張雄星, 鄒金龍, 王偉, 蘇思友
(1.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710065; 2.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院, 陜西 西安 710021)
當(dāng)今,高速侵徹武器已經(jīng)是一個(gè)國(guó)家軍事實(shí)力的代表。現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中,硬目標(biāo)靈巧引信研究是侵徹武器的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-5]。引信從傳統(tǒng)的定時(shí)引信發(fā)展到現(xiàn)在的計(jì)層、計(jì)深、介質(zhì)識(shí)別等多功能智能引信,其精度和智能化越來越高。隨著侵徹武器速度的提高,侵徹目標(biāo)過程中,彈體受到的沖擊變大,振動(dòng)也變大,大大增大了引信設(shè)計(jì)的難度。
在侵徹引信中,常采用壓阻式或壓電式加速度傳感器[6-8]獲得侵徹戰(zhàn)斗部侵徹目標(biāo)的過載信號(hào)。加速度傳感器的輸出信號(hào)總是包含2種信號(hào):侵徹戰(zhàn)斗部的過載信號(hào)和彈體的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。這2種信號(hào)耦合在一起,當(dāng)大長(zhǎng)徑比侵徹戰(zhàn)斗部高速侵徹多層靶板時(shí),過載信號(hào)與振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)頻率接近,難以解耦,從而導(dǎo)致侵徹計(jì)層錯(cuò)誤[9-10]。針對(duì)過載信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)耦合在一起,形成信號(hào)粘連的問題,有研究人員提出機(jī)械濾波[11]、數(shù)字濾波[12]等方法進(jìn)行解決。由于加速度傳感采集的信號(hào)是侵徹戰(zhàn)斗部所受振動(dòng)、沖擊響應(yīng)的疊加,振動(dòng)信號(hào)與過載信號(hào)在時(shí)域和頻域特征上沒有顯著區(qū)別,所以利用時(shí)域和頻域等信號(hào)處理的方法都無法提取有效的過載信號(hào)[13-14]。
用于鐵磁目標(biāo)探測(cè)的磁敏感探測(cè)技術(shù),尤其是針對(duì)水下目標(biāo)的磁異常探測(cè)技術(shù)已在軍事領(lǐng)域應(yīng)用多年[15-17],但尚未有用于侵徹計(jì)層的技術(shù)見諸報(bào)道。本文提出一種新型磁敏感計(jì)層方法,該方法具有非接觸、靈敏度高、不受目標(biāo)速度、振動(dòng)等因素影響的優(yōu)點(diǎn),克服了傳統(tǒng)加速度計(jì)計(jì)層方式的缺點(diǎn),不依賴加速度計(jì)、應(yīng)變片等力學(xué)傳感器,通過磁場(chǎng)探測(cè)實(shí)現(xiàn)侵徹戰(zhàn)斗部空穴識(shí)別和計(jì)層,可以解決彈體振動(dòng)帶來的信號(hào)粘連問題,對(duì)鋼甲、金屬目標(biāo)、鋼筋混凝土地下工事等尤為敏感。磁敏感侵徹計(jì)層方法在高沖擊大過載條件下具有更高的可靠性,可作為基于加速度計(jì)的侵徹計(jì)層方法的有效補(bǔ)充,從而提升侵徹計(jì)層的性能。
本文采用磁敏感探測(cè)來實(shí)現(xiàn)侵徹的計(jì)層。侵徹戰(zhàn)斗部的彈殼是高強(qiáng)度鋼,引信位于侵徹戰(zhàn)斗部的尾部,引信管殼采用非磁性金屬鈦。在引信內(nèi)部放置磁鋼產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng),侵徹戰(zhàn)斗部對(duì)磁場(chǎng)不會(huì)完全屏蔽,戰(zhàn)斗部的尾部會(huì)有漏磁。通常打擊的硬目標(biāo)是由鋼筋混凝土組成,混凝土中的鋼筋屬于導(dǎo)磁性材料。當(dāng)侵徹戰(zhàn)斗部侵徹鋼筋混凝土目標(biāo)時(shí),鋼筋混凝土中的鋼筋會(huì)對(duì)侵徹戰(zhàn)斗部周圍的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。在侵徹過程中,引信內(nèi)部的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。在引信內(nèi)部某些敏感位置,通過安置磁傳感器檢測(cè)引信內(nèi)部的磁場(chǎng)變化,得到侵徹戰(zhàn)斗部的穿層響應(yīng)信號(hào),可實(shí)現(xiàn)計(jì)層。在彈體接近、接觸、穿越以及離開目標(biāo)過程中,引信內(nèi)部磁場(chǎng)信號(hào)特征如圖1所示,其中d為磁探測(cè)器與硬目標(biāo)間的距離。

