坦克炮彈藥共用底火裝定能量雙向隔離系統設計方法

廖翔， 李豪杰， 張合

(南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094)

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坦克炮彈藥共用底火裝定能量雙向隔離系統設計方法

廖翔， 李豪杰， 張合

(南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094)

針對坦克炮、自行火炮信息化彈藥膛內實時裝定問題，采用共用底火的裝定系統對入膛后的彈藥進行實時裝定。為了解決共用底火裝定系統中存在擊發能量流與裝定能量流對裝定回路和擊發回路產生影響的問題，建立了能量流雙向隔離系統邊界條件和隔離系統函數，并通過對函數的參數取值設計了針對特定擊發能量類型的隔離系統。試驗結果表明，采用該方法得到的隔離系統能夠有效地隔離裝定能量流和擊發能量流，且其對擊發能量流的損耗很小。

兵器科學與技術； 坦克炮彈藥； 引信裝定； 底火回路； 隔離系統

0 引言

為了保證坦克炮、自行火炮信息化彈藥發射時實時獲取信息的能力，傳統裝定方法已無法滿足彈藥對信息獲取的實時性要求，需要在膛內彈藥發射前對引信實時信息交聯[1-2]。現有實時信息交聯方法包括感應、共振和射頻裝定等[3-4]。感應、共振裝定由于膛內金屬環境的限制，無法布置在膛內，只能布置在彈鏈上或炮口位置，而彈鏈裝定難以實現對膛內已有彈藥裝定[5]，而低伸彈道火炮遠距離射頻裝定的抗干擾問題尚未解決[6]，因此需要一種能夠對已入膛彈藥進行發射時實時裝定的裝定技術。

目前，入膛后裝定技術主要有對火炮炮閂進行改動的美國彈藥數據鏈協議ADL[7]，其通過對炮閂進行改動增加數據鏈觸點實現膛內實時裝定，但其需要對炮閂結構進行改動，無法適應對現有火炮和其配用彈藥進行信息化改造的需求。為此，需要設計共用火炮原有擊發回路的裝定系統，而設計的關鍵問題在于擊發通道與裝定通道間能量和信息的隔離，需要對共用底火回路有線裝定系統擊發通道與裝定通道間能量和信息的隔離方法開展研究。

在現有的隔離方法設計中，設計者均只考慮針對特定火炮的裝定能量對底火發火回路的隔離，并分別設計了瞬態電壓抑制二極管(TVS)法和二極管法兩種隔離裝定能量和底火發火回路的方法[8-9]。TVS法利用擊發電壓和裝定電壓的幅值區別，并使用TVS管對裝定能量和擊發能量進行區分。其設定擊發電壓大于裝定電壓，并將TVS管串聯入底火擊發回路中，從TVS管的陰極引出連接線與引信裝定輸入端連接。由于裝定電壓小于TVS管擊穿電壓，裝定能量無法通過其進入底火擊發回路，而擊發電壓大于TVS管擊穿電壓，擊穿TVS導通發火回路。二極管法通過設定裝定電壓為負，擊發電壓為正，并將二極管正向串聯在底火擊發回路中以實現其功能。

上述設計中存在的不足包括：1)僅為針對特定火炮擊發系統設計，缺乏通用于不同擊發系統的設計方法；2)僅考慮了裝定能量對底火回路的隔離，并未對裝定能量流和擊發能量流進行系統分析，以研究擊發能量對裝定系統的影響以及上述隔離系統失效的條件下底火回路的安全性。因此，需要研究膛內裝定系統能量雙向隔離系統設計方法，并利用此方法設計隔離系統。

1 共用底火雙向隔離系統原理

膛內隔離系統由能量控制器、擊發隔離器和裝定隔離器組成，其結構如圖1所示。其中能量控制器位于炮上裝定系統內部，串接在裝定控制器的輸出端與炮閂之間，其包括：1)裝定功率限制模塊，限制裝定控制器輸出能量，使其小于底火發火系統發火能量；2)能量單向模塊，限制能量流方向，只允許能量流從裝定系統流出，防止擊發能量倒灌入裝定控制器導致裝定控制器損壞。能量控制器功能示意圖，如圖2所示。裝定隔離器和擊發隔離器位于彈藥內部，裝定隔離器串接于底火觸點和彈上裝定接收系統之間，擊發隔離器則串接于底火觸點與底火發火系統之間。二者原理為：裝定隔離器從裝定能量和擊發能量混合流中提取出裝定能量流，并使引信相對于底火發火回路對擊發能量流呈現高阻態，防止對擊發能量的分流導致擊發異常，以及防止擊發能量流損壞引信；擊發隔離器從混合流中提取出擊發能量流，防止裝定能量流流入底火回路中。擊發隔離器和裝定隔離器功能示意圖，如圖3所示。

