ZHAO Heming,LYU Haifeng

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

Abstract:In order to realize random initiation of cluster ammunition fuze of point-to-multipoint in ultra-short distance data setting, according to the principle of electromagnetic induction, a sub-master communication model was established and projectilelaunching unit and the receiving and control unit of submunition fuze were designed. Through simulation of wireless data setting system and experiment of wireless inductive power supply and wireless data transmission process, it is shown that the data setting system of random priming cluster ammunition fuze designed through electromagnetic induction can accomplish the intended function.

Keywords:cluster ammunition fuze; random initiation; wireless data setting