共線式底火裝定電纜對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懷芯?/h1>
2017-04-05 08:35:11陳德亮丁立波
兵器裝備工程學(xué)報(bào) 2017年3期 關(guān)鍵詞：系統(tǒng)
陳德亮,丁立波,廖 翔
(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 南京 210094)
【裝備理論與裝備技術(shù)】
共線式底火裝定電纜對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懷芯?/p>
陳德亮,丁立波,廖 翔
(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 南京 210094)
針對(duì)引信共線式底火裝定過程中裝定信號(hào)受電纜影響的問題，利用圓柱形電容器和平板電容器計(jì)算模型，推導(dǎo)了不平行電纜間以及電纜與坦克車金屬板間分布電容的表達(dá)式；利用Orcad對(duì)共線式底火裝定系統(tǒng)等效電路模型進(jìn)行仿真分析，最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證；研究結(jié)果表明：影響裝定信號(hào)傳輸?shù)膬蓚€(gè)主要因素是電纜長(zhǎng)度和工作環(huán)境；相較于空氣中，50 m電纜在水中的傳輸信號(hào)波形的下降沿變化時(shí)間增加了約25 μs，對(duì)裝定信號(hào)傳輸速率影響巨大。
引信；裝定信號(hào)；共線式底火裝定；分布電容
信息化戰(zhàn)爭(zhēng)要求武器系統(tǒng)之間及時(shí)將有用信息進(jìn)行交聯(lián)，以便快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地打擊目標(biāo)。引信裝定技術(shù)是對(duì)引信作用時(shí)間，作用方式和技術(shù)參數(shù)等預(yù)定條件進(jìn)行選擇和調(diào)整的技術(shù)[1]。共線式底火裝定技術(shù)是一種適用于現(xiàn)代坦克炮的引信與武器平臺(tái)信息交聯(lián)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)此課題進(jìn)行了較多研究。加拿大Stephan Dietrich在2008年美國(guó)引信年會(huì)上介紹了底火裝定方案；Rheinmetall W&M和JUNCHANS Micrtec 兩家公司于2009年聯(lián)合開發(fā)了雙功能引信DM173，通過底火對(duì)引信電路進(jìn)行信息裝定。南京理工大學(xué)王穎翌在2007年博士論文中對(duì)同時(shí)傳遞信息和能量的有線裝定技術(shù)進(jìn)行了初步的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]，南京理工大學(xué)的洪黎在2012年對(duì)有線裝定系統(tǒng)進(jìn)行了高精度和安全性設(shè)計(jì)[3]。西安理工大學(xué)的陳祖安在2008年提出了身管炮膛內(nèi)有線裝定構(gòu)想[4]。南京理工大學(xué)204教研室已經(jīng)研制出共線裝定電底火、裝定器和引信專用電路模塊，但對(duì)裝定過程中數(shù)據(jù)的解調(diào)能力與電纜的長(zhǎng)度、環(huán)境的關(guān)系及給定參數(shù)下裝定數(shù)據(jù)的傳輸距離等問題并未深入探討。
目前，已就傳輸線間分布電容計(jì)算模型[5-8]和傳輸線上分布電容對(duì)系統(tǒng)的影響[9-12]進(jìn)行了不少研究。本文將基于現(xiàn)有的共線式底火裝定系統(tǒng)，結(jié)合傳輸線間分布電容計(jì)算模型、RC電路放電模型和本系統(tǒng)的工作要求，推導(dǎo)出給定傳輸距離下電纜間分布電容值的表達(dá)式；探討不同的電纜長(zhǎng)度和環(huán)境對(duì)裝定數(shù)據(jù)解調(diào)的影響，給出給定條件下最大傳輸距離的參考值，最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。
1 共線式底火裝定系統(tǒng)原理
共線式底火裝定技術(shù)，即在不改變?cè)淦飨到y(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)前提下，當(dāng)彈丸裝填入發(fā)射管后，利用原電擊發(fā)裝置，通過從彈丸底火引入頭部引信的一根導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)發(fā)射前信息裝定。信息裝定中所使用的能量在底火安全能量以下，以保證裝定中的安全性。共線式底火裝定系統(tǒng)整體框圖如圖1，從左向右依次為裝定器、擊發(fā)電路、電纜、底火開關(guān)和引信裝定模塊，其中，電纜的長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況選取。火控系統(tǒng)將裝定信息通過武器系統(tǒng)接口發(fā)送給裝定器，裝定器檢測(cè)到擊針與底火接觸后，對(duì)引信進(jìn)行裝定。在此過程中，裝定器要同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)裝定和能量供給兩種功能。由于本系統(tǒng)利用了原電擊發(fā)裝置，為了保證裝定中的安全性，在原電擊發(fā)裝置中間加入了底火開關(guān)，底火開關(guān)設(shè)計(jì)為具有電壓識(shí)別功能，當(dāng)輸入擊發(fā)電壓時(shí)，開關(guān)閉合，高電壓通過橋絲，底火作用，實(shí)現(xiàn)擊發(fā)功能；當(dāng)輸入引信裝定電壓時(shí)，開關(guān)斷開，底火安全，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)裝定功能。
