帶電磁鎖定功能的弱發(fā)射環(huán)境后坐保險(xiǎn)

劉小崗，鄧震峰，雷軍命

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

單自由度彈性后坐保險(xiǎn)(以下簡(jiǎn)稱后坐保險(xiǎn))是機(jī)電引信安全系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛、最直接的保險(xiǎn)形式。其作為識(shí)別發(fā)射環(huán)境的一道保險(xiǎn)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，作用可靠，一般應(yīng)用在發(fā)射后坐過(guò)載比較大的場(chǎng)合[1-2]。反坦克導(dǎo)彈的發(fā)射一般采用發(fā)射發(fā)動(dòng)機(jī)和續(xù)航發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)發(fā)射。發(fā)射及續(xù)航過(guò)載均屬于弱發(fā)射環(huán)境，發(fā)射過(guò)載一般為幾十g，但持續(xù)時(shí)間僅在幾十毫秒左右，不便于被后坐保險(xiǎn)利用；續(xù)航過(guò)載持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，量值一般在10g以內(nèi)。反坦克導(dǎo)彈機(jī)電引信的后坐保險(xiǎn)大多利用續(xù)航過(guò)載解除保險(xiǎn)。目前，大量應(yīng)用的輕型反坦克導(dǎo)彈或巡飛彈的續(xù)航過(guò)載甚至不足3g，這樣的彈道環(huán)境給引信后坐保險(xiǎn)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的困難。文獻(xiàn)[3]提出一種可識(shí)別6g低發(fā)射過(guò)載的后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，但參數(shù)不易調(diào)整，適應(yīng)性不強(qiáng)。如果通過(guò)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)區(qū)分發(fā)射環(huán)境和勤務(wù)處理環(huán)境將使得機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)，可靠性更無(wú)從談起。采用其他環(huán)境的保險(xiǎn)形式在成熟度、可靠性、體積及成本等方面均不及后坐保險(xiǎn)。為解決弱發(fā)射環(huán)境引信后坐保險(xiǎn)對(duì)武器平臺(tái)超低續(xù)航過(guò)載環(huán)境的識(shí)別困難，本文提出帶電磁鎖定功能的后坐保險(xiǎn)。

1 后坐保險(xiǎn)

1.1 后坐保險(xiǎn)模型

反坦克導(dǎo)彈引信后坐保險(xiǎn)一般利用導(dǎo)彈續(xù)航過(guò)載解除保險(xiǎn)，后坐保險(xiǎn)模型如圖1所示。在實(shí)際應(yīng)用中可在后坐保險(xiǎn)筒側(cè)向加限位，發(fā)射程序開(kāi)始時(shí)解除限位。本文僅討論后坐保險(xiǎn)筒的動(dòng)作過(guò)程，續(xù)航過(guò)載持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，量值一般在10g左右。后坐保險(xiǎn)體積小、可靠性高，是首選的保險(xiǎn)形式。在續(xù)航過(guò)載持續(xù)期間，后坐保險(xiǎn)筒保持在解保位置，續(xù)航過(guò)載消失，后坐保險(xiǎn)筒恢復(fù)原位。

圖1 后坐保險(xiǎn)模型Fig.1 Model of setback arming device

1.2 后坐保險(xiǎn)筒受力分析

根據(jù)使用要求，后坐保險(xiǎn)可靠解除保險(xiǎn)過(guò)載系數(shù)為6,可靠保險(xiǎn)過(guò)載系數(shù)為4。后坐保險(xiǎn)模型參數(shù)如表1所示，后坐保險(xiǎn)筒的受力圖如圖2所示。m為保險(xiǎn)筒質(zhì)量，彈簧質(zhì)量?jī)H為后坐保險(xiǎn)筒質(zhì)量的1%，并且系統(tǒng)工作在非諧振模式，彈簧的等效質(zhì)量可忽略不計(jì)。

表1 后坐保險(xiǎn)模型參數(shù)Tab.1 Model parameter of setback arming device

圖2 后坐保險(xiǎn)筒受力圖Fig.2 Force diagram of setback arming device

從開(kāi)始至t0時(shí)刻，位移x=0，后坐力F、引信體對(duì)后坐保險(xiǎn)筒的反作用力F1與彈簧抗力N平衡，即0≤t≤t0時(shí)，位移x=0。在t0時(shí)刻，后坐保險(xiǎn)筒開(kāi)始啟動(dòng)。此時(shí)，F(xiàn)=N，

ma(t)=k(λ0+x)

(1)

(2)

當(dāng)t>t0時(shí)：

(3)

(4)

