提高引信延期起爆可靠性的傳感器弱防護方法

張 康，李文龍，張海濤，李朝陽

(西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

提高引信延期起爆可靠性的傳感器弱防護方法

張 康，李文龍，張海濤，李朝陽

(西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

針對戰斗部的艙罩影響引信延期起爆可靠性的問題，提出了提高引信延期起爆可靠性的傳感器弱防護方法。該方法是在引信結構設計時把傳感器與電路分級防護，特意不消減應力波對傳感器的影響，傳感器弱防護使其感知加速度因加速度真值與應力波擾動復合而增大，用于確定延期起點的預設加速度閾值、時間窗、占比等特征更顯著，從而提高了引信延期起爆可靠性。仿真及試驗結果表明：傳感器與電路分級防護后，電路抗沖擊性能不變，用于確定延期起點的加速度特征更清晰，實現引信延期起爆可靠性的提高。

引信；延期起爆；延期起點；傳感器；防護

0 引言

現代戰爭中，打擊機庫、艦船、地下指揮中心一般使用高價值精確制導彈藥，為保證起爆可靠性，引信一般采取冗余發火設計，除了卸載起爆、計層起爆等外，還設置固定延期起爆。但是導彈戰斗部前面一般還有制導艙等，艙罩相對薄弱，影響延期的延期精度和延期起點確定的快速性，對延期起爆的炸點精度和目標的毀傷效果造成影響。

引信在彈體的安裝位置、傳感器的安裝位置及防護形式不同，測試到的彈體過載特征有很大不同。文獻[1]研究了侵徹過載測量裝置在彈體軸向安裝位置對測量結果的影響。彈載測量裝置安裝在彈體的重心部位時，所測得的加速度變化較小。越靠近彈體頭部，所測得的過載越大，越靠近彈體底部，過載擾動越大。文獻[2]研究傳感器安裝位置對高應變打樁監測結果影響，指出傳感器安裝在不同位置時，由于應力波的影響，監測結果差異很大。綜上文獻，可以看出傳感器安裝在不同位置，所測試到的過載特性也不同，加速度信號中所含的應力波成分也不同。文獻[3]提出一種基于加速度傳感器和MEMS開關信號卷積加權融合的計層算法，消除應力波等干擾影響造成分層特性不明顯或信號異常帶來的計層誤差，以提高對多層硬目標的識別能力。針對戰斗部的艙罩影響引信延期起爆可靠性的問題，提出了提高引信延期起爆可靠性的傳感器弱防護方法。

1 引信抗沖擊原理及現有延期起爆起點確定方法

1.1 引信抗沖擊原理

戰斗部侵徹硬目標過程中，侵徹體頭部受到強烈沖擊，沖擊沿侵徹體、炸藥、轉接盤、引信外殼傳入引信內部，引信要在這種強烈沖擊環境中生存并正常工作。抗沖擊措施應用中采取電路灌封加固防護、不同模塊之間設置機械濾波墊片、選用低密度高強度材料，使用抗沖擊的塑封元器件等措施對電路部件和傳感器進行防護[4]。傳感器與電路同級防護結構如圖1。防護原理是將電路部件和傳感器用環氧樹脂灌封到本體內，把本體底部用聚四氟乙烯上墊片和鋁合金下墊片進行防護。引信的這種抗沖擊機理是機械濾波，依靠引信內部填充的力學特性差異材料介質形成的界面，降低應力波在介質界面處傳遞效率，實現應力波反射和透射衰減，提高引信的抗沖擊能力[5-6]。

圖1 傳感器與電路同級防護結構Fig.1 Sensor circuit with the same level of protection structure

1.2 現有延期起爆確定延期起點方法

目前引信延期起爆中確定延期起點的方法主要有兩種，一種是利用機械開關，另一種是利用加速度傳感器。機械開關確定延期起點的原理是在復合戰斗部風帽內與制導艙連接處安裝一個或并聯多個機械開關結構，戰斗部首次碰靶后，機械開關瞬間擠壓破壞實現內外極閉合，判定戰斗部碰到首層硬目標，確定延期起點[7]。這種機械開關通電后相當于一個射頻天線，由于對周圍設備造成干擾，應用范圍受到限制，目前在炮彈引信中采用較多。機械開關閉合即認為碰靶，十分可靠，但只能應用在碰撞到首層硬目標場合確定延期起點。