圖1 共線式底火裝定系統(tǒng)框圖
共線式底火裝定系統(tǒng)的整體電路模型如圖2所示，其中，電阻R1、R2為電纜的阻值，電容C為電纜間分布電容與電纜與金屬環(huán)境之間的感應(yīng)電容值之和，r1和C1為裝定器內(nèi)部等效電阻值和等效電容值，r2和C2為引信裝定模塊內(nèi)部等效電阻值和等效電容值。當(dāng)裝定器和引信裝定模塊的電路確定后，r1、r2、C1和C2的值隨之確定，但R1、R2和C的值與電纜的長(zhǎng)度等因素有關(guān)。
2 信號(hào)傳輸性能分析
在實(shí)際工程應(yīng)用中，裝定信號(hào)的波形圖如圖3所示。從圖3可以看出，在數(shù)據(jù)波形的上升沿和下降沿處，波形緩慢上升和降低，并不是由低到高或由高到低直接變化。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，上升沿波形由低到高的變化時(shí)間固定，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懞苄。陆笛夭ㄐ斡筛叩降偷淖兓瘯r(shí)間不固定，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有較大影響。當(dāng)波形由高到低的變化時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，將會(huì)影響引信裝定模塊對(duì)占空比的判斷，從而使解調(diào)失敗，影響裝定結(jié)果。由于波形的變化與裝定器和引信裝定模塊之間的負(fù)載有關(guān)，因此需要進(jìn)一步分析確定兩者之間的關(guān)系。
圖2 共線式底火裝定系統(tǒng)整體電路模型
圖3 裝定信息波形
2.1 電纜間分布電容計(jì)算
共線式底火裝定系統(tǒng)應(yīng)用在坦克中時(shí)，電纜會(huì)與坦克上的金屬材料接觸。將坦克中的金屬材料看成一塊無限大的金屬板，建立共線式底火裝定系統(tǒng)的電纜模型，如圖4所示。其中，1和2是兩根半徑為R的導(dǎo)線，3是無限大的金屬板，導(dǎo)線1和導(dǎo)線2放置在金屬板3上，di是導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的距離，假設(shè)導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間距離為di時(shí)的導(dǎo)線長(zhǎng)度為L(zhǎng)i。系統(tǒng)工作時(shí)，假設(shè)導(dǎo)線1為激勵(lì)源，這樣會(huì)在導(dǎo)線2和金屬板3上感應(yīng)出電荷，構(gòu)成2個(gè)電容器。
圖4 電纜模型
對(duì)于導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間分布電容的計(jì)算，可以使用圓柱形電容器計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。如圖5所示，設(shè)有兩根半徑為R的平行直導(dǎo)線，兩導(dǎo)線中心之間的距離為d，且d>>R，中間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε,計(jì)算可得出兩平行直導(dǎo)線單位長(zhǎng)度電容值：
根據(jù)電纜模型，可得導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間距離為di、長(zhǎng)度為L(zhǎng)i段的分布電容值：
于是，可得到導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的分布電容值：
(1)
其中，n=1,2,3,…。對(duì)于導(dǎo)線1和金屬板3之間的分布電容計(jì)算，可以將導(dǎo)線1看成很窄的金屬極板，導(dǎo)線1放置在金屬板3上，這樣導(dǎo)線1和金屬板3之間的分布電容值可以根據(jù)平板電容器的計(jì)算方法求解，可得到：
(2)
其中，D為導(dǎo)線1的中心點(diǎn)到金屬板3的距離，L為導(dǎo)線1的總長(zhǎng)度。由公式可以看出，當(dāng)導(dǎo)線1直接放置在金屬板上時(shí)，C13的值最大。
圖5 平行直導(dǎo)線
上述式(1)和式(2)中ε表示電纜間介質(zhì)的電容率，即介電常數(shù)。不同的工作環(huán)境下介電常數(shù)是不同的，介電常數(shù)是相對(duì)介電常數(shù)與真空中絕對(duì)介電常數(shù)乘積，其中真空中絕對(duì)介電常數(shù)ε0為固定值。共線式底火裝定系統(tǒng)需要在不同的環(huán)境下工作。由表1中常見物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)可以看出，不同的工作環(huán)境下相對(duì)介電常數(shù)值相差較大，所以在電纜本身物理參數(shù)確定的情況下，電纜之間的分布電容值主要與電纜長(zhǎng)度和電纜工作環(huán)境有關(guān)。
