防暴彈定高空爆控制系統研究

莊維偉，劉加凱，潘國強，張金濤

(1.武警部隊裝備部軍事代表局， 北京 100045； 2.武警工程大學裝備管理與保障學院， 西安 710086)

防暴彈藥主要包括催淚彈、爆震彈、染色彈等多個類型。近年來，防暴彈藥已作為武警部隊維權執法等行動中的有效打擊手段被廣泛使用。由于海警部隊執行任務的場所通常在海上(或水上)，傳統落地后發火的防暴彈藥無法正常發揮作用，空爆式防暴彈越來越受青睞。然而當前的空爆式防暴彈一般采用火藥延期的方式實現空爆或空中開倉，由于火藥的延期特性不穩定，使得防暴彈爆炸、開倉高度存在較大的分散，非致命效應難以保證，戰術效能不易把握，并且作用距離局限性明顯、靈活性較差[1-2]。

因此，本文開展了基于艦載防暴彈發射平臺的定高空爆控制系統的研究，該系統采用智能控制的方式實現艦載發射防暴彈定高空爆或定高開倉，對目標實施有效的打擊，其作用效果如圖1所示。

圖1 防暴彈定高空爆控制系統作用效果示意圖

1 定高空爆控制系統的結構原理

該系統主要由發射器控制裝置和彈丸信號接收裝置組成。其中發射器控制裝置安裝在防暴彈發射器上，由激光測距模塊、速度傳感器模塊、傾角傳感器模塊、單片機控制模塊、無線發射模塊組成；彈丸信號接收裝置安裝在彈丸頭部，主要由無線接收模塊、單片機控制模塊和點火模塊組成；彈丸裝藥系統包括防暴藥劑、發射裝藥等。防暴彈定高空爆控制系統的整體結構示意圖如圖2。

圖2 防暴彈定高空爆控制系統結構示意圖

防暴彈定高空爆控制系統的工作原理如圖3所示。彈丸發射前，利用激光測距模塊測量目標距離；彈丸發射瞬間，利用速度傳感器模塊和傾角傳感器模塊分別對彈丸發射時的初速和傾角進行測量，并將測量到的這兩個數值傳送給控制模塊進行處理獲得彈丸飛行的外彈道信息，得到彈丸從發射到飛行至距離目標地面5～10 m處所需的起爆時間，并將時間信息利用電磁感應裝定模塊裝定于防暴彈上；彈丸接收到裝定信息后開始計時，到達起爆時間后，經由單片機控制模塊處理，引爆點火模塊，使彈丸在距離地面5～10 m處爆炸，達到較好的作用效果。

圖3 定高空爆控制系統工作原理框圖

定高空爆防暴彈改變了傳統防暴彈的作用方式，與現有防暴彈相比，定高空爆防暴彈具有以下明顯的優勢：① 彈藥空爆，作用效果好；② 非致命效應突出，安全性高；③ 采用定高控制技術，定高控制精度高；④ 射程遠，有效威力幅員面積大；⑤ 實現了精確測距、自動解算彈道、自動裝定空爆信息，具備信息化、智能化特點。

2 防暴彈外彈道特性仿真分析

對于防暴彈定高空爆系統來說，必須充分掌握防暴彈藥的外彈道運動軌跡及飛行時間特性，得到彈丸飛行至距地面5 m處所需要的時間，才能實現對彈藥的空爆時機的精確控制。

2.1 外彈道數學模型

本文以64 mm空爆式防暴彈作為研究對象，根據質點運動規律建立彈丸的質心運動矢量方程。在建立防暴彈外彈道模型中，作以下基本假設[3-4]：

① 彈丸為理想的軸對稱體；

② 彈丸飛行過程中攻角δ= 0；

③ 地表面為平面，重力加速度g的方向豎直朝下，其值g= 9.8 m/s2；

④ 標準氣象條件；

⑤ 忽略地球自轉引起的科氏速度；

⑥ 帶膛線發射器，克服彈丸射出后空中翻轉。

由于彈丸為理想的軸對稱體，可將彈丸的運動看作其質心的運動。彈丸在飛行過程中受重力g和迎面空氣阻力Rx的影響[5]，其質心運動軌跡如圖4所示。

根據圖4的數學關系及外彈道理論，得到x軸和y軸的加速度分量的數學表達式為

圖4 彈丸質心運動軌跡示意圖

-cbH(y)G(v)vx

(1)

-cbH(y)G(v)vsinθ-g=

-cbH(y)G(v)vy-g

(2)

式(1)和式(2)中：ax為空氣阻力加速度矢量；axx為ax在x軸的阻力加速度分量；axy為ax在y軸的阻力加速度分量；g為重力加速度；v為彈丸飛行的速度；vx為v的水平分速度；vy為v的豎直分速度；θ為彈道傾角；cb為彈道系數；H(y)為空氣密度函數；G(v)為阻力函數。

由式(1)和式(2)以及運動學公式，可建立以時間t為自變量的彈丸質心運動微分方程組為[6]

(3)

