引信體材料對彈底可編程時間引信感應信號影響的仿真研究

丁　毅，張小祿，張　濤，張　巖，屈　潔

(西北機電工程研究所， 陜西 咸陽　712099)

為了滿足近程反導彈藥精確打擊目標的需求，增加小口徑火炮的防空反導能力，電子時間引信在中小口徑彈藥中的應用成為一種發展趨勢。在20世紀90年代瑞士開發了著名的“空中盾牌”35 mm自行高炮系統，在為該系統配用的AHEAD彈藥中，采用了炮口快速感應裝定的彈底可編程時間引信，成為小口徑電子時間引信的典型代表[1-2]。近年來，我國也對AHEAD技術開展研究，形成了自主產品。本論文針對引信體材料對彈底可編程時間引信感應信號的影響開展了仿真分析，為彈底可編程時間引信的研制提供理論支撐。

1　彈底可編程時間引信

1.1　彈底可編程時間引信作用原理

彈底可編程時間引信主要由引信體、電子部件、感應線圈部件、安全系統和爆炸序列等組成。其中電子部件主要由引信電路模塊、電源組成，具有數據裝定、解碼、發火輸出、提供電路能源等功能；感應線圈部件具有感應接收炮口裝定信號的功能；安全系統部分具有保證勤務處理安全和延期解除保險的功能；爆炸序列部分具有起爆彈丸功能。

彈丸發射時，在后坐力和離心力的作用下，安全系統中后坐保險和離心保險解除保險，延時機構轉動。同時，壓電陶瓷堆在膛內環境力作用下，快速激活并在彈丸出炮口前穩定供電，保證引信電路工作。同時儲備式化學電源在膛內環境力作用下激活并在炮口處穩定供電，保證引信電路工作。當彈丸通過多功能炮口裝置的感應裝定線圈時，感應線圈部件感應接收裝定時間信號，電子部件進行信號濾波、整形、解碼和定時器初值裝定，定時電路根據裝定時間倒計時。彈丸飛出炮口保險距離以外，回轉裝置轉正到位，爆炸序列的各火工元件對正。當彈丸飛行到保險距離之外時，發火電路充電。當定時電路倒計時計數到零時，輸出起爆信號，火工品作用，引信爆炸。若裝定平臺未裝定或裝定失效，引信計時到自毀時間自毀，圖1為彈底可編程時間引信作用原理框圖。

1.2　影響彈底可編程時間引信感應裝定信號的因素

引信感應裝定信號質量的好壞是彈底可編程時間引信感應裝定能否正確解碼的重要影響因素。由于彈底可編程時間引信采用變壓器耦合原理進行信號傳輸[3]，根據變壓器感應耦合等效電路(如圖2所示)及工作原理，由變壓器耦合式(1)、式(2)可知，影響引信感應裝定效率的主要因素有兩線圈之間的互感M、線圈的電感、發射線圈工作電流等。其中線圈之間的互感主要由兩個線圈的幾何排列及磁區域的磁導率所決定；在發射線圈工作條件確定的條件下，影響引信感應裝定信號的主要因素有：引信體材料特性和感應線圈匝數、匹配參數等。

(1)

-jωMI1+(R2+jωL2+Zl)I1=0

(2)

1.2.1感應線圈匝數、匹配參數

感應線圈匝數、匹配參數--感應線圈部件，主要由繞制在引信體上的接收線圈、高強度注塑防護套等組成。

接收線圈接收到的信號大小取決于與發射線圈之間通過的電磁耦合效率，由于發射線圈和接收線圈之間間隙較大，為松耦合關系，只能根據發射線圈磁通密度的分布曲線，設計理想匝數的接收線圈，使之在發射線圈內耦合具有足夠的信號幅度與理想的信號波形[4]。通過調節接收線圈匝數及匹配電路，可以使接收線圈接收到的信號幅度滿足彈載電路信號處理的要求，提高引信感應裝定可靠性。