表1 常見物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)
2.2 電纜對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>
由圖2可知，裝定器與引信裝定模塊之間的負(fù)載包括裝定器內(nèi)部等效電容C1和等效電阻r1，引信接收端內(nèi)部等效電容C2和等效電阻r2，電容C為導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間分布電容值C12與導(dǎo)線1和金屬板3之間分布電容值C12的和，R0為單位長(zhǎng)度電纜的阻值。那么裝定器端與引信接收端之間的總電容值和電阻值分別為
R=R1+R2+r1+r2=2L*R0+r1+r2
根據(jù)RC電路電壓隨時(shí)間變化公式：
uc=U0exp(-t/RC)
可得到裝定器與引信接收端之間負(fù)載的電壓隨時(shí)間變化公式：
電路的時(shí)間常數(shù)為
假設(shè)電纜線之間的距離di服從正態(tài)分布，即di～N(u,σ2)，且導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的最大距離為dmax，最小距離為dmin。那么電纜線之間距離的數(shù)學(xué)期望u=(dmax+dmin)/2，從而可得到：
于是，RC電路的時(shí)間常數(shù)
其中C1、r1、C2和r2根據(jù)裝定器和引信裝定模塊電路確定，由具體電路計(jì)算可得到C1=50μF，C2=10μF，r1為50Ω，r2為500Ω。
共線式底火裝定系統(tǒng)信息裝定過程中，采用占空比編碼方式對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和編碼。為了提高系統(tǒng)裝定的可靠性，使系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別和解調(diào)信息，當(dāng)給定傳輸速率后，應(yīng)合理選擇電纜長(zhǎng)度。
3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3.1 仿真驗(yàn)證
選取以下參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析：共線式底火裝定系統(tǒng)工作在空氣中，相對(duì)介電常數(shù)εr=1，電纜的半徑R=0.69mm，導(dǎo)線1到金屬板3之間的距離D=0.69mm，單位長(zhǎng)度電纜的阻值R0為0.008 2Ω，取導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的最大距離dmax=20cm，最小距離dmin=0cm。利用Orcad軟件對(duì)不同距離下共線式底火裝定系統(tǒng)電路模型進(jìn)行仿真，分別選取L為10m、20m、30m、40m和50m進(jìn)行仿真，其波形圖如圖6所示。由圖6可以看到，由于裝定器和引信裝定模塊內(nèi)部等效電阻電容和電纜間分布電容的存在，信號(hào)傳輸?shù)牟ㄐ尉徛档汀Ｓ蓤D7可看出，隨著電纜距離的增加，波形下降沿處的變化越來越快，在降低到0.5V時(shí)，經(jīng)Orcad軟件中專用工具測(cè)量，50m處比10m處的時(shí)間多約0.004 5ms，系統(tǒng)的傳輸速率降低。
利用Orcad軟件對(duì)不同環(huán)境下共線式底火裝定系統(tǒng)電路模型進(jìn)行仿真，選取以下參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析：電纜的半徑R=0.69mm，單位長(zhǎng)度電纜的阻值R0為0.008 2Ω，導(dǎo)線1到金屬板3之間的距離D=0.69mm，取導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的最大距離dmax=20cm，最小距離dmin=0cm，L分別為10m和50m。利用ORCAD軟件對(duì)水環(huán)境下共線式底火裝定系統(tǒng)電路模型進(jìn)行仿真，其波形如圖8和圖9所示。由Orcad軟件中專用工具對(duì)圖8和圖7測(cè)量比較得出，10m電纜在水環(huán)境下，波形下降沿處的變化時(shí)間比在空氣中的約多0.012ms。由Orcad軟件中專用工具對(duì)圖9和圖7測(cè)量比較得出，50m電纜在水環(huán)境下，波形下降沿處的變化時(shí)間比在空氣中的約多0.025ms。因此，要考慮環(huán)境對(duì)信號(hào)波形的影響，合理的選擇共線式底火裝定系統(tǒng)工作需要的相關(guān)參數(shù)。
圖6 不同傳輸距離下波形
圖7 10 m和50 m距離下波形放大圖
圖8 10 m電纜水中信號(hào)波形
圖9 50 m電纜水中信號(hào)波形
3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
