引信對極薄弱目標的動態發火測試方法

魏崢嶸,姚寶珍,冉雪磊,陳劍文,張雪梅,周詩健

(1.陸裝駐白銀地區軍事代表室， 甘肅 白銀 730900；2.湖北三江航天紅林探控有限公司， 湖北 孝感 432000)

高價值彈藥的打靶飛行試驗成本極高，一般需要彈藥在地面進行各功能部件的充分試驗驗證后才能進行飛行試驗。火炮試驗具有成本較低、試驗實施方便等特點，能使大質量的彈丸達到每秒千米以上的初速度，獲得很高的動能載荷，因此在戰略武器和常規戰斗部的研制中，特別是常規半穿甲戰斗部、動能彈侵徹戰斗部、智能侵徹彈藥引信的研制中，火炮試驗方法發揮了極其重要的作用[1]。

當彈丸以低速度打擊類似1 mm厚度極薄弱目標時，撞靶沖擊過載對彈丸的動態響應特性較難達到引信目標敏感裝置的響應閾值，很容易造成彈藥的瞎火或穿過目標后觸地、觸水面作用，使得彈藥的毀傷效能大大降低甚至任務的失敗。為了提高引信對極薄弱目標發火的可靠性，設計引信的慣性發火開關時，一般情況會將慣性開關的閉合閾值降低，提高其靈敏度。但閉合閾值的取值較低時，引信的膛內安全性和彈道安全性將較難保證，很容易造成彈藥的膛炸或在飛行彈道上早炸[2-3]。

參閱國內外文獻資料，對于正式交付的全備彈藥，極薄弱目標的引信安全管控措施比較成熟。對于打擊極薄弱目標的發火測試，如何以較為可靠、低成本的方式保證火炮試驗時測試引信的膛內發射安全性和飛行彈道安全，防止早炸的發生，使得試驗彈丸能夠安全到達靶標進行彈目交會時引信發火性能的考核，查閱文獻資料是當前需要解決的問題。本文以打擊極薄弱目標發火的測試引信為研究對象，研極究薄弱目標的引信動態火炮試驗方法。

1 測試引信原理及試驗流程

智能侵徹彈藥對硬目標實施精確毀傷的起爆控制方式主要有4 種:計時起爆、計層/計空穴起爆、計行程起爆和介質識別起爆[4]。引信的智能發火控制模塊是智能侵徹引信的核心部件，其采集和處理高g值加速度傳感器的過載信號，控制戰斗部在預定的炸點起爆。引信火炮動態試驗的目的只考核終點彈道時刻引信發火控制模塊的炸點控制能力。因此，測試引信的保險不需要嚴格遵守GJB373A《引信安全性設計準則》[5]的要求，只需保證勤務處理及裝彈發射時的安全即可，一般由勤務保險和炮口保險組成。

對于導彈等全備彈藥，彈上一般能夠為引信提供工作的電能源，對于試驗彈，彈上一般不具備電能源。因此，測試引信需自己具備能源部件，本試驗引信中能源部件為24V鋰電池組。炮口保險是測試引信除勤務保險之外的另一道保險，其主要包括慣性體和接電開關等組成。在勤務處理階段及炮膛內發射時，將能源(電池組)與發火控制模塊物理隔斷，防止動態發火測試引信在勤務處理階段誤發火或在炮膛內早炸。在彈丸出炮口解除保險后，接電開關接通，發火控制模塊的電容才能充上電，使測試引信處于待發狀態。

曳光藥主要作用是指示試驗過程中測試引信的發火炸點，以便于試驗結果的判定。

開展薄弱目標的引信動態發火試驗時，試驗彈丸一般速度較低，彈丸及引信獲得的膛內過載較小，炮口保險為了可靠解保，其解保過載條件會設計更低閾值，解保閾值條件越低其炮口安全性和勤務安全性越低。因此僅炮口保險較難保證勤務跌落安全，需要增加勤務保險對隔爆機構進行安全管制。

測試引信與正式全備引信相比，設計異同如下:保留引信結構外形不變；兩級保險更換為一級勤務保險和炮口保險；引信增加能源部件，為動態發火測試引信的工作提供電能源；引信輸出末級藥柱由鈍感猛炸藥改為曳光藥劑，用于炸點指示。針對后效期干擾,增加延期供電電路避開后效期干擾，提高試驗彈的彈道安全性。測試引信原理見圖1。

圖1 測試引信原理框圖

以打擊目標為鋼筋混凝土靶標，靶標面與彈道線夾角為60°為例,火炮動態發火試驗現場布置(俯向剖視)如圖2所示。引信的操作及試驗流程如圖3所示。

圖2 試驗布置示意圖

圖3 測試引信試驗流程框圖

2 炮口保險技術

2.1 炮口保險設計

為了試驗彈丸的膛內及出炮口后效期安全，測試引信需有保證膛內安全且出炮口后延期解除保險的炮口保險[6]。

本文設計了一種炮口保險如圖4所示，該保險件為直線運動式雙行程后坐保險機構[7-8]。試驗彈發射前慣性體處于原始位置(圖4(a))，試驗彈發射時火藥推力建立，彈丸承受后坐過載，炮口保險的慣性體沿-X向(圖4中向下)運動一端距離后，上鋼球也隨之下移(圖4(b))。當后坐過載小于彈簧推力時，炮口保險的慣性體在彈簧推力的作用下沿X向運動，直至保險解除位置(圖4(c))。