圖2 能量控制器功能示意圖Fig.2 Schematic diagram of power control functions

圖3 擊發隔離器和裝定隔離器功能示意圖Fig.3 Schematic diagram of firing and setting isolation functions

系統工作過程為：裝定控制器在接收到裝定指令和裝定信息后，將調制過的裝定能量輸出到能量控制器，能量控制器檢測在炮閂處能量流狀態，在炮閂處未出現擊發能量流的情況下將經過限制的裝定能量流傳輸到炮閂，能量流通過炮閂與底火觸點分別到達擊發隔離器與裝定隔離器，二者分別判斷通過底火觸點的能量流類型，當裝定能量流出現在炮閂時，擊發隔離器阻止裝定能量流通過，而裝定隔離器將裝定能量流輸出到彈上裝定接收系統中，裝定接收系統利用裝定能量流的能量并從中提取裝定信息。當擊發能量出現在炮閂時，能量控制器立即阻斷裝定能量流傳輸，并隔離裝定控制器。擊發能量流通過底火觸點與擊發隔離器到達底火發火系統，引燃底火發射彈丸，裝定隔離器可抑制過大的擊發能量流通過其傳輸到彈上裝定接收系統中，保護彈上系統不被擊發能量損壞。

2 共用底火雙向隔離系統模型

2.1 理想雙向隔離系統邊界條件

假設裝定控制器的能量輸出無法對擊發系統產生影響，則其邊界條件要求：1)在回路中未出現擊發能量時，在整個裝定能量輸出過程中到達底火發火系統的能量應當為0；2)當擊發出現在回路中時，裝定能量應當消失，擊發隔離器對擊發能量的響應在擊發能量輸出過程中的積分應當大于可靠發火能量；3)到達裝定接收系統的瞬時功率應當小于引信最大安全輸入功率；4)到達裝定接收系統的能量大于引信最小需求能量；5)通過能量控制器的瞬時功率不能大于底火發火系統的最大安全功率；6)能量無法從擊發系統流入裝定控制器。

根據邊界條件要求得到理想隔離系統邊界條件，如(1)式～(6)式所示：

(1)

(2)

Po=fs(g1(Pi)+Pp)≤Ps,

(3)

(4)

g1(Pi)≤Pl,

(5)

g2(Pp)=0,

(6)

式中：0～t1代表裝定能量流輸出時間段；t1～t2代表擊發能量流輸出時間段；Pi代表裝定控制器輸出功率；Pp代表擊發系統輸出功率；Pf代表到達底火擊發系統功率；Po代表到達裝定接收模塊功率；Ps代表裝定接收系統允許的最大輸入功率；Es代表裝定接收系統需要的最小裝定能量；Pl代表底火發火系統的最大安全功率；g1(Pi)為裝定功率控制函數，g2(Pp)為能量單向導通函數；ff(Pp)為擊發隔離函數，fs(g1(Pi)+Pp)為裝定隔離函數。

2.2 雙向隔離系統函數實現分析

擊發隔離器設計需滿足邊界條件(1)式和(2)式。其中，(1)式保證在擊發能量出現之前擊發隔離器斷開，(2)式保證從擊發隔離器檢測到擊發能量時刻t1至底火橋絲點燃時刻t2擊發隔離器維持導通。滿足該條件的擊發隔離器如(7)式所示：

(7)

式中：Uj為閾值判別電壓；U(t)為能量控制器輸出電壓；T為U(t)≥Uj的時刻集合；ti為任意U(t)≥Uj的時刻；t0=min(ti)。由(7)式得到的擊發隔離器為一電壓閾值判別模塊，其工作過程為：當U(t)≤Uj時，擊發隔離器無輸出；當U(t)≥Uj發生時，擊發隔離器導通，并維持導通狀態直到U(t)=0.

(8)

式中：Ui(t)為裝定控制器輸出電壓，Ui=maxUi(t)；Us為系統最大允許裝定電壓。當裝定控制器輸出電壓|Ui(t)|<|Is|Rl時，能量控制器輸出為裝定控制器輸出的等比衰減；當|Ui(t)|≥|Is|R1時，能量控制器以IsRl輸出。

裝定隔離器需滿足：邊界條件(3)式，擊發過程中彈上系統不損壞；邊界條件(4)式，裝定過程中裝定能量供應和裝定信息不失真。滿足以上條件的裝定隔離器如(9)式所示：

(9)

式中:Ul為裝定接收系統最大允許輸入電壓。當U(t)

能量控制器中的能量單向模塊需滿足邊界條件(6)式，能量單向傳輸。其方法如(10)式所示：

(10)

式中：Ic為能量流換向電流，當I(t)≥Ic時，認為能量流由裝定控制器流向炮閂；當I(t)

