基于串聯戰斗部前級發火信號的引信起爆識別電路

李曉晨，張志遠，李存利，李 仿，吳 奇

(1.西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065；2.西北工業集團，陜西 西安 710043)

0 引言

一、二級戰斗部均為破甲戰斗部的破-破方案戰斗部是打擊裝甲目標的重要手段[1]。破-破戰斗部主裝藥引信的延遲發火時間[2]是保證串聯戰斗部兩級匹配、控制炸高[3]、高效毀傷裝甲目標的必要條件[4]，主裝藥引信的延時起爆控制技術是此類戰斗部的關鍵技術之一[5]。主裝藥引信延時起爆的時間零點為前級戰斗部起爆，因此，可靠識別前級戰斗部起爆是主裝藥引信發火的關鍵。目前單兵反坦克火箭破甲彈引信識別前級戰斗部起爆的方法為基于介質開關，利用前級引信雷管爆炸產生的電離效應使介質開關導通。主裝藥引信延時電路識別到介質開關導通后啟動延時。基于介質開關的起爆信號識別方法存在前級引信雷管瞎火主裝藥引信必然瞎火和介質開關導通時間極短的缺點。破甲彈引信前級起爆信號識別依賴介質開關導致的瞎火故障，其失效機理是介質開關導通時間過短導致引信識別電路漏采信號。本文針對上述問題，提出基于前級發火信號的起爆識別電路。

1 基于介質開關的起爆識別方法

1.1 介質開關組成

介質開關由上金屬片、下金屬片及中間絕緣片三部分組成，結構如圖1所示。上下金屬片為鋁片，并各有一根引線連接到主裝藥引信延時電路。絕緣片為塑料，使上下金屬片絕緣。為了使介質開關不損耗雷管的輸出能量，金屬片和絕緣片一般為0.1 mm厚。

圖1 介質開關結構圖Fig.1 Structural drawing of dielectric switching

1.2 基于介質開關的起爆識別方法工作原理

當破甲彈碰目標時頭部開關閉合導通，前級引信發火電容通過頭部開關向前級雷管放電，前級雷管起爆。雷管起爆時將介質開關擊穿，在絕緣片中間產生一個圓形缺口，然后產生高壓、高速等離子體[6]。等離子體通過介質開關中心的圓形缺口時產生電離效應，將上、下金屬片導通。主裝藥引信延時電路識別到介質開關導通信號后啟動延時，延時到時后輸出主裝藥引信發火信號，實現主裝藥引信延時起爆。電路原理框圖如圖2所示。

圖2 基于介質開關的起爆識別方法原理框圖Fig.2 Principle block diagram of initiation recognition method based on dielectric switching

由圖2可知基于介質開關的起爆識別方法，介質開關導通的必要條件是前級雷管的起爆。目前兩級串聯破甲彈引信大部分采用隔離雷管型安保機構，如果前級引信未能解除保險，雷管則不能接入發火回路，在破甲彈碰目標后前級引信雷管不能發火，導致介質開關不能導通。主裝藥引信延時電路失去延時發火的啟動信號，從而導致主裝藥引信瞎火。

介質開關導通的時間為等離子體的持續時間。雷管起爆1 μs后產生電離，形成高濃度的等離子體，等離子體的持續時間約為 2 μs[6]。因此，主裝藥引信延時電路識別介質開關導通的時間窗口極短，嚴重影響主裝藥引信作用的可靠性。

2 基于前級發火信號的起爆識別電路

基于前級發火信號的起爆識別電路原理框圖如圖3所示，電路由三階低通濾波器和光電耦合識別與調理電路組成。與圖2相比，基于前級發火信號的起爆識別電路通過識別前級引信的發火信號作為主裝藥引信延時電路的啟動信號。以前級發火信號作為啟動信號，能夠避免前級引信未解除保險導致主裝藥引信瞎火的缺點。基于前級發火信號的起爆識別電路通過三階低通濾波器抑制外界電磁干擾信號；通過光電耦合識別與調理電路對引信發火的能量回路和控制回路進行光電隔離，避免不同信號之間的串擾，并將高電壓、瞬態大功率和持續時間短的發火信號調理成為電壓低、持續時間長的TTL電平信號，以方便主裝藥引信延時電路采集與識別。