圖1 侵徹過程中磁場(chǎng)信號(hào)隨距離變化關(guān)系Fig.1 Magnetic signal versus distance in penetration process
本文針對(duì)計(jì)層難題提出了一種磁敏感侵徹計(jì)層方法。根據(jù)提出的侵徹計(jì)層方法,建立侵徹戰(zhàn)斗部模型,采用有限元分析軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,驗(yàn)證方案原理的可行性。
使用有限元分析軟件ANSYS建立戰(zhàn)斗部模型[18-19],侵徹戰(zhàn)斗部的剖面圖如圖2所示。

圖2 侵徹戰(zhàn)斗部模型的剖面圖Fig.2 Profile of penetrating warhead model
侵徹戰(zhàn)斗部中后部為空心柱體,彈長(zhǎng)1 500 mm,直徑為300 mm,壁厚為15 mm. 侵徹戰(zhàn)斗部彈殼采用低合金超高強(qiáng)度鋼,材料為35CrMnSi,相對(duì)磁導(dǎo)率為200. 侵徹引信為彈尾引信,通過螺紋安裝在侵徹戰(zhàn)斗部的尾部。引信管殼為非磁性金屬鈦,與鋼相比具有更高的抗過載能力。引信管殼的結(jié)構(gòu)近似為空心圓柱體,壁厚為5 mm,直徑為100 mm,長(zhǎng)度為200 mm.

圖3 引信結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of fuze structure
侵徹引信內(nèi)部分為3個(gè)單元,分別為電子接口適配單元、電子模塊單元以及雷管和保險(xiǎn)單元。其中,電子模塊單元位于引信的中段。
在電子模塊單元安裝2片磁鋼以及磁場(chǎng)傳感電路,如圖3所示。磁鋼選用釹鐵硼磁體,其最大磁能積為35MGOe. 磁體形狀是薄圓柱體,直徑為5 mm,厚度為1 mm,矯頑力為876 kA/m,相對(duì)磁導(dǎo)率為2 000. 2片磁鋼與引信底部管殼的間距為50 mm,與管殼側(cè)壁的距離為15 mm. 磁場(chǎng)傳感電路與引信底部管殼的間距為120 mm,其中磁場(chǎng)傳感芯片位于引信軸線上。采用鋁材料的夾具對(duì)磁鋼和磁場(chǎng)測(cè)量電路進(jìn)行定位,通過灌封提高抗過載能力。
2片磁鋼的極性相反布置,使引信軸線上的磁場(chǎng)方向平行于磁場(chǎng)傳感電路所在平面。磁場(chǎng)傳感芯片的敏感軸平行于印制電路板,可選芯片(例如HMC1021S、HMC1021D)的高度為1.5 mm. 當(dāng)2片磁鋼的極性相同布置時(shí),引信軸線上的磁場(chǎng)方向垂直于磁場(chǎng)傳感電路,磁場(chǎng)傳感芯片的敏感軸需要垂直于印制電路板,可選芯片(例如HMC1021Z)的高度為4 mm. 所以,2片磁鋼的極性相反布置可以減小磁場(chǎng)傳感電路的整體高度。
根據(jù)以上條件,使用ANSYS對(duì)侵徹戰(zhàn)斗部進(jìn)行建模,如圖4所示。

圖4 侵徹戰(zhàn)斗部模型Fig.4 Penetrating warhead model
戰(zhàn)斗部軸線與兩個(gè)磁鋼的軸線互相平行,并在同一個(gè)平面內(nèi),同時(shí)戰(zhàn)斗部關(guān)于該平面對(duì)稱,所以把戰(zhàn)斗部沿著該平面剖開,產(chǎn)生一個(gè)剖面,提取該剖面內(nèi)磁場(chǎng)的分布,可以簡(jiǎn)化仿真的復(fù)雜度。因此建立戰(zhàn)斗部三維磁場(chǎng)模型,并在戰(zhàn)斗部二維剖面上計(jì)算磁場(chǎng)分布。
在二維平面中建立OXY坐標(biāo)系,侵徹戰(zhàn)斗部的模型如圖5所示。引信管殼為非磁性材料鈦,其相對(duì)磁導(dǎo)率為1.