通過對(7)式～(10)式中的Uj、Is、Ul和Ic進行取值，就可以得到隔離系統的設計實現。如當Uj>0時，擊發隔離器為一電壓閾值判別器，該判別器通過判斷底火觸點上的電壓值控制其自身導通或關斷，其比TVS擊發隔離器能量損耗小，且能適應更多的擊發能量形式。對于車載系統，當擊發電壓為車載電壓U0=24 V時，可設置Ul>U0，則fs(U(t))=U(t)在裝定過程和擊發過程中都成立，不需要裝定濾波器。此狀態下，可設計Ic=0，則能量單向模塊為一個正向二極管。

若裝定能量Ul和信息ul(t)傳輸過程中擊發能量U0突然出現，則由(7)式U0>Ul>Ul≥u1(t)，擊發能量U0占據炮閂并導致(7)式擊發隔離器導通，彈丸發射。同時根據(10)式此時Ic滿足能量流換向條件，裝定控制閥阻斷裝定控制器與炮閂間能量和信息流，保護裝定控制器。因此，當裝定信息傳輸完成后，不需要等待裝定能量消失，只需要擊發能量出現，彈丸便可發射。若裝定信息未傳輸完成時擊發能量出現，則裝定失敗，彈丸發射并以默認工作方式作用。在實際使用中，需要發射前預留時間窗口保證裝定信息傳輸完成。

3 試驗研究

3.1 雙向隔離系統隔離效果試驗

為了分析隔離系統隔離效果，進行了隔離系統對裝定能量流的隔離效果試驗，采用電阻值為2.5 Ω的電阻作為底火發火系統模擬負載，測量裝定能量傳輸過程中該電阻兩端的電壓，對比回路中有無隔離系統時此電壓的區別，評價隔離系統對裝定能量的隔離效果。

通過試驗得到有隔離系統時裝定控制器及擊發系統輸出到底火發火系統上的能量，如圖4(a)所示。圖4(a)中炮閂輸入為裝定控制器和擊發系統輸入到炮閂的能量流電壓波形，底火輸出為輸出到底火擊發系統的能量流波形；兩波形的前100 ms為裝定能量流，100～110 ms為擊發能量流。從圖4(a)中可以看出，當隔離系統存在時，炮閂輸入裝定能量流和裝定信息流時，輸出到底火發火系統的電壓為0，隔離系統隔離了裝定能量流；當擊發能量流輸入時，輸出到底火發火系統的直流發火電壓為20 V. 當隔離系統不存在時，其能量流輸入輸出如圖4(b)所示。圖4(b)中炮閂輸入為此時輸入到炮閂的裝定能量流電壓值，底火輸出為此時輸出到底火發火系統的裝定能量流電壓值，由此可以看出兩條曲線幾乎完全重合。由于底火發火系統負載很小，觸發裝定控制器電源打嗝保護，其波形呈現脈沖狀態。通過對比圖4(a)和圖4(b)，當無隔離系統時，裝定控制器輸出到底火發火系統的功率過大，觸發裝定控制器電源模塊保護，形成如曲線所示波形。當隔離系統存在時，裝定系統輸出到底火發火系統的功率均值為0，表明隔離系統可以實現隔離底火發火系統與裝定能量的功能。

圖4 裝定能量和擊發能量對底火輸出波形圖Fig.4 Output on primer by setting and firing inputs

為了確定在裝定能量輸出狀態下由隔離系統引入的噪聲對底火發火系統的影響。對底火發火系統在裝定能量輸出狀態下噪聲進行了測試，并與移除裝定控制器和隔離系統、底火發火系統直接接在擊發能量輸出端且關閉擊發能量輸出狀態下的噪聲進行對比。圖5為噪聲幅值譜密度圖，其中圖5(a)為裝定控制器輸出裝定能量時的噪聲，圖5(b)為裝定控制器輸出裝定信息時的噪聲，圖5(c)為直接接在發火能量輸出端的噪聲。對比圖5(a)和圖5(b)可以看出，裝定能量和裝定信息輸出時噪聲相當，統計表明通過隔離系統輸入的噪聲平均幅值譜密度均為-46 dB，幅值譜未發生明顯變化，由隔離系統引入的噪聲與此時流過炮閂的是裝定能量流還是裝定信息流無關。

圖5 底火輸入噪聲頻譜圖Fig.5 PSD graph of primer input noise

對比圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)可以發現，在裝定控制器和隔離系統未接入的情況下其噪聲較小，統計表明平均功率譜密度為-47 dB，噪聲略小于裝定能量輸出時，二者噪聲平均功率譜密度相差1 dB. 因此，裝定能量和信息過程會導致額外的噪聲從隔離系統引入底火發火系統，引入噪聲的功率增加較小，不會對底火發火系統造成顯著影響。