對(duì)式(4)求解即可得到位移響應(yīng)解析解。后坐保險(xiǎn)筒位移x的解析表達(dá)式較為復(fù)雜，難以直觀看出后坐過(guò)載環(huán)境參數(shù)周期T和過(guò)載系數(shù)K1的影響規(guī)律[4]。但對(duì)于弱發(fā)射環(huán)境后坐保險(xiǎn)來(lái)說(shuō)，動(dòng)作過(guò)程已限定在發(fā)射周期，主要用途不是區(qū)分跌落過(guò)載與發(fā)射過(guò)載，而是響應(yīng)最低發(fā)射過(guò)載，是解除第一道保險(xiǎn)的基本條件。

2 帶電磁鎖定功能的后坐保險(xiǎn)

導(dǎo)彈、巡飛彈等武器彈藥續(xù)航/巡航過(guò)載極低，傳統(tǒng)后坐保險(xiǎn)無(wú)法適用。但在體積、質(zhì)量及可靠性等方面要求極為嚴(yán)格的情況下，后坐保險(xiǎn)具有很大的優(yōu)勢(shì)，要優(yōu)先考慮。如果不用極低的續(xù)航過(guò)載而使用量值相對(duì)較大的發(fā)射過(guò)載是一種可行的解決辦法，但必須克服過(guò)載持續(xù)時(shí)間短的弊端。帶電磁鎖定功能的后坐保險(xiǎn)基于單自由度彈性后坐保險(xiǎn)，可以感應(yīng)量值相對(duì)較大的發(fā)射過(guò)載，又具備瞬時(shí)動(dòng)作能力，滿足對(duì)短時(shí)較大過(guò)載利用的條件。該后坐保險(xiǎn)在解除側(cè)向約束后為可恢復(fù)式保險(xiǎn)，并作為副保險(xiǎn)，保證平時(shí)及發(fā)射周期的安全。該保險(xiǎn)同時(shí)具備對(duì)系統(tǒng)電源和環(huán)境力的邏輯識(shí)別。

帶電磁鎖定功能的后坐保險(xiǎn)在經(jīng)典后坐保險(xiǎn)筒的下方設(shè)置了一個(gè)圓環(huán)形的電磁鐵， 帶電磁鎖定功能的后坐保險(xiǎn)模型見(jiàn)圖3，后坐保險(xiǎn)筒的材料必須為軟磁材料。

圖3 電磁鎖定后坐保險(xiǎn)模型Fig.3 Model of setback arming device with electromagnetic lock

平時(shí)，無(wú)過(guò)載、未通電時(shí)(參見(jiàn)圖3(a))，在后坐保險(xiǎn)簧的抗力作用下，后坐保險(xiǎn)筒處于高位保險(xiǎn)位置；發(fā)射前給側(cè)向限位及電磁鐵線圈通電，解除限位，但此時(shí)不能影響后坐保險(xiǎn)筒的保險(xiǎn)狀態(tài)。發(fā)射時(shí)后坐保險(xiǎn)筒在短時(shí)較大發(fā)射過(guò)載作用下克服后坐保險(xiǎn)簧的抗力向下運(yùn)動(dòng)與鐵芯上端面接觸，電磁鐵將后坐保險(xiǎn)筒瞬間牢靠鎖定，鎖定持續(xù)時(shí)間根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)定。

斷電后，線圈中的電勵(lì)磁消失，鐵芯無(wú)外加磁場(chǎng)，不再對(duì)后坐保險(xiǎn)筒產(chǎn)生吸力，后坐保險(xiǎn)筒在后坐保險(xiǎn)簧抗力的作用下向上運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)到初始位置，適用于失去作戰(zhàn)時(shí)機(jī)，需要恢復(fù)保險(xiǎn)的場(chǎng)合。工作過(guò)程中預(yù)定過(guò)載和持續(xù)加電缺一不可。

后坐系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)過(guò)程(忽略空氣阻力和摩擦阻力)如下：

(5)

式(5)中，k為彈簧系數(shù)；λ0為預(yù)壓縮量，m；x為位移，m；F為電磁吸力，kg，其余參數(shù)同式(1)。

電磁鐵鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 圓環(huán)形電磁鐵鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch map of ring electromagnet

其吸力的大小可按電磁鐵吸力公式[5]進(jìn)行計(jì)算：

(6)