圖5 侵徹戰(zhàn)斗部模型二維剖面圖Fig.5 Two dimensional profile of penetrator model
根據(jù)以上條件,對(duì)引信內(nèi)磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行仿真,選取侵徹戰(zhàn)斗部模型的最優(yōu)網(wǎng)格配置,生成的網(wǎng)格劃分效果如下圖6所示。

圖6 侵徹戰(zhàn)斗部網(wǎng)格劃分效果Fig.6 Meshing of penetrating warhead
仿真得到的侵徹戰(zhàn)斗部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布和引信內(nèi)部的磁場(chǎng)分布情況,分別見圖7(a)和7(b).

圖7 彈體磁場(chǎng)分布Fig.7 Projectile magnetic field distribution
侵徹戰(zhàn)斗部的仿真計(jì)算結(jié)果表明:在戰(zhàn)斗部的前向和側(cè)向,由于侵徹戰(zhàn)斗部外殼的屏蔽,漏磁很微弱。在侵徹戰(zhàn)斗部的尾部,由于引信管殼為非磁性材料,所以在侵徹戰(zhàn)斗部的尾部,有較強(qiáng)的漏磁。這種磁場(chǎng)分布使得磁場(chǎng)對(duì)侵徹戰(zhàn)斗部前方和側(cè)方的鐵磁性介質(zhì)不敏感,而對(duì)戰(zhàn)斗部后方的鐵磁性介質(zhì)敏感。

圖8 鋼筋混凝土靶板模型Fig.8 Reinforced concrete target plate model
在各種遮掩工事中,遮掩結(jié)構(gòu)通常為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),可以把目標(biāo)靶板等效為鋼筋混凝土板[20-21]。參照鋼筋混凝土板配筋的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[22],板在2個(gè)互相垂直方向上都有配筋(稱為縱筋和橫筋),形成鋼筋網(wǎng)。取目標(biāo)為長(zhǎng)寬各為2 m,厚度為300 mm的鋼筋混凝土。鋼筋直徑為16 mm,間距為100 mm,距墻邊50 mm開始配置鋼筋。目標(biāo)共有3層鋼網(wǎng),每層鋼網(wǎng)有40條鋼筋,共有120條鋼筋。鋼筋混凝土板中,鋼筋的磁導(dǎo)率和戰(zhàn)斗部外殼取值相同,取相對(duì)磁導(dǎo)率為200,混凝土由水泥、沙、石組成,其相對(duì)磁導(dǎo)率為1. 鋼筋混凝土靶板模型如圖8所示。
針對(duì)戰(zhàn)斗部垂直侵徹靶板情況,建立侵徹戰(zhàn)斗部穿過1層靶板的模型,如圖9所示。

圖9 侵徹戰(zhàn)斗部穿1層混凝土模型Fig.9 Model of penetrating warhead penetrating into Layer 1
計(jì)算鋼筋混凝土板對(duì)引信內(nèi)磁場(chǎng)的影響時(shí),把鋼筋混凝土板等效為3層鋼網(wǎng)。在二維平面內(nèi),用ANSYS對(duì)侵徹戰(zhàn)斗部侵徹1層混凝土靶板進(jìn)行仿真計(jì)算,模型如圖10所示。

圖10 侵徹戰(zhàn)斗部穿1層混凝土二維模型Fig.10 2D model of penetrating warhead penetrating into Layer 1
在進(jìn)行侵徹戰(zhàn)斗部侵徹1層混凝土靶板的仿真計(jì)算時(shí),選取侵徹戰(zhàn)斗部模型的最優(yōu)網(wǎng)格配置,生成的網(wǎng)格劃分效果如圖11所示。

圖11 1層混凝土模型網(wǎng)格劃分效果Fig.11 Meshing effect of single-layer concrete model
根據(jù)引信內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),仿真時(shí),在引信軸線上選取距離引信頭部80 mm處作為最佳磁場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn),記為P,用以檢測(cè)穿層仿真中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。進(jìn)而得到侵徹戰(zhàn)斗部的磁場(chǎng)分布和引信內(nèi)部的磁場(chǎng)分布情況,分別見圖12(a)和12(b).