利用現(xiàn)有的裝定器、電底火和引信裝定模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中電纜的半徑R=0.69 mm，將電纜放置在金屬容器中，用來模擬坦克車金屬環(huán)境，兩根電纜之間的距離按照仿真條件進(jìn)行設(shè)置。在空氣中分別利用10 m和50 m電纜通過裝定器對(duì)引信裝定模塊進(jìn)行裝定，波形圖如圖10和圖11所示，通過兩圖對(duì)比可以看出隨著電纜長(zhǎng)度的增加，波形下降時(shí)間變長(zhǎng)，當(dāng)長(zhǎng)度由10 m增加到50 m時(shí)，時(shí)間增加了約5 μs。
圖10 空氣中10 m電纜的傳輸波形
圖11 空氣中50 m電纜的傳輸波形
在水中，分別利用10 m和50 m電纜通過裝定器對(duì)引信裝定模塊進(jìn)行裝定，波形圖如圖12和圖13所示，通過兩圖對(duì)比可以看到，10 m電纜波形下降的時(shí)間增加到45.6 μs，50 m電纜波形下降的時(shí)間已經(jīng)增加到57.6 μs，且波形畸變較嚴(yán)重。
圖12 水中10 m電纜的傳輸波形
圖13 水中50 m電纜的傳輸波形
4 結(jié)論
本文對(duì)共線式底火裝定過程中裝定信號(hào)受電纜影響的問題進(jìn)行了研究，推導(dǎo)得到了不平行的電纜間以及電纜與坦克車金屬板間分布電容的具體表達(dá)式；得到了影響裝定信號(hào)傳輸速率的兩個(gè)主要因素：電纜長(zhǎng)度和工作環(huán)境。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，相同環(huán)境條件下，當(dāng)電纜長(zhǎng)度由10 m增加到50 m時(shí)，信號(hào)波形下降沿變化時(shí)間增加了約5 μs；相同電纜長(zhǎng)度條件下，將10 m和50 m的電纜放在水中進(jìn)行裝定時(shí)，信號(hào)波形下降沿變化時(shí)間分別增加了約12 μs和25 μs，很大程度地降低了信號(hào)傳輸速率。
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(責(zé)任編輯 周江川)
Study on Effect of Collinear Primer Set Cable on Signal Transmission
CHEN De-liang，DING Li-bo，LIAO Xiang
(Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)
In order to research the effect of the fuze collinear primer set cable on signal transmission, the cylindrical capacitor and plate capacitor calculation theories were used to deduce the specific expression to calculate distributed capacity in the non-parallel cables and the cable and the tank’s metal plate. The equivalent circuit model of the collinear primer set system was analyzed by the Orcad software and the result was verified by experiment. The results show that the cable length and the working environment are the two main factors that affect the setting signal transmission. Compared with air, the falling edge of the 50 meters of cable’s transmission signal waveform increased by about 25us in the water, and it had a huge impact on the rate of the setting signal transmission.
fuze; set signal;collinear primer set; distributed capacitance
2016-10-10；
2016-11-30 作者簡(jiǎn)介：陳德亮(1992—)，男，碩士研究生，主要從事機(jī)械電子工程、引信與武器系統(tǒng)信息交聯(lián)技術(shù)研究。
丁立波(1977—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械電子工程、引信與武器系統(tǒng)信息交聯(lián)技術(shù)研究。
10.11809/scbgxb2017.03.014
陳德亮,丁立波,廖翔.共線式底火裝定電纜對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懷芯縖J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(3):62-66.
format:CHEN De-liang，DING Li-bo，LIAO Xiang.Study on Effect of Collinear Primer Set Cable on Signal Transmission[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):62-66.