加速度傳感器確定延期起點的原理是，戰斗部碰硬目標后，單片機以一定采樣率實時采集加速度值，利用連續實時的采集多個加速度值，計算所測量的加速度絕對值超出預設加速度閾值部分的采樣點數量與該時間窗內采樣點總數量的比值(簡稱占比)，通過占比判定侵徹體是否侵入硬目標，確定引信的延期起點。這種方法的優點是能多次利用侵徹加速度確定延期起點、識別所侵入硬目標層次和彈體出入靶狀態等。這種方法的缺點是，由于帶艙罩的戰斗部侵徹首層目標過程中伴隨著艙罩破壞，可能會因為侵入層硬目標的厚薄或強度特性存在差異，出現的延期起點延后問題，引信錯過起爆的最佳時機[7]。

1.3 傳感器與電路同級防護的副作用

單片機實時采集的侵徹加速度值由兩部分疊加而成，一部分是加速度真值，一部分是應力波擾動。加速度測量值是加速度真值與應力波擾動復合的結果，傳感器布置位置或防護型式不同，所測試到的加速度值會有很大差異。侵徹鋼筋混凝土或鋼板等硬目標，加速度真值(或感知加速度)幅度已經很高，應力波擾動使復合加速度加倍，會加重電路或機構破壞，影響引信正常工作。

引信設計時采取傳感器與電路同級防護措施如圖1。雖然這些措施在一定程度上降低了應力波對引信的危害，提高了引信的抗沖擊性能，但是也消減了部分本應該施加到傳感器上的應力波，使傳感器本應該感知的加速度幅值降低了，這對那些依靠預設加速度閾值確定延期起點的計時起爆引信產生副作用。在戰斗部遇上較薄或強度偏弱的首層硬目標時，由于所確定延期起點延后，副作用的危害更嚴重，甚至會出現侵徹體穿出目標后引信發出起爆信號，引信錯過起爆的最佳時機。

2 提高引信延期起爆可靠性的傳感器弱防護方法

2.1 傳感器與電路分級防護結構

引信結構設計時，傳感器與電路采取分級防護結構，如圖2所示。分級防護原理是將電路部件用環氧樹脂灌封到上本體內，把上本體底部用聚四氟乙烯上墊片和鋁合金下墊片進行防護，以保證電路部件的抗沖擊性能。調整傳感器的安裝位置，傳感器直接用環氧樹脂灌封到下本體內，以弱化傳感器的防護。上本體與下本體之間有合金鋼隔板。由于下本體底部沒有聚四氟乙烯上墊片和鋁合金下墊片來緩解彈體與引信間應力波的傳播，傳遞到加速度傳感器上的應力波分量會增多，從而實現了傳感器所感知的加速度增大。

圖2 傳感器與電路分級防護結構Fig.2 Sensors and circuit protection hierarchical structure

2.2 傳感器弱防護提高延期起爆可靠性的機理

傳感器的防護型式不同，所測試的加速度幅值會有很大差異。傳感器與電路分級防護后，電路防護級別沒有變化，其抗沖擊性能不變，下傳感器弱防護，其感知加速度會增大。戰斗部碰目標后，單片機以一定時間間隔T實時采集加速度值，連續采集N個數據，如果N個加速度值中有多于M個高于預設加速度閾值as時，則判定侵徹體的侵入硬目標，確定延期起點。

由于傳感器與電路分級防護后，與原來傳感器與電路同級防護方案相比，下傳感器弱防護后感知加速度由于應力波的影響而變大。碰硬目標后，在一定時間段內采集加速度，高于預設加速度閾值的部分在數量上會增多，時間窗變寬，占比增大，滿足高于預設加速度閾值條件概率同樣會增大。與傳感器與電路同級防護相比，所確定的延期起點會更早、更準，延期起爆可靠性會提高。由于下傳感器感知加速度因應力波的疊加影響，尤其是當戰斗部遇上較薄或強度偏弱的首層硬目標時，因真實侵徹加速度變小，即時預設加速度閾值仍舊保持固定不變，引信的延期起點延后的風險會降低。

