云爆戰斗部二次起爆引信抗干擾方法

施長軍,丁 剛,郭 莎,李公法,王世英,宋玉江

(西安近代化學研究所,西安 710065)

?

云爆戰斗部二次起爆引信抗干擾方法

施長軍,丁 剛,郭 莎,李公法,王世英,宋玉江

(西安近代化學研究所,西安 710065)

針對云爆戰斗部二次起爆引信靜爆試驗過程中起爆時間偏差較大的問題,采取提高電路穩壓可靠性、增加電纜傳輸線切斷功能及優化電路板布線設計等抗干擾方法,提高了二次起爆引信抗干擾能力,并通過引信系統時序試驗、靜爆試驗驗證,結果表明:能夠抑制一次起爆所產生的沖擊、燃料及爆轟產物疊加產生的復雜場的干擾,解決了時間偏差較大的問題,延時引信時間準確,抗干擾方法有效,提高了起爆引信的作用可靠性。

云爆戰斗部;高精度二次起爆引信;抗爆轟干擾

0 引言

云爆戰斗部是一種區別于凝聚相炸藥爆轟的新式戰斗部,屬于燃料空氣炸彈(fuel air explosive,FAE)的一種,其作用原理是將云爆彈投送到目標上空一定高度處,二次起爆引信被拋出,延時一定時間后,中心拋撒裝藥起爆,燃料被拋到空中,在拋撒過程中,燃料迅速彌散成霧狀小液滴并與周圍空氣充分混合,形成由揮發性氣體、液體或懸浮固體顆粒物組成的氣溶膠狀云團,再利用二次起爆引信實施延時強起爆,使其發生云霧爆轟[1-3]。云爆戰斗部的威力與二次起爆時間呈拋物線關系,起爆云霧過早,由于云霧還未來得及散開或與空氣中的氧氣混合不夠充分,可能發生云霧竄火,影響爆炸的威力;起爆云霧過遲,由于云霧在重力作用下開始落到地面,也影響爆炸威力[4],因此,高精度的二次起爆延期引信是云爆戰斗部充分發揮作用的必要條件,二次起爆延時幾百毫秒,精度1%[5-6]。戰斗部試驗過程中發現,在拋撒裝藥爆轟、燃料拋撒到空氣中并在空氣中彌散的過程中,高精度的二次起爆引信會受到沖擊波和靜電干擾,出現引信瞎火或起爆時間偏差大。查閱國內外關于高精度延時起爆引信大量資料,未見高精度的延時引信抗爆轟和靜電干擾方法報道。文中針對云爆戰斗部試驗過程中二次起爆引信出現的干擾失效問題,提出了抗干擾方法,并進行了相關試驗驗證。

1 二次起爆引信

1.1 組成及優點

云爆戰斗部二次起爆引信為延期引信,采用成熟的電作動器剛性保險技術和電子定時起爆技術,由電子部件、爆炸序列、滑塊隔爆機構、短路及接電機構、冗余保險裝置等組成。高精度延時起爆引信具有操作簡單、安全性可靠性高及延時精度高的優點。功能框圖如圖1所示。

1.2 工作原理

云爆戰斗部試驗過程中,安裝引信之前先手動解除引信的第一道保險解除。手動接通外接電源,同時電平轉換電路、單片機和供電保持電路開始工作,解除保險執行電路通電。當發出第二道解除保險指令時,引信的第二道電保險解除,引信處于待發狀態。

圖1 二次起爆引信組成框圖

當遠程控制程序發出起爆指令時,單片機計時開始,計時電路開始工作。引信按照時序啟動起爆電路,電雷管爆炸,依次引爆導爆管、傳爆管和戰斗部裝藥。如果發出起爆指令后引信未能正常起爆,引信起爆電路同時具有電發火能量耗散特性,即在起爆信號后的30 min之內,耗散掉電發火能量。

2 二次起爆引信干擾分析

云爆戰斗部引信系統由點火引信、拋撒引信及二次起爆引信(兩個)共4發引信組成,4發引信均為高精度延時引信,同一個計時起點,按照裝定好的時序依次作用,其中只有兩個二次起爆引信經受中心裝藥爆轟后沖擊波、燃料云團干擾,出現引信瞎火或起爆出現很大偏差問題。

經初步分析,二次起爆引信工作過程中主要受到中心拋撒裝藥爆轟產生的沖擊波,燃料散布與空氣、殼體破片摩擦產生的靜電的干擾。因此,從模擬拋撒裝藥爆轟和靜電干擾兩方面進行分析。