圖4 炮口保險

后坐保險機構的可靠解保設計，應以最小發射速度情況下最小膛內過載為參考，炮口保險后坐到位過載也要考慮勤務及彈丸的裝填安全性。

2.2 炮口保險簡化力學模型

假設在后效期結束后炮口保險的慣性體開始向前動作。慣性體運動至炮口保險解保時間為T，對慣性體的運動過程進行簡化，不計摩擦力和重力，慣性體見圖5[8]。

圖5 慣性體示意圖

對慣性體進行受力分析，可得下式：

(1)

式(1)中：m為慣性體質量；k為彈簧的彈性系數；λ為彈簧的原始壓縮量；x為慣性體的位移；t為慣性體位移x時的運動時間。

式(1)的起始條件為：t=0、x=0、dx/dt=0、d2x/dt2=0，將起始條件代入式1中，得慣性體從后坐位置運動到保險解除的運動時間表達式見式(2)：

(2)

將炮口保險設計參數代入式(2)可以計算出炮口保險運動至炮口保險解保時間的T。

2.3 炮口保險運動仿真

利用ADAMS軟件對炮口保險進行了剛體動力學仿真分析。將試驗所得160 m/s發射的試驗彈丸炮膛過載曲線(圖6)施加到設計的炮口保險。進行慣性體的運動學仿真，仿真結果如圖7所示。

圖6 加速度時間曲線

圖7 仿真曲線

從圖7仿真結果可以看出：炮口保險的慣性體感受過載，在3.6 ms時刻運動到位，在84 ms時刻開始向前運動，在131 ms時刻運動到位保險解除。

3 低成本延時充電技術[9]

從圖1可以看出：試驗彈丸出炮口后，未到達目標在飛行彈道上引信提前作用。分析結果認定為：測試引信在膛內已啟動解保或未出后效期就解保完成，炮口保險解除后，火炮后效期仍然對測試引信存在較大影響，后效期的干擾過載達到測試引信慣性開關的閉合閾，使得測試引信提前發火作用。因此，僅使用炮口保險的延期解保功能無法有效徹底擺脫后效期對測試引信的影響。

因此，需要對測試引信給發火控制模塊的開始供電時間點進行延時，在遠離后效期后對測試引信的發火電容進行充電。電路延時可采用的辦法有繼電器延時、微控制器延時和RC模擬電路延時等措施。其中繼電器結構體積較大、成本高；微控制器雖然延時精度高但成本也較高，同時需要增加軟件控制；RC模擬延時電路成本低，體積小。在本方案中RC模擬延時電路具有一定的應用優勢。設計的一種RC模擬延時電路如圖8所示。

圖8 測試引信電路圖

圖8中:E為24 V鋰電池組，為電路提供電能源條件。K為接電開關，炮口保險解除后接通。N1為5 V固定電壓三端集成穩壓器。

V1為可控硅,當C3充電的電壓達到V1的導通電壓時V1導通，當彈丸發射出炮口后效期結束后，炮口保險解除，接電開關接通，R3兩端的24 V電壓才能供給引信智能發火控制模塊中的二次電源。

R1和C3構成RC延時電路的核心器件。C3的充電過程為一階電路的零狀態響應，其數學表達式為

(3)

式中:u為任意時刻t,電容器C3兩端電壓；ut為電容器C3充滿終止電壓；u0為電容器C3初始電壓；R1為電容器C3充電電阻阻值；C為電容器C3容值。

此電路中，電容器C3兩端的初始電壓u0為0，故上式可簡化為

(4)

式(4)中：τ=RC時間常數。

C3的充電電壓波形為如圖9所示。

圖9 充電電壓波形

可控硅V1的導通電壓根據器件手冊查得其范圍為0.62～0.8 V,取其中值0.7 V，則延時導通時間t為

(5)

從充電電壓波形圖和式(5)中可見，當充電時間為0.154倍的τ時，電容器C3兩端的電壓u已達可控硅V1的平均導通電壓，此時可有效導通V1。

4 試驗驗證

引信的動態發火試驗采用155滑膛炮作為加載設備，試驗時彈丸為惰性彈丸。測試引信設置為計時起爆模式，計時起爆時間為7 ms，引信在靶后發火作用。測試引信炮口保險解除后的延時充電時間為30 ms。不同靶標標下的引信發火情況如表1所示。

表1 引信發火情況

表1中，序號1為引信提前發火的試驗情況，如圖10所示，測試引信在彈丸發射后距炮口4 m位置提前發火。由于彈丸未到達目標靶，因此試驗未能考核到終點彈道時刻引信智能發火控制模塊的炸點控制能力。經增加30 ms延時充電功能后，測試引信未出現彈道提前發火作用情況。

圖10 引信提前發火景象

序號5的彈丸速度160 m/s，落角90°，打擊1 mm厚Q235鋼板時的試驗發火景象，如圖11所示。

圖11 160 m/s發火景象

序號6為導彈速度280 m/s，落角90°，打300 mm厚鋼混靶時的試驗發火景象，如圖12所示。

圖12 280 m/s發火景象

通過對10發火炮動態發火試驗數據進行總結分析，結果表明，第1發測試引信因受后效期影響提前發火之外，經增加延時充電功能后的其余試驗方法可行，試驗均取得智能發火模塊對炸點的考核數據。

5 結論

針對智能侵徹引信工程研制階段對薄弱目標進行動態發火火炮試驗時，因后效期的干擾影響，測試引信的慣性開關在彈道上提前閉合引起早炸，設計了引信動態發火測試的試驗方案，解決了引信的炮口保險和延時充電。試驗結果表明：該方法可以保證試驗時引信的炮口安全和彈道安全，用于對薄弱目標的引信研制試驗，具有工程應用價值。