式(3)中：初始條件為t=0時，x= 0，y= 0，vx=vcosθ，vy=vsinθ。

2.2 外彈道仿真及結果分析

在式(3)中，由于變量較多，本文利用MATLAB進行仿真求解，得到彈丸的外彈道飛行軌跡，并計算得出彈丸飛行至距地面5 m處所需要的時間。

由經典外彈道理論[7]可知，當彈丸的初速、傾角和彈道系數確定后，即可得到唯一的一條彈道曲線。根據空氣阻力定律[8]，可得到彈丸的彈道系數cb為

(4)

式中：i為彈形系數；d為彈丸直徑；m為彈丸質量。對于彈丸直徑為64 mm的64 mm空爆式防暴彈，設定彈形系數i=1.3，彈丸質量m=1 kg，由此可得出其彈道系數cb=5.32 kg/m。

在MATLAB仿真過程中，把初速和射角作為自變量，對其外彈道飛行軌跡和時間特性開展仿真分析。64 mm防暴彈利用防暴彈發射器進行發射，根據其速度和發射傾角特點，選取兩種條件開展外彈道仿真分析：第一種條件為彈丸初速v=80 m/s，傾角θ范圍為10°～50°；第二種條件為：彈丸初速v=100 m/s，傾角θ范圍為10°～50°。圖5和圖6分別為兩種條件下仿真得到的防暴彈外彈道的時間-傾角-彈道高度三維仿真圖。

圖5 初速為80 m/s條件下的外彈道仿真曲線

圖6 初速為100 m/s條件下的外彈道仿真曲線

利用Workspace進行數據查詢可知，在兩種仿真條件下，彈丸飛行至距離地面5 m處所需要的時間如表1所示。

表1 不同條件下的彈丸飛行時間

由表1可知：① 在阻力、初速等參數確定的條件下，傾角不大于45°時，傾角越大，彈丸飛行至距地面5 m所需的時間和彈道高度隨之增大；② 在傾角相同的條件下，初速越大，彈丸飛行至距地面5 m所需的時間和彈道高度也隨之增大。

3 定高空爆控制系統性能測試試驗

在掌握了彈丸外彈道飛行軌跡后，本文完成了防暴彈定高空爆控制系統的硬件電路設計和軟件程序編譯，并加工了定高空爆控制系統的原理樣機，如圖7所示。對原理樣機進行了初速、傾角以及起爆時間值的測試計算。

圖7 定高空爆控制系統原理樣機

測試情況如下：

1) 初速和傾角測試

測試目的：檢測速度傳感器和傾角傳感器，測試初速和傾角的靈敏度和穩定性。

測試初速的方法和過程：利用兩對紅外光電管對初速進行測試，將陀螺儀擺到0°的位置，先觸碰到右邊的光電管，計時器開始計時，后觸碰到左邊的光電管，計時器停止計時，經單片機計算可得到發射時的初速度。

測試傾角的方法和過程：對傾角傳感器進行測試，通過順逆時針的旋轉，以及不規則的平移等操作，觀察其能否將角度定為30°，以及它的靈敏度如何，調整完的傾角數據可顯示到OLED顯示屏上。

2) 起爆時間測試

測試目的：檢驗單片機計算的時間值能否滿足設計要求。

測試方法和過程：在實彈發射過程中，發射器的射角即為彈丸發射時的傾角，發射傾角范圍在0°～90°。因此模擬實彈發射過程，先將傾角傳感器調整到一個適當的角度，用上述方法測量出彈丸的初速和傾角，通過控制模塊的計算，可得到起爆時間，利用感應裝置將時間信息裝定于彈丸，同時計時器開始計時，到達該起爆時間后，引爆彈丸。測試過程中，記錄每一次速度、傾角和時間值。

3) 感應裝定測試

本系統利用發光二極管來代替信號裝定模塊，當信號經感應裝置裝定成功后，LED燈閃亮，則表示信號成功接收。

通過對設計制造的防暴彈定高空爆控制系統原理樣機進行測試表明，所設計的系統原理樣機能夠較好地實現對初速和傾角的測試、起爆時間的測量計算，部分計算數值如表2所列，起爆時間值與仿真結果誤差基本可忽略不計，滿足了設計要求。

表2 不同條件下的彈丸引爆時間值

4 結論

本文提出了基于艦載防暴彈發射平臺的定高空爆控制系統研究，采用智能控制的方式實現艦載發射防暴彈定高空爆或定高開倉，對目標實施有效的打擊。建立了彈丸質心運動的數學模型，利用Matlab軟件對外彈道模型進行仿真計算，得到了不同初速和射角情況下彈丸飛行至距地面5m時所需的時間。在此基礎上研制了定高空爆控制系統原理樣機，開展了初速和傾角測試、起爆時間測試和電磁感應裝定測試，所設計的原理樣機能夠較好地滿足功能要求。本文所研究設計的基于艦載防暴彈發射平臺的定高空爆控制系統改變了傳統防暴彈的作用方式，能夠有效遏制海上(或水上)大規模群體性事件的擴散和蔓延，提高了海警部隊執勤處突的能力。