圖3 基于前級發火信號的起爆識別電路原理框圖Fig.3 Principle block diagram of initiation recognition circuit based on firing signal of front charge

2.1 三階低通濾波器

基于前級發火信號的起爆識別電路采用了三階低通濾波器。為了有效抑制前級戰斗部爆炸時產生的高頻電磁干擾信號，三階低通濾波器采用LC低通濾波器和RC低通濾波器的組合方式，電路模型如圖4所示。LC濾波器中將L1串聯在回路中，應用電感中的電流不能突變的特點，使前級發火信號的電流分量較為平滑，避免瞬態大電流對電路的浪涌沖擊。LC濾波器對高頻交流信號阻抗大具有較好的濾波效果，而對直流信號阻抗小，發火信號通過LC濾波器濾波后，能量損耗較小，有利于后續光電耦合識別與調理電路的可靠工作。RC濾波器放置在LC濾波器之后，可以對高頻信號進行二次濾波，并通過電阻R1對發火信號進行限流，保護光電耦合識別與調理電路。LC濾波器和RC濾波器均為由分立元器件組成的無源濾波器，具有體積小、抗過載能力強、成本低、電路簡單等優點。

根據圖4模型，三階低通濾波器的傳遞函數表示為：

(1)

(2)

如文獻[7]所述，前級戰斗部爆炸產生的電磁信號頻段為20～100 MHz。由此，三階低通濾波器的fP設計為小于10 MHz，可以有效抑制高頻的干擾信號，并通過低頻的發火信號。

圖4 三階低通濾波器電路模型Fig.4 Model for third order low-pass filter

2.2 光電耦合識別與調理電路

基于前級發火信號的起爆識別電路采用了光電耦合識別與調理電路。光電耦合器選用直流輸入、NPN三極管輸出型光耦，在電路中對前級發火信號進行隔離和放大。光電耦合識別與調理電路將幅值高、時間短的前級發火信號轉換為主裝藥引信延時電路能夠識別的電壓低、時間長的TTL信號。電路模型如圖5所示。

圖5 光電耦合識別與調理電路模型Fig.5 Model for identification and conditioning circuit based on optocoupler

圖5中，光電耦合識別與調理電路的輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，輸入信號對輸出信號具有高隔離度，避免了瞬間大電流的前級引信發火信號對主裝藥引信延時電路的干擾。光耦原邊輸入信號UI，將產生輸入電流If；副邊在If驅動下光敏三極管導通，產生電流Ic，Ic通過R2產生輸出電壓Uo；Uo的變化，直接反映了前級發火信號的電壓變化情況；延時電路通過判斷Uo的上升沿確定前級發火信號的到來，并啟動延時。

前級發火信號是具有直流特征的大電流功率信號，能夠使光敏三極管瞬間飽和導通。光耦導通后，光敏三極管基區會超量存儲電荷，超量電荷的消散需要一定時間，光敏三極管在此消散時間內仍能維持飽和導通。光耦的這種特性在Uo上表現為Uo高電平的維持時間大于前級發火信號的脈寬。即使前級發火信號很快消失，Uo高電平仍能持續一段時間，使延時電路信號識別的時間窗口延長，提高了主裝藥引信延時電路的作用可靠性。