圖12 1層目標(biāo)時(shí)彈體磁場(chǎng)分布Fig.12 Magnetic field distribution when projectile penetrating into single layer target
侵徹戰(zhàn)斗部的彈尾部距離靶板的初始位置是-2.5 m,假定將靶板向X軸負(fù)方向移動(dòng)為正方向。為了得到在彈體侵徹過程中,引信內(nèi)的磁場(chǎng)變化曲線,定義了7種工況,分別表示侵徹中彈體與靶板的典型相對(duì)位置。這7種工況分別為:
工況1彈頭距離靶板1.00 m,靶板相對(duì)彈尾的坐標(biāo)為-2.50 m;
工況2彈頭接觸靶板,靶板相對(duì)彈尾的坐標(biāo)為-1.50 m;
工況3彈的一半長(zhǎng)度穿過靶板,靶板相對(duì)彈尾的坐標(biāo)為-0.75 m;
工況4彈的3/4長(zhǎng)度穿過靶板,靶板相對(duì)彈尾的坐標(biāo)為-0.25 m;
工況5彈的尾部恰好脫離靶板時(shí),靶板相對(duì)彈尾的坐標(biāo)為0 m;
工況6彈穿過靶板,彈尾距離靶板0.20 m,靶板相對(duì)彈尾的坐標(biāo)為0.20 m;
工況7彈穿過靶板,彈尾距離靶板1.00 m,靶板相對(duì)彈尾的坐標(biāo)為1.00 m.
侵徹穿層仿真計(jì)算后,得到侵徹過程中P點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化,見表1.

表1 P點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度
侵徹戰(zhàn)斗部侵徹靶板過程按照戰(zhàn)斗部與靶板的間距步進(jìn)0.05 m進(jìn)行仿真計(jì)算,包含了以上的7種典型工況。侵徹戰(zhàn)斗部侵徹1層混凝土靶板的仿真計(jì)算結(jié)果如圖13所示。圖13中縱坐標(biāo)是磁感應(yīng)強(qiáng)度,橫坐標(biāo)是靶板相對(duì)于侵徹戰(zhàn)斗部的距離。

圖13 穿1層時(shí)P處磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線Fig.13 Change curve of magnetic field strength at point P when passing through the first layer
通過上述有目標(biāo)靶板的仿真計(jì)算可知,侵徹戰(zhàn)斗部在侵徹含有導(dǎo)磁介質(zhì)的目標(biāo)時(shí),侵徹戰(zhàn)斗部尾部引信內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生改變。在侵徹目標(biāo)過程中,磁場(chǎng)采樣位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)脈沖,脈沖高度為11.8 μT.
為了分析鋼筋混凝土中鋼網(wǎng)布設(shè)參數(shù)對(duì)計(jì)層的影響,使用更細(xì)的鋼筋以及更小的布設(shè)密度進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如表2所示。
仿真結(jié)果表明:鋼筋網(wǎng)布設(shè)參數(shù)的改變導(dǎo)致侵徹過程中磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)的脈沖高度改變。采用磁阻傳感器進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量,傳感器分辨率可以達(dá)到0.003 μT. 可見,即使在使用較細(xì)的鋼筋以較低的密度布設(shè)鋼網(wǎng)時(shí),侵徹過程對(duì)應(yīng)的磁信號(hào)脈沖高度也是傳感器分辨率的1 000倍左右,從而保證侵徹脈沖檢測(cè)的可靠性。

表2 不同鋼筋直徑下的侵徹仿真數(shù)據(jù)
在實(shí)際戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中,重要軍事基地、戰(zhàn)斗指揮中心等一般為多層鋼筋混凝土的建筑結(jié)構(gòu),所以對(duì)多層硬目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的侵徹計(jì)層尤為重要。本文進(jìn)一步對(duì)侵徹戰(zhàn)斗部侵徹3層鋼筋混凝土板進(jìn)行仿真計(jì)算,模型見圖14. 侵徹戰(zhàn)斗部侵徹3層鋼筋混凝土板的磁場(chǎng)變化如15所示。

圖14 3層混凝土靶板的模型圖Fig.14 Model of 3-layers concrete target plate

圖15 侵徹3層靶板磁場(chǎng)變化Fig.15 Magnetic field variation when penetrating into 3-layers target plate
從圖15可以看出,侵徹戰(zhàn)斗部穿層過靶的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量約為12.5 μT. 結(jié)果表明:對(duì)于3層目標(biāo)靶板,能夠得到3個(gè)獨(dú)立的磁場(chǎng)脈沖。所以,對(duì)于多層靶板的計(jì)層,理論上可以實(shí)現(xiàn)。
為了分析周圍鐵磁性介質(zhì)對(duì)計(jì)層的影響,進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性仿真。在第2層靶板前放置鐵柜,鐵柜為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu),長(zhǎng)、寬、高分別為0.8 m、0.6 m和2.0 m,鐵皮的厚度為4 mm,相對(duì)磁導(dǎo)率取200.
仿真結(jié)果表明:鐵柜對(duì)磁信號(hào)影響取決于鐵柜與侵徹彈道的距離。當(dāng)鐵柜距離彈道0.2 m以上時(shí),鐵柜對(duì)磁信號(hào)無顯著影響;當(dāng)鐵柜接觸到彈道時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)如圖16所示,鐵柜引起磁信號(hào)輸出有一個(gè)高度較低的脈沖,脈沖高度約為過靶脈沖的1/3,可以通過脈沖高度對(duì)侵徹脈沖進(jìn)行鑒別,避免計(jì)層的誤判,提高環(huán)境適應(yīng)性。