2.1 拋撒裝藥沖擊波干擾

在試驗過程中將拋撒引信裝配為全備引信,在拋撒引信兩路起爆的輸出端各增加5 g炸藥(聚黑-14),拋撒引信爆炸后,通過示波器監測單片機復位接口是否有干擾。拋撒引信爆炸后,通過示波器監測單片機復位接口,在復位接口上有干擾信號,模擬試驗結果如圖2所示,即由5 V掉到1 V左右,持續時間為160 μs的干擾,造成單片機復位或停機,使得引信起爆出現很大偏差。

2.2 靜電干擾

燃料散布過程中,燃料中的鋁粉與引信殼體表面產生摩擦,產生靜電,靜電干擾有可能使單片機失效,造成二次起爆引信瞎火。由于不清楚燃料中的鋁粉與二次起爆引信殼體表面摩擦產生靜電大小,所以按照GJB573A—1998中方法601靜電放電試驗的要求進行。試驗結果如表1、圖3所示。圖3中:紅色—單片機復位端(A路、B路)、藍色—A路、綠色—B路。B路單片機復位端電壓由5 V掉到2.5 V左右,造成單片機復位或停機,使得二次起爆引信出現瞎火。

圖2 單片機復位接口波形

試驗結果表明,靜電干擾超過12.5 kV對控制B路引信起爆輸出的單片機影響很大,雖然采用雙路冗余設計,但大幅降低了二次起爆引信工作的可靠性。

表1 靜電放電試驗結果

圖3 單片機復位接口波形

3 二次起爆引信抗干擾方法

在高精度延期引信設計中,抗干擾設計的基本原則是抑制干擾源,切斷干擾傳爆途徑,提高敏感器件的抗干擾性能。文中通過增強單片機復位端抗干擾能力,提高電路穩壓可靠性,增加電纜傳輸線切斷功能及優化電路板布線設計等措施提高抗干擾能力。

3.1 增強單片機復位端抗干擾能力

改進前單片機復位端通電后為5 V高電平,單片機在5 V高電平條件下可正常工作。但在故障復現試驗中,單片機復位端由于受到爆炸引信施加在電纜線上的脈沖干擾,變為低電平,脈沖寬度約160 μs,從而導致單片機復位,使得二次起爆引信起爆時間出現幾百毫秒的誤差,引信系統不能按照裝定時序正常工作。

為增強單片機復位端抗干擾能力,改進后單片機復位端采用RC網絡消除小脈沖干擾的同時增加復位芯片電路,復位芯片將單片機復位引腳強行上拉至5 V高電平,避免單片機受干擾而復位,以進一步提高復位端的抗干擾能力。

3.2 提高電路穩壓可靠性

按GJB573A—1998方法601進行了靜電放電試驗。結果表明,在放電電壓大于12.5 kV時三端穩壓器HT7350穩壓輸出電壓出現降低現象,造成引信電路工作不穩定,將HT7350更換為78L05后,再次進行靜電放電試驗,在放電電壓達到25 kV時,未出現穩壓輸出電壓降低的現象,三端穩壓器78L05穩壓輸出正常。

3.3 在分線盒中增加電纜傳輸線切斷功能

云爆戰斗部試驗過程中,在分線盒中增加單片機和繼電器。控制盒給出起爆指令后,分線盒中單片機接收起爆信號后起爆5 ms輸出控制繼電器動作信號,使繼電器分別切斷拋撒引信和點火引信的信號傳輸線和電源傳輸線,二次起爆引信不切斷,避免由于拋撒引信和點火引信作用,通過電纜影響到二次起爆引信作用可靠性,同時增加信號驅動芯片的設計,以增強信號強度,提高信號傳輸可靠性。

繼電器轉換時間約2.7 ms,為使繼電器可靠轉換,引信中單片機接收起爆指令后均延時20 ms工作,也就是引信裝定時序增加20 ms的轉換時間,引信系統裝定時序(時間間隔)不變。

3.4 優化電路板布線設計

引信改進前所使用的電路板為4層板,頂層和底層為信號層,中間兩層分別為電源正極線層和地線層;經故障復現驗證試驗,引信在爆炸瞬間有可能將電源正極線層和地線層短接,會給系統造成不可預知的影響。

因此將引信線路板改為雙面板設計,取消電路板中的電源正極線層和地線層,避免在引信爆炸瞬間出現電源正極線層和地線層短接的現象。

4 試驗驗證

針對二次起爆引信經受一次爆轟干擾引起起爆偏差較大的問題,通過文中的抗干擾方法進行優化改進后,采用隔斷干擾有效性試驗、引信系統時序試驗及云爆戰斗部靜爆試驗進行驗證。

4.1 隔斷干擾有效性驗證試驗

在隔斷干擾有效性試驗中,在拋撒引信的2個導爆管輸出端各增加5 g聚黑-14炸藥,通過示波器監測二次起爆引信電路中單片機的5 V供電端、單片機復位接口及起爆信號輸出是否會受到干擾。