TJ43
A
2096-2304(2017)03-0062-05
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陳德亮,丁立波,廖 翔
(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 南京 210094)
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陳德亮,丁立波,廖 翔
(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 南京 210094)
針對(duì)引信共線式底火裝定過程中裝定信號(hào)受電纜影響的問題，利用圓柱形電容器和平板電容器計(jì)算模型，推導(dǎo)了不平行電纜間以及電纜與坦克車金屬板間分布電容的表達(dá)式；利用Orcad對(duì)共線式底火裝定系統(tǒng)等效電路模型進(jìn)行仿真分析，最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證；研究結(jié)果表明：影響裝定信號(hào)傳輸?shù)膬蓚€(gè)主要因素是電纜長(zhǎng)度和工作環(huán)境；相較于空氣中，50 m電纜在水中的傳輸信號(hào)波形的下降沿變化時(shí)間增加了約25 μs，對(duì)裝定信號(hào)傳輸速率影響巨大。
引信；裝定信號(hào)；共線式底火裝定；分布電容
信息化戰(zhàn)爭(zhēng)要求武器系統(tǒng)之間及時(shí)將有用信息進(jìn)行交聯(lián)，以便快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地打擊目標(biāo)。引信裝定技術(shù)是對(duì)引信作用時(shí)間，作用方式和技術(shù)參數(shù)等預(yù)定條件進(jìn)行選擇和調(diào)整的技術(shù)[1]。共線式底火裝定技術(shù)是一種適用于現(xiàn)代坦克炮的引信與武器平臺(tái)信息交聯(lián)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)此課題進(jìn)行了較多研究。加拿大Stephan Dietrich在2008年美國(guó)引信年會(huì)上介紹了底火裝定方案；Rheinmetall W&M和JUNCHANS Micrtec 兩家公司于2009年聯(lián)合開發(fā)了雙功能引信DM173，通過底火對(duì)引信電路進(jìn)行信息裝定。南京理工大學(xué)王穎翌在2007年博士論文中對(duì)同時(shí)傳遞信息和能量的有線裝定技術(shù)進(jìn)行了初步的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]，南京理工大學(xué)的洪黎在2012年對(duì)有線裝定系統(tǒng)進(jìn)行了高精度和安全性設(shè)計(jì)[3]。西安理工大學(xué)的陳祖安在2008年提出了身管炮膛內(nèi)有線裝定構(gòu)想[4]。南京理工大學(xué)204教研室已經(jīng)研制出共線裝定電底火、裝定器和引信專用電路模塊，但對(duì)裝定過程中數(shù)據(jù)的解調(diào)能力與電纜的長(zhǎng)度、環(huán)境的關(guān)系及給定參數(shù)下裝定數(shù)據(jù)的傳輸距離等問題并未深入探討。
目前，已就傳輸線間分布電容計(jì)算模型[5-8]和傳輸線上分布電容對(duì)系統(tǒng)的影響[9-12]進(jìn)行了不少研究。本文將基于現(xiàn)有的共線式底火裝定系統(tǒng)，結(jié)合傳輸線間分布電容計(jì)算模型、RC電路放電模型和本系統(tǒng)的工作要求，推導(dǎo)出給定傳輸距離下電纜間分布電容值的表達(dá)式；探討不同的電纜長(zhǎng)度和環(huán)境對(duì)裝定數(shù)據(jù)解調(diào)的影響，給出給定條件下最大傳輸距離的參考值，最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。
1 共線式底火裝定系統(tǒng)原理
共線式底火裝定技術(shù)，即在不改變?cè)淦飨到y(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)前提下，當(dāng)彈丸裝填入發(fā)射管后，利用原電擊發(fā)裝置，通過從彈丸底火引入頭部引信的一根導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)發(fā)射前信息裝定。信息裝定中所使用的能量在底火安全能量以下，以保證裝定中的安全性。共線式底火裝定系統(tǒng)整體框圖如圖1，從左向右依次為裝定器、擊發(fā)電路、電纜、底火開關(guān)和引信裝定模塊，其中，電纜的長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況選取。火控系統(tǒng)將裝定信息通過武器系統(tǒng)接口發(fā)送給裝定器，裝定器檢測(cè)到擊針與底火接觸后，對(duì)引信進(jìn)行裝定。在此過程中，裝定器要同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)裝定和能量供給兩種功能。由于本系統(tǒng)利用了原電擊發(fā)裝置，為了保證裝定中的安全性，在原電擊發(fā)裝置中間加入了底火開關(guān)，底火開關(guān)設(shè)計(jì)為具有電壓識(shí)別功能，當(dāng)輸入擊發(fā)電壓時(shí)，開關(guān)閉合，高電壓通過橋絲，底火作用，實(shí)現(xiàn)擊發(fā)功能；當(dāng)輸入引信裝定電壓時(shí)，開關(guān)斷開，底火安全，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)裝定功能。