圖16 鐵柜干擾下的侵徹3層靶板信號(hào)Fig.16 Penetrating signal for 3-layers target plate under the interference of an iron cabinet
在進(jìn)行靜態(tài)半實(shí)物測(cè)試時(shí),用鋼筋網(wǎng)模擬鋼筋混凝土板,搭建的靜態(tài)半實(shí)物測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖17所示。

圖17 模擬引信侵徹3層鋼網(wǎng)Fig.17 Simulation of fuze penetrating into 3-layers steel meshes
在進(jìn)行靜態(tài)半實(shí)物測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí),3層鋼筋網(wǎng)的間距是0.8 m. 其中,每層鋼筋網(wǎng)中心有一個(gè)邊長(zhǎng)為170 mm的正方形通孔。模擬引信前端封閉,尾部開孔,并在P位置安裝磁傳感器,用來探測(cè)穿層過靶磁場(chǎng)信號(hào)。模擬引信由夾具夾持,初始位置位于第1層鋼網(wǎng)上方0.5 m處(坐標(biāo)為-2.5 m)。當(dāng)夾具釋放模擬引信時(shí),觸發(fā)采樣電路對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行同步采樣,采樣率為10 000次/s. 模擬引信做自由落體運(yùn)動(dòng),依次穿過3層鋼網(wǎng)。由磁傳感器的采樣信號(hào)得到模擬引信下落過程中磁信號(hào)采樣的變化,見圖18.

圖18 侵徹3層鋼筋網(wǎng)的數(shù)據(jù)曲線Fig.18 Data curve for penetrating of 3-layers steel meshes
從圖18中可以看出,在模擬引信穿出鋼筋網(wǎng)時(shí),采集得到的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)輸出一個(gè)脈沖,驗(yàn)證了在引信內(nèi)部P處的穿層響應(yīng)信號(hào)為正脈沖輸出。通過對(duì)穿層響應(yīng)的位置個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),可以實(shí)現(xiàn)侵徹引信的計(jì)層。將采集得到的穿層響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化約10 μT. 由此可見,靜態(tài)半實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)與侵徹彈戰(zhàn)斗部侵徹鋼筋混凝土板的仿真計(jì)算數(shù)據(jù)基本一致,驗(yàn)證了磁敏感侵徹計(jì)層技術(shù)的可行性。
本文通過在侵徹戰(zhàn)斗部引信內(nèi)部放置磁鋼陣列產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng),提出了一種磁敏感侵徹計(jì)層技術(shù)。即侵徹戰(zhàn)斗部侵徹含有導(dǎo)磁介質(zhì)的目標(biāo)時(shí),引信內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度輸出一個(gè)脈沖,產(chǎn)生穿層響應(yīng)信號(hào)。利用磁傳感器對(duì)穿層響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行探測(cè),轉(zhuǎn)換為原始脈沖式電壓信號(hào)輸出,送至微控制器中,根據(jù)脈沖式電壓信號(hào)個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)層。基于仿真分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)磁敏感計(jì)層方法進(jìn)行了驗(yàn)證,得到主要結(jié)論如下:
1)采用有限元法建立了侵徹戰(zhàn)斗部和鋼筋混凝土模型,對(duì)侵徹過程進(jìn)行了仿真計(jì)算,仿真結(jié)果表明,穿層響應(yīng)信號(hào)為正脈信號(hào)。
2) 設(shè)計(jì)并制作磁敏感模擬引信,并使用鋼筋網(wǎng)模擬鋼筋混凝土靶板進(jìn)行靜態(tài)半實(shí)物實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,磁敏感侵徹計(jì)層方法能夠?qū)崿F(xiàn)侵徹計(jì)層,相比于仿真結(jié)果,穿層響應(yīng)信號(hào)變化比較小。
3) 后期實(shí)驗(yàn)中,可通過優(yōu)化磁鋼的牌號(hào)、尺寸、外形以及在引信中的排列位置,提高磁場(chǎng)對(duì)靶板位置的靈敏度,同時(shí),利用相關(guān)濾波跟蹤算法對(duì)穿層響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行濾波處理,得到較低噪聲的電壓信號(hào),對(duì)電壓信號(hào)中的正脈沖計(jì)數(shù),提高磁敏感侵徹計(jì)層方法的可靠性。