圖4 供電端、復位接口及起爆信號

圖5 正常的起爆波形

試驗結果如圖4、圖5所示,其中紅線為單片機5 V供電端、綠線為單片機復位端、藍線為起爆信號輸出。二次起爆引信電路板單片機5 V供電端、單片機復位端及起爆信號輸出均正常,二次起爆引信起爆正常。試驗結果表明:電路在改進之后能夠有效隔離拋撒引信爆炸后產生的干擾信號。

4.2 引信系統時序驗證試驗

為了驗證引信電路改進后系統時序的正確性,進行了4發引信時序驗證試驗。包括點火引信、一次拋撒引信、二次起爆引信(2發),并在點火引信和一次拋撒引信的起爆輸出端各增加20 g聚黑-14炸藥,模擬引信工作過程。引信系統作用后,通過高速攝影判斷引信系統作用時序是否正確。

試驗過程及結果如圖6～圖9高速攝影照片所示。試驗結果表明:改進后的引信系統均正常解除保險、起爆,且起爆時序正確,起爆精度滿足要求,引信系統采取的改進措施有效,爆轟對引信系統的干擾問題已經解決。

4.3 云爆戰斗部靜爆試驗

為了解決云爆戰斗部試驗中引信時序問題,即戰斗部與引信動態匹配問題,進行了云爆戰斗部靜爆試驗。靜爆試驗中一次拋撒引信起爆的拋撒裝藥為幾十千克的高能炸藥,可以真實驗證改進后高精度引信抗干擾情況,試驗中通過高速攝影觀察引信工作時序。

圖6 引信系統起爆前

圖7 點火引信起爆

圖8 拋撒引信起爆

圖9 二次起爆引信起爆

云爆戰斗部靜爆試驗過程如圖10所示,通過高速照片觀察戰斗部點火、拋撒和二次起爆正常,引信系統時序滿足裝定要求,云爆戰斗部引戰動態匹配。

圖10 云爆戰斗部一次拋撒與二次起爆照片

5 結論

文中提出了高精度延期引信抗爆轟干擾的方法,該方法采取增強單片機復位端抗干擾能力,提高電路穩壓可靠性,增加電纜傳輸線切斷功能及優化電路板布線設計等綜合抗干擾措施,并且通過了隔斷干擾有效性試驗,引信系統時序驗證試驗及云爆戰斗部靜爆試驗驗證。試驗結果表明二次起爆高精度延期引信時間準確,滿足起爆精度要求,抗爆轟干擾方法有效,能夠抑制一次起爆所產生的沖擊、燃料及爆轟產物疊加產生的復雜場的干擾,提高了高精度二次起爆引信的作用可靠性。

[1] 尹建平, 王志軍. 彈藥學 [M]. 2版. 北京: 北京理工大學出版社, 2012: 411.

[2] 張鵬, 朱平安, 馬翰宇, 等. 炮射云爆戰斗部二次起爆時間的試驗研究 [J]. 火炸藥學報, 2008, 31(5): 55-58.

[3] 張鵬, 朱平安. 炮射云爆戰斗部的拋射時間數值計算與仿真 [J]. 彈箭與制導學報, 2009, 29(3): 157-160.

[4] 惠君明. FAE燃料拋撒與云霧狀態的控制 [J]. 火炸藥學報, 1999, 22(1): 10-13.

[5] 張奇, 白春華, 劉慶明, 等. 燃料拋撒過程中的相似律 [J]. 北京理工大學學報, 2000, 20(5): 651-655.

[6] 張奇, 郭彥懿, 白春華, 等. 中心藥量對燃料的拋散作用 [J]. 火炸藥學報, 2001, 24(1): 17-19.

Anti-interference Technology for Fuze of Twice-detonating FAE Warhead

SHI Changjun,DING Gang,GUO Sha,LI Gongfa,WANG Shiying,SONG Yujiang

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an 710065, China)

In view of twice-detonating fuze delay time occurred in static explosive experiment of FAE, the anti-interference methods including improving voltage stabilizing circuit reliability, increasing cable cutting off function and optimization of circuit board wiring design, etc, were used for improving anti-interference ability of twice-detonating fuze. Through delay time of fuze and static explosive experiment of FAE, the results show that anti-interference method is effective on restraining interference from first-detonating shock, fuel and detonation products, and solves the problem of time deviation. Time delay fuze is accurate, anti-interference methods are effective, these improves reliability of detonating fuze.

FAE warhead; precision twice-detonating fuze; anti-detonation interference

2016-02-22

施長軍(1978-),男,陜西戶縣人,工程師,研究方向:引戰配合以及戰斗部起爆技術。

TJ410.33

A