圖1 共線式底火裝定系統(tǒng)框圖
共線式底火裝定系統(tǒng)的整體電路模型如圖2所示，其中，電阻R1、R2為電纜的阻值，電容C為電纜間分布電容與電纜與金屬環(huán)境之間的感應(yīng)電容值之和，r1和C1為裝定器內(nèi)部等效電阻值和等效電容值，r2和C2為引信裝定模塊內(nèi)部等效電阻值和等效電容值。當(dāng)裝定器和引信裝定模塊的電路確定后，r1、r2、C1和C2的值隨之確定，但R1、R2和C的值與電纜的長(zhǎng)度等因素有關(guān)。
2 信號(hào)傳輸性能分析
在實(shí)際工程應(yīng)用中，裝定信號(hào)的波形圖如圖3所示。從圖3可以看出，在數(shù)據(jù)波形的上升沿和下降沿處，波形緩慢上升和降低，并不是由低到高或由高到低直接變化。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，上升沿波形由低到高的變化時(shí)間固定，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懞苄。陆笛夭ㄐ斡筛叩降偷淖兓瘯r(shí)間不固定，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有較大影響。當(dāng)波形由高到低的變化時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，將會(huì)影響引信裝定模塊對(duì)占空比的判斷，從而使解調(diào)失敗，影響裝定結(jié)果。由于波形的變化與裝定器和引信裝定模塊之間的負(fù)載有關(guān)，因此需要進(jìn)一步分析確定兩者之間的關(guān)系。
圖2 共線式底火裝定系統(tǒng)整體電路模型
圖3 裝定信息波形
2.1 電纜間分布電容計(jì)算
共線式底火裝定系統(tǒng)應(yīng)用在坦克中時(shí)，電纜會(huì)與坦克上的金屬材料接觸。將坦克中的金屬材料看成一塊無限大的金屬板，建立共線式底火裝定系統(tǒng)的電纜模型，如圖4所示。其中，1和2是兩根半徑為R的導(dǎo)線，3是無限大的金屬板，導(dǎo)線1和導(dǎo)線2放置在金屬板3上，di是導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的距離，假設(shè)導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間距離為di時(shí)的導(dǎo)線長(zhǎng)度為L(zhǎng)i。系統(tǒng)工作時(shí)，假設(shè)導(dǎo)線1為激勵(lì)源，這樣會(huì)在導(dǎo)線2和金屬板3上感應(yīng)出電荷，構(gòu)成2個(gè)電容器。
圖4 電纜模型
對(duì)于導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間分布電容的計(jì)算，可以使用圓柱形電容器計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。如圖5所示，設(shè)有兩根半徑為R的平行直導(dǎo)線，兩導(dǎo)線中心之間的距離為d，且d>>R，中間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε,計(jì)算可得出兩平行直導(dǎo)線單位長(zhǎng)度電容值：
根據(jù)電纜模型，可得導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間距離為di、長(zhǎng)度為L(zhǎng)i段的分布電容值：
于是，可得到導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的分布電容值：
(1)
其中，n=1,2,3,…。對(duì)于導(dǎo)線1和金屬板3之間的分布電容計(jì)算，可以將導(dǎo)線1看成很窄的金屬極板，導(dǎo)線1放置在金屬板3上，這樣導(dǎo)線1和金屬板3之間的分布電容值可以根據(jù)平板電容器的計(jì)算方法求解，可得到：
(2)
其中，D為導(dǎo)線1的中心點(diǎn)到金屬板3的距離，L為導(dǎo)線1的總長(zhǎng)度。由公式可以看出，當(dāng)導(dǎo)線1直接放置在金屬板上時(shí)，C13的值最大。
圖5 平行直導(dǎo)線
上述式(1)和式(2)中ε表示電纜間介質(zhì)的電容率，即介電常數(shù)。不同的工作環(huán)境下介電常數(shù)是不同的，介電常數(shù)是相對(duì)介電常數(shù)與真空中絕對(duì)介電常數(shù)乘積，其中真空中絕對(duì)介電常數(shù)ε0為固定值。共線式底火裝定系統(tǒng)需要在不同的環(huán)境下工作。由表1中常見物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)可以看出，不同的工作環(huán)境下相對(duì)介電常數(shù)值相差較大，所以在電纜本身物理參數(shù)確定的情況下，電纜之間的分布電容值主要與電纜長(zhǎng)度和電纜工作環(huán)境有關(guān)。