3 仿真及實驗驗證

依據上述對基于前級發火信號的起爆識別電路的設計，制作了基于前級發火信號的起爆識別電路原理樣機，對電路的幅頻響應進行仿真分析，對電路的電性能和抗爆性進行測試。

3.1 幅頻響應仿真分析

按照圖4模型，L1設置為1 μH，C1設置為4.7 pF，R1設置為1 kΩ，C2設置為1 000 pF，使用MULTISIM的交流分析功能對三階低通濾波器的幅頻特性進行仿真計算，如圖6所示。

圖6 三階低通濾波器的幅頻特性曲線Fig.6 Mplitude frequency characteristic curve of third order low-pass filter

由圖6可以看出，三階低通濾波器的截至頻率為1.5 kHz，對頻率在20～100 MHz內的信號衰減180～240 dB，并且對頻率在16.5～355.3 MHz內的信號出現陷波，對爆轟產生的高頻信號抑制迅速增大。通過仿真分析，發現三階低通濾波器可以通過頻率小于1.5 kHz的低頻信號，對頻率大于50 kHz的信號衰減大于50 dB，對頻率在20～100 MHz范圍內的爆轟干擾信號出現陷波，抑制效果加強。

3.2 靜態實驗

采用電容向電阻放電的方法，產生不同幅值和寬度的脈沖信號，模擬前級引信發火信號，并施加到基于前級發火信號的起爆識別電路的輸入端。光電耦合識別與調理電路工作電壓為5.0 V，用示波器監測電路輸出端，測試電路對發火信號的調理后的幅值與寬度。實驗數據如表1所示。

表1 靜態測試數據表

由表1可以看出，電路能夠將10～100 V，脈寬大于5 μs的發火信號調理成4.4～4.6 V的TTL電平信號，并將信號寬度延展約30 μs。與基于介質開關的起爆識別方法相比，基于前級發火信號的起爆識別電路可以可靠識別不同幅度和脈寬的前級引信發火信號，并將主裝藥引信延時電路信號識別的時間窗口由2 μs提高到30 μs。

靜態實驗表明，基于前級發火信號的起爆識別電路可以將主裝藥引信延時電路信號識別的時間窗口提高一個數量級，可以適應低電壓、小脈寬和高電壓、長脈寬的輸入信號。

3.3 抗爆性及動態實驗

基于前級發火信號的起爆識別電路應用到某串聯破甲彈引信中，引信抗爆性實驗數據如表2所示，動態發火實驗數據如表3所示。

表2 引信抗爆性實驗數據表

由表2可以看出，電路在不同炸藥類型和不同藥量的爆轟環境下，能夠可靠識別前級發火信號，完成主裝藥引信延時發火功能，延時發火時間均在設計范圍內。抗爆性實驗表明，基于前級發火信號的起爆識別電路抗干擾能力強，能夠經受200 g聚奧8戰斗部爆炸產生的爆轟和電磁干擾，并可靠識別前級發火信號。

表3 引信動態發火實驗數據表

由表3可以看出，在配用彈種相同、實驗溫度相同、實驗海拔高度提高、實驗樣本量增加的條件下，使用基于前級發火信號的起爆識別電路的引信比使用基于介質開關的引信作用率提高6%。基于前級發火信號的起爆識別電路能夠在海拔5 000 m和-40～+50 ℃范圍內可靠工作，具有較好的環境適應性。

動態發火實驗表明，基于前級發火信號的起爆識別電路環境適應性強、工作可靠性高，能夠可靠為主裝藥引信延時電路提供啟動信號，顯著提高了主裝藥引信的作用可靠性。

4 結論

本文提出了基于前級發火信號的起爆識別電路。該電路通過以前級發火信號取代以介質開關導通作為啟動信號。通過設計三階低通濾波器和光電耦合識別與調理電路等措施，延長了信號識別的時間窗口，提高了主裝藥引信延時電路的抗干擾性和作用可靠性。仿真和實驗驗證結果表明，該電路抗干擾能力強、可靠性高。基于前級發火信號的起爆識別電路為單兵反坦克火箭破甲彈引信的前級起爆識別提供了新的技術途徑。