對隔離系統對擊發能量流的隔離效果進行了測試，通過測量擊發能量出現在炮閂時，裝定控制器輸出端電壓和電流，評價系統對擊發能量的隔離效果。擊發能量流對裝定控制器的能量流輸入如圖6所示。圖6中，炮閂的電壓為曲線炮閂輸入；當隔離系統不存在時，裝定控制器輸出端的電壓為裝定器輸出1；當隔離系統存在時，裝定控制器輸出端電壓為裝定器輸出2. 從圖6中可以看出，在擊發能量出現前，炮閂處電壓與裝定控制器輸出電壓相同。當擊發能量輸出時，在隔離系統不存在的條件下，擊發能量直接倒灌入裝定控制器，將裝定控制器電壓拉升到與擊發電壓一致，此時裝定控制器實測輸出電流為：-113 mA，存在較大能量輸入，當裝定控制器中存在電流檢測等類型的元件時，此反向電流會導致其負載過大，降低其可靠性及使用壽命。在隔離系統存在的條件下，當擊發能量出現在炮閂時，裝定控制器輸出端保持其電壓穩定，且無電流輸入或輸出，裝定控制器不會被損壞。

圖6 擊發能量對裝定控制器輸出波形圖Fig.6 Output at setting control system by firing energy

3.2 隔離系統及裝定系統對擊發能量流影響試驗

隔離系統和裝定系統對擊發能量流的影響主要包括隔離系統的能量損耗和動作時間損失，通過測試擊發系統輸出端到底火發火系統間的能量損失，即可得到隔離系統對擊發能量流的影響。將該能量損失與火炮擊發回路中可能存在的分布電阻造成的能量損失進行對比，可以比較該能量損失對底火發火造成的影響。試驗中采用2.5 Ω電阻模擬底火發火負載，分別測量擊發系統的輸出電壓和負載上的電壓，其結果如圖7所示。圖7中炮閂輸入為擊發系統輸入波形，底火輸出為底火發火負載波形。從圖7中可以看出，隔離系統存在20%的能量損失和5 μs的隔離系統動作時間，隔離系統動作時間對發火的延遲相對于發火時間(毫秒級)可忽略不計。

圖7 隔離系統導通延遲和能量損耗波形圖Fig.7 Switch-on delay and energy loss of isolation system

為了確定隔離系統能量損耗的性質，分別測量擊發電壓為24 V、22 V、20 V時底火發火系統負載電壓，其結果如表1所示。采用二次多項式擬合方法計算隔離系統等效阻抗。通過擬合，得到其電壓損失Ud與擊發負載電流Il的關系為

(11)

從而得到隔離系統零電流壓降為1.3 V，阻性損耗為0.6 Ω. 在擊發電壓為24 V車載電壓的條件下，當擊發回路中分布電阻大于0.66 Ω時，其產生的損耗將大于隔離系統產生的能量損耗。

表1 隔離系統在不同擊發電壓下能量損耗和導通延遲

4 結論

本文通過分析雙向隔離系統原理，建立理想隔離系統邊界條件并分析其函數實現，提出了共用底火裝定能量雙向隔離系統設計方法。通過對隔離系統函數中參數取值，完成了能量雙向隔離系統設計。通過試驗證明，使用共用底火回路有線裝定系統雙向隔離系統設計方法所設計出的隔離系統能夠保證：裝定能量流不會導致底火發火，在隔離系統正常

情況下，由于裝定能量流對底火發火系統產生影響，底火發火系統上的干擾增加1 dB，該干擾增加不會對底火產生可觀察的影響；擊發能量流不會損壞裝定控制器和引信，且擊發能量流不會對裝定控制器產生影響。隔離系統對擊發能量流的損耗小于一般條件下擊發回路分布電阻對擊發能量流的損耗，其影響較小。

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Design Method of Energy Isolation System for Fuze Setting via Primer

LIAO Xiang, LI Hao-jie, ZHANG He

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

In-bore real-time fuze setting via primer is needed to increase the ammunition first round hitting probability of current large or middle caliber gun. The energy isolation system is designed for isolating the setting energy from the primer firing circuit and the firing energy from the setting circuit by establishing the boundary conditions of the isolation system and giving a set of functions that meets the boundary conditions. An energy isolation system for a specific kind of firing energy is designed by setting the parameter values of the functions. The isolation system has been experimentally proved to successfully isolate the firing energy and the setting energy. The firing energy loss on isolation system is very small.

ordnance science and technology; tank gun ammunition; fuze setting; primer circuit; isolation system

2016-07-13

國家自然科學基金項目(61403201)；中央高校基本科研業務費專項基金項目(30915118824)

廖翔(1989—)，男，博士研究生。E-mail: 311012134@njust.edu.cn

李豪杰(1973—)，男，副教授，碩士生導師。E-mail: haojieli@njust.edu.cn

TJ430.2

A

1000-1093(2017)04-0673-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.007