3 驗證

3.1 仿真驗證

3.1.1 傳感器與電路分級防護結構沖擊仿真

參照傳感器與電路分級防護結構圖2，忽略電路部件部分，零部件之間連接關系簡化處理，模擬引信的馬歇特捶擊試驗環境，建立仿真模型見圖3。沖擊載體和沖擊臺的30CrMnSi材料選用雙線性隨動硬化模型，二者間定義侵蝕接觸。45鋼作為載體的電源模塊選用線彈性材料模型，與引信殼體間邊界上設置為共節點以模擬連接螺紋。上墊片為聚四氟乙烯材料，下墊片、上本體和下本體為鋁合金，上下傳感器用環氧樹脂灌封材料代替，材料模型均選用帶失效應變的彈塑性隨動硬化材料模型，彼此相鄰的零件間定義自動接觸。為驗證引信傳感器與電路分級防護，下傳感器7感知加速度的增大效果，保留上傳感器，以與下傳感器的仿真結果對比。

圖3 傳感器分級防護仿真模型Fig.3 Protection classification sensor simulation model

3.1.2 加速度曲線特征提取原則

從預設加速度閾值、時間窗和占比三個方面統計分析仿真得到的加速度曲線結果，評價傳感器與電路分級防護仿真模型對提高延期起爆可靠性的作用大小、有效性，加速度曲線特征提取原理見圖4。

1)預設加速度閾值。即在沖擊后，用預設加速度閾值as確定高于預設加速度閾值的時間窗。

2)時間窗。即在多次出現高于加速度閾值情況下，加速度a的絕對值超出預設加速度閾值as部分的持續時間為時間窗tM。

3)占比。即在持續時間窗tM內，時間窗tM內加速度絕對值超出預設加速度閾值部分的采樣點數量M與該時間窗內采樣點總數量N的比值M/N稱為占比。

圖4 加速度曲線特征提取原理圖Fig.4 Acceleration curve feature extraction schematics

3.1.3 仿真結果分析

對同一仿真模型，分別在沖擊速度為5 m/s、10 m/s、20 m/s條件下進行仿真，提取上傳感器2、下傳感器7在沖擊方向的加速度，分析傳感器感知加速度曲線特征差異。仿真結果如圖5-圖10所示。采集上下傳感器的中心位置在沖擊方向上加速度隨時間變化規律，數據采樣率為200 kHz。

上傳感器仿真的加速度變化規律如圖5、圖7、圖9。下傳感器仿真的加速度變化規律如圖6、圖8、圖10。可以看出在同一沖擊速度條件下，上傳感器與下傳感器所仿真的加速度包絡一致性良好，但加速度幅值特征差異明顯，最直觀的差異就是下傳感器的加速度數據的幅值偏大。

圖5 沖擊速度5 m/s上傳感器加速度曲線Fig.5 Impact velocity of 5 m/s upper acceleration sensor curve

圖6 沖擊速度5 m/s下傳感器加速度曲線Fig.6 Impact velocity of 5 m/s under acceleration sensor curve

圖7 沖擊速度10 m/s上傳感器加速度曲線Fig.7 Impact velocity of 10 m/s upper acceleration sensor curve

圖8 沖擊速度10 m/s下傳感器加速度曲線Fig.8 Impact velocity of 10 m/s under acceleration sensor curve

圖9 沖擊速度20 m/s上傳感器加速度曲線Fig.9 Impact velocity of 20 m/s upper acceleration sensor curve

圖10 沖擊速度20 m/s下傳感器加速度曲線Fig.10 Impact velocity of 20 m/s under acceleration sensor curve

對上下傳感器加速度數據進行深入分析，得到加速度曲線特征對比見表1，沖擊速度和加速度閾值同見表1。在同一加速度閾值條件下，與上傳感器相比較，下傳感器感知加速度時間窗變寬，占比增大，沖擊加速度特征更加清晰。增大沖擊速度后，下傳感器感知加速度幅度變化最為明顯，時間窗變寬，占比增大，說明傳感器與電路分級防護可以增強弱防護傳感器的感知能力，用于快速確定延期起點。

表1 上下傳感器感知加速度特征對比Tab.1 The vertical acceleration sensor sensing feature comparison

3.2 動態試驗驗證

3.2.1 試驗方法

在火箭橇動態侵徹試驗中，帶艙罩的戰斗部侵徹4層薄厚不一致的鋼靶，首層鋼靶強度相對第二層偏弱，靶板厚度依次為10 mm、16 mm、8 mm、8 mm，間隔2.8 m。碰靶前戰斗部速度681 m/s，著角小于5°，加速度信號采樣率為100 kHz。傳感器與電路在測試引信中的布置形式如圖11，起爆控制電路部件，數據采集存儲電路部件與傳感器分別灌封在不同的腔室，上傳感器用環氧樹脂灌封到上本體內，下傳感器用環氧樹脂灌封到下本體內，即傳感器與電路采取分級防護結構。測試引信安裝在彈底軸心位置，通過機芯殼體與轉接盤螺紋連接。