1.2.2引信體材料特性

針對在炮口裝定試驗發現的炮口感應裝定存在受干擾、丟數據、不可靠的問題，進一步對引信線圈電感和互感有較大影響的引信體材料進行綜合分析。由于信號感應裝定過程中，彈丸高速通過發射線圈內部，當引信體材料不同時，會導致發射線圈內部磁導率有較大的變化，從而導致引信接收信號有較大的差異[5]。

2　彈底可編程時間引信體材料仿真與分析

針對引信炮口感應裝定數據位丟失問題，開展了引信體材料對感應接收信號影響的研究。在炮口靶增加測速信號的情況下，采用ansoft電磁仿真軟件，分別對高磁導率鋼材料、低磁導率材料引信體情況下引線接收信號進行了仿真分析。分析內容以現有技術設計狀態為基礎，保持線圈扎數、線徑、線間距離、測速裝定線圈外露尺寸、線圈總成尺寸與現有設計一致。仿真結構模型如圖3所示。

仿真參數設置：在炮口靶增加測速信號的情況下，激勵信號(炮口靶感應裝定信號)峰值為30 V的正弦交流電，頻率為2.5 MHz，測速線圈線徑為0.5 mm、扎數為60圈，電流為1A時等，在ansoft電磁仿真軟件下對炮口靶引信接收信號進行仿真分析。引信體為高磁導率鋼材料時，引線感應接收信號仿真結果如圖4所示；引信體為低磁導率材料時，引線感應接收信號仿真結果如圖5所示。

將圖4和圖5對比可以看出，高磁導率鋼材料引信體在高速通過炮口靶時引信接收到的裝定信號出現明顯偏置和畸變，嚴重影響數據裝定；而低磁導率材料在高速通過炮口靶時引信體接收信號偏置低、沒有出現裝定信號明顯畸變現象，不影響數據裝定。

在實際應用中，由于低磁導率材料強度偏低，導致引信體結構強度存在缺陷，故需進一步采取優化措施提高引信體的結構強度。設計中采用在低磁導率材料引信體(鋁制材料)底部加裝低磁導率鋼材料，以提高其結構強度。以下根據改進結構進一步進行建模和仿真分析，分別見圖6、圖7。

從圖7可以看出：采用低磁導率鋁材料引信體底部加裝低磁導率鋼材料組合，引信體接收線圈在裝定區內的接收信號波形變形較小，不影響數據裝定。

3　仿真結果與試驗結果分析

仿真結果分析表明：存在炮口測速激勵線圈條件下，低磁導率材料引信體對引信感應接收信號影響較小，有利于引信電路進行信號濾波、整形處理等；而同樣條件下，高磁導率鋼材料引信體引信感應接收信號存在較大的偏置和畸變，將影響到引信信號的進一步處理，最終導致數據丟失。

根據仿真分析結果，在設計中對引信體材料進行優化處理，采用低磁導率材料引信體底部加裝低磁導率鋼材料進行了結構設計，并進行了試驗驗證。進行了10發裝定射擊回收試驗，10發試驗彈試驗結果均正確裝定，試驗結果表明，經采取優化材料設計等措施，可解決彈底可編程時間引信炮口感應裝定數據丟失的問題。

4　結論

本文針對彈底可編程時間引信體材料的不同，對引信感應接收信號進行仿真分析，對高磁導率鋼材料引信體引起的裝定數據位丟失現象進了準確問題定位，并提出了采用低磁導率鋁材料引信體底部加裝低磁導率鋼材料進行引信結構設計的思路，解決了彈底可編程時間引信炮口感應裝定數據丟失的問題，既保證了強度，又提高了該引信感應裝定可靠性。

參考文獻：

[1]曲秀杰,李杰.電子時間引信裝定技術研究[J].探測控制學報，2001，23(3):21-24.

[2]董方晴.引信設計原理[M].北京:國防工業出版社,1973.

[3]謝處方.電磁場與電磁波[M].北京:高等教育出版社,2001:138-155.

[4]楊會軍,丁立波.引信靜態感應裝定系統中的信息雙向傳輸研究[J].探測與控制學報,2006,28(2):6 -9.

[5]黃學功，賴百壇.炮口感應裝定系統電磁場特性分析[J].彈道學報,2003(2):68-72.