表1 常見物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)
2.2 電纜對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>
由圖2可知，裝定器與引信裝定模塊之間的負(fù)載包括裝定器內(nèi)部等效電容C1和等效電阻r1，引信接收端內(nèi)部等效電容C2和等效電阻r2，電容C為導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間分布電容值C12與導(dǎo)線1和金屬板3之間分布電容值C12的和，R0為單位長(zhǎng)度電纜的阻值。那么裝定器端與引信接收端之間的總電容值和電阻值分別為
R=R1+R2+r1+r2=2L*R0+r1+r2
根據(jù)RC電路電壓隨時(shí)間變化公式：
uc=U0exp(-t/RC)
可得到裝定器與引信接收端之間負(fù)載的電壓隨時(shí)間變化公式：
電路的時(shí)間常數(shù)為
假設(shè)電纜線之間的距離di服從正態(tài)分布，即di～N(u,σ2)，且導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的最大距離為dmax，最小距離為dmin。那么電纜線之間距離的數(shù)學(xué)期望u=(dmax+dmin)/2，從而可得到：
于是，RC電路的時(shí)間常數(shù)
其中C1、r1、C2和r2根據(jù)裝定器和引信裝定模塊電路確定，由具體電路計(jì)算可得到C1=50μF，C2=10μF，r1為50Ω，r2為500Ω。
共線式底火裝定系統(tǒng)信息裝定過程中，采用占空比編碼方式對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和編碼。為了提高系統(tǒng)裝定的可靠性，使系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別和解調(diào)信息，當(dāng)給定傳輸速率后，應(yīng)合理選擇電纜長(zhǎng)度。
3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3.1 仿真驗(yàn)證
選取以下參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析：共線式底火裝定系統(tǒng)工作在空氣中，相對(duì)介電常數(shù)εr=1，電纜的半徑R=0.69mm，導(dǎo)線1到金屬板3之間的距離D=0.69mm，單位長(zhǎng)度電纜的阻值R0為0.008 2Ω，取導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的最大距離dmax=20cm，最小距離dmin=0cm。利用Orcad軟件對(duì)不同距離下共線式底火裝定系統(tǒng)電路模型進(jìn)行仿真，分別選取L為10m、20m、30m、40m和50m進(jìn)行仿真，其波形圖如圖6所示。由圖6可以看到，由于裝定器和引信裝定模塊內(nèi)部等效電阻電容和電纜間分布電容的存在，信號(hào)傳輸?shù)牟ㄐ尉徛档汀Ｓ蓤D7可看出，隨著電纜距離的增加，波形下降沿處的變化越來越快，在降低到0.5V時(shí)，經(jīng)Orcad軟件中專用工具測(cè)量，50m處比10m處的時(shí)間多約0.004 5ms，系統(tǒng)的傳輸速率降低。
利用Orcad軟件對(duì)不同環(huán)境下共線式底火裝定系統(tǒng)電路模型進(jìn)行仿真，選取以下參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析：電纜的半徑R=0.69mm，單位長(zhǎng)度電纜的阻值R0為0.008 2Ω，導(dǎo)線1到金屬板3之間的距離D=0.69mm，取導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的最大距離dmax=20cm，最小距離dmin=0cm，L分別為10m和50m。利用ORCAD軟件對(duì)水環(huán)境下共線式底火裝定系統(tǒng)電路模型進(jìn)行仿真，其波形如圖8和圖9所示。由Orcad軟件中專用工具對(duì)圖8和圖7測(cè)量比較得出，10m電纜在水環(huán)境下，波形下降沿處的變化時(shí)間比在空氣中的約多0.012ms。由Orcad軟件中專用工具對(duì)圖9和圖7測(cè)量比較得出，50m電纜在水環(huán)境下，波形下降沿處的變化時(shí)間比在空氣中的約多0.025ms。因此，要考慮環(huán)境對(duì)信號(hào)波形的影響，合理的選擇共線式底火裝定系統(tǒng)工作需要的相關(guān)參數(shù)。
圖6 不同傳輸距離下波形
圖7 10 m和50 m距離下波形放大圖
圖8 10 m電纜水中信號(hào)波形
圖9 50 m電纜水中信號(hào)波形
3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
利用現(xiàn)有的裝定器、電底火和引信裝定模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中電纜的半徑R=0.69 mm，將電纜放置在金屬容器中，用來模擬坦克車金屬環(huán)境，兩根電纜之間的距離按照仿真條件進(jìn)行設(shè)置。在空氣中分別利用10 m和50 m電纜通過裝定器對(duì)引信裝定模塊進(jìn)行裝定，波形圖如圖10和圖11所示，通過兩圖對(duì)比可以看出隨著電纜長(zhǎng)度的增加，波形下降時(shí)間變長(zhǎng)，當(dāng)長(zhǎng)度由10 m增加到50 m時(shí)，時(shí)間增加了約5 μs。