式(6)中，F(xiàn)為電磁吸力，kg；I為線圈電流，A；W為線圈匝數(shù)；δ為空氣氣隙長(zhǎng)度，cm。

將式(6)代入式(5)即為后坐保險(xiǎn)筒的位移與受力關(guān)系。

3 系統(tǒng)仿真及驗(yàn)證

系統(tǒng)仿真包括質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)混合仿真。由式(6)可知，電磁吸力F在接觸瞬間才會(huì)急劇增大，系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為動(dòng)力學(xué)過(guò)程和接觸瞬間的磁力學(xué)過(guò)程并分別進(jìn)行分析。動(dòng)力學(xué)過(guò)程根據(jù)式(4)即可得到運(yùn)動(dòng)過(guò)程參數(shù)。本節(jié)主要進(jìn)行磁力學(xué)(吸合力)仿真計(jì)算。經(jīng)典設(shè)計(jì)方法在計(jì)算電磁鐵吸合力時(shí)只考慮了線圈的電氣參數(shù)及磁隙的影響，不考慮電磁鐵結(jié)構(gòu)布局對(duì)吸合力的影響[6]。有限元計(jì)算可以基于電磁鐵的結(jié)構(gòu)關(guān)系及電氣特性對(duì)其吸合力進(jìn)行分析，為電磁鐵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

電磁吸力的基本公式為[7-8]：

(7)

式(7)中，F(xiàn)為電磁力，J/cm；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，Wb/cm2；S為磁極表面總面積，cm2；μ0為空氣磁導(dǎo)系數(shù)，為1.25×10-8H/cm。

有限元計(jì)算的核心是求得所需計(jì)算氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的分布，根據(jù)式(7)采用單元積分求和計(jì)算氣隙處的電磁力，從而求得整個(gè)保險(xiǎn)筒所受的電磁吸力。

3.1 吸合力大小仿真計(jì)算

按設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)給出線圈線徑0.05 mm、匝數(shù)為1 350，線圈內(nèi)阻為260 Ω，磁筒材料為工業(yè)純鐵DT4E。利用有限元分析軟件Ansoft進(jìn)行磁力學(xué)仿真計(jì)算，在求解器中定義氣隙進(jìn)行變參分析,并選擇電磁力作為求解對(duì)象。圖5為電磁鎖定裝置吸力與磁氣隙的關(guān)系曲線，圖6為電磁鎖定裝置吸合力與線圈輸入電壓的關(guān)系曲線。

圖5 電磁鎖定裝置吸合力大小與磁氣隙的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between electromagnetic force and distance

從圖5可以看出，當(dāng)后坐保險(xiǎn)筒與磁筒之間的磁氣隙為0時(shí)，20 V輸入電壓時(shí)的吸合力為10 N，30 V輸入電壓時(shí)的吸合力為13 N，大于后坐保險(xiǎn)筒受到的極限外力6.14 N(150g近似半正弦波沖擊)，此狀態(tài)為工作狀態(tài)，在工作電壓范圍內(nèi)，吸合力滿足要求。隨著后坐保險(xiǎn)筒與磁筒之間磁氣隙的增大，其吸合力急劇減小，在0.2 mm時(shí)，吸合力已經(jīng)很小，在1 mm時(shí)，吸合力基本為0，在后坐保險(xiǎn)簧的作用下很快恢復(fù)至安全狀態(tài)。

圖6 電磁鎖定裝置吸合力大小與線圈輸入電壓的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between electromagnetic force and input voltage

從圖6可以看出，電磁鎖定裝置的吸合力總體隨著輸入電壓的增大而增大。20 V輸入電壓時(shí)的吸合力為10 N，有較大的余量。此后，隨著輸入電壓的增大，吸合力持續(xù)增大。

3.2 斷電后的磁吸力計(jì)算

根據(jù)后坐保險(xiǎn)的使用要求，電磁鎖定裝置在斷電后，線圈中的電勵(lì)磁消失，鐵芯無(wú)外加磁場(chǎng)，不應(yīng)對(duì)后坐保險(xiǎn)筒產(chǎn)生吸力，后坐保險(xiǎn)筒在彈簧抗力的作用下向上運(yùn)動(dòng)恢復(fù)到初始位置。該要求可以確保后坐保險(xiǎn)在總裝測(cè)試過(guò)程中不會(huì)因?yàn)榧与姕y(cè)試產(chǎn)生的剩磁對(duì)后坐保險(xiǎn)筒產(chǎn)生影響，同時(shí)也保證了特定場(chǎng)合可恢復(fù)功能的實(shí)現(xiàn)。

斷電后的磁吸力由材料的剩磁產(chǎn)生，DT4E材料的飽和剩余磁通密度為1 Gs，磁路截面積0.25 cm2， 代入式(8)[5]：

(8)

從計(jì)算結(jié)果可知，鐵芯斷電后由于剩磁產(chǎn)生的磁吸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于彈簧力，因此后坐保險(xiǎn)在電磁鐵線圈通電后不會(huì)對(duì)后坐險(xiǎn)筒的保險(xiǎn)狀態(tài)產(chǎn)生影響，只有后坐保險(xiǎn)筒與電磁鐵接觸后，才會(huì)產(chǎn)生足夠的吸合力。發(fā)射過(guò)載和正常工作電壓必須同時(shí)具備才能維持在解除保險(xiǎn)狀態(tài)