圖11 傳感器與電路分級防護的測試引信Fig.11 Grade sensor and circuit protection test fuze

3.2.2 試驗結果

由于兩個記錄器分別采集上、下兩個傳感器的加速度數據。上傳感器與下傳感器所測試結果如圖12和圖13，可以看出上傳感器與下傳感器所測試數據一致性良好，但加速度曲線特征存在差異，最直觀的差異就是下兩個傳感器的加速度數據的幅值偏大。依據前文所述的加速度曲線特征提取原則，深入分析數據，以彈體每一次穿過一層鋼靶的時間范圍內的加速度數據為研究對象，預設一定的加速度閾值，分析高于預設加速度閾值的時間窗和占比。

圖12 上傳感器感知加速度曲線Fig.12 Upper sensor senses acceleration curve

圖13 下傳感器感知加速度曲線Fig.13 Under sensor senses acceleration curve

傳感器與電路分級防護后，上、下傳感器的加速度信號的包絡一致性很好。上下傳感器的加速度均成功采集存儲，表明電路的抗沖擊性能沒有受影響。深入分析測試結果提取加速度曲線特征，上下傳感器加速度曲線特征對比見表2。預設加速度閾值取5 000g時，在戰斗部侵徹首層靶時間范圍內，下傳感器感知加速度時間窗2.13 ms和占比57.8%，均比上傳感器感知加速度時間窗1.80 ms和占比40.0%，下傳感器感知加速度幅值因為應力波影響而增大，時間窗變寬、占比增大。當預設加速度閾值取8 000g時，下傳感器感知加速度時間窗2.05 ms和占比41.1%，而上傳感器感知加速度時間窗1.78 ms和占比25.6%，時間窗變寬、占比增大，同時干擾特征更少，用于確定延期起點的目標特征更加清晰。

表2 首層靶上下傳感器感知加速度特征對比Tab.2 The vertical acceleration sensor detects the first floor of the target feature comparison

3.3 延期起爆可靠性提高效果分析

帶艙罩的戰斗部遭遇首層硬目標存在強度或厚薄特性差異時，預設加速度閾值固定不變，傳感器與電路采取分級防護措施后，下傳感器感知加速度增大，從圖13、圖14和表2可以看出，高于預設加速度閾值的時間窗變寬、占比增大，用于確定延期起點的加速度特征更加清晰，滿足預設加速度閾值條件概率會隨著加速度幅值增大而增大，從而快速、準確地確定延期起點，降低因硬目標強度或厚薄差異造成的延期起點延后的風險，提高引信延期起爆炸點精度。

4 結論

本文提出了提高引信延期起爆可靠性的傳感器弱防護方法。該方法是在引信結構設計時把傳感器與電路分級防護，特意不消減應力波對傳感器的影響，傳感器弱防護使其感知加速度因加速度真值與應力波擾動復合而增大，用于確定延期起點的預設加速度閾值、時間窗、占比等特征更顯著，從而提高了引信延期起爆可靠性。仿真及試驗結果表明：傳感器與電路分級防護后，電路抗沖擊性能不變，用于確定延期起點的加速度特征更清晰，實現引信延期起爆可靠性的提高。至于通過傳感器弱防護提高延期起爆的可靠性，對單片機和信號處理電路軟硬件資源的影響，需要開展大量動態試驗或者半實物仿真來驗證，有待進一步研究。

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Sensor Weak Protection to Improve the Delay Initiation Fuze Reliability

ZHANG Kang, LI Wenlong, ZHANG Haitao, LI Zhaoyang

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Warhead detonating fuze canopy affects the starting time accuracy. A starting time to improve the accuracy of the sensor fuze weak protection method was put forward. The fuze rating circuit protection structural was designed, and not be deliberately cut on stress wave sensor, which was weak protected because of its perceived acceleration acceleration for rigid body with composite stress wave disturbance increases. The starting point for determined the timing of the preset acceleration threshold, time window, accounting and other characteristics. The simulation and test results showed that the sensor and circuit protection classification, impact resistance constant circuit for determining the starting time of acceleration characteristics realized high accuracy of the fuze explosion point.

fuze; delay initiation; start time; sensor; protection

2016-05-10

張康(1985—)，男，山東鄆城人，碩士，工程師，研究方向：機電引信技術。E-mail:happyzhangkang@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)06-0035-06