圖10 空氣中10 m電纜的傳輸波形
圖11 空氣中50 m電纜的傳輸波形
在水中，分別利用10 m和50 m電纜通過裝定器對(duì)引信裝定模塊進(jìn)行裝定，波形圖如圖12和圖13所示，通過兩圖對(duì)比可以看到，10 m電纜波形下降的時(shí)間增加到45.6 μs，50 m電纜波形下降的時(shí)間已經(jīng)增加到57.6 μs，且波形畸變較嚴(yán)重。
圖12 水中10 m電纜的傳輸波形
圖13 水中50 m電纜的傳輸波形
4 結(jié)論
本文對(duì)共線式底火裝定過程中裝定信號(hào)受電纜影響的問題進(jìn)行了研究，推導(dǎo)得到了不平行的電纜間以及電纜與坦克車金屬板間分布電容的具體表達(dá)式；得到了影響裝定信號(hào)傳輸速率的兩個(gè)主要因素：電纜長(zhǎng)度和工作環(huán)境。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，相同環(huán)境條件下，當(dāng)電纜長(zhǎng)度由10 m增加到50 m時(shí)，信號(hào)波形下降沿變化時(shí)間增加了約5 μs；相同電纜長(zhǎng)度條件下，將10 m和50 m的電纜放在水中進(jìn)行裝定時(shí)，信號(hào)波形下降沿變化時(shí)間分別增加了約12 μs和25 μs，很大程度地降低了信號(hào)傳輸速率。
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(責(zé)任編輯 周江川)
Study on Effect of Collinear Primer Set Cable on Signal Transmission
CHEN De-liang，DING Li-bo，LIAO Xiang
(Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)
In order to research the effect of the fuze collinear primer set cable on signal transmission, the cylindrical capacitor and plate capacitor calculation theories were used to deduce the specific expression to calculate distributed capacity in the non-parallel cables and the cable and the tank’s metal plate. The equivalent circuit model of the collinear primer set system was analyzed by the Orcad software and the result was verified by experiment. The results show that the cable length and the working environment are the two main factors that affect the setting signal transmission. Compared with air, the falling edge of the 50 meters of cable’s transmission signal waveform increased by about 25us in the water, and it had a huge impact on the rate of the setting signal transmission.
fuze; set signal;collinear primer set; distributed capacitance
2016-10-10；
2016-11-30 作者簡(jiǎn)介：陳德亮(1992—)，男，碩士研究生，主要從事機(jī)械電子工程、引信與武器系統(tǒng)信息交聯(lián)技術(shù)研究。
丁立波(1977—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械電子工程、引信與武器系統(tǒng)信息交聯(lián)技術(shù)研究。
10.11809/scbgxb2017.03.014
陳德亮,丁立波,廖翔.共線式底火裝定電纜對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懷芯縖J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(3):62-66.
format:CHEN De-liang，DING Li-bo，LIAO Xiang.Study on Effect of Collinear Primer Set Cable on Signal Transmission[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):62-66.
TJ43
A
2096-2304(2017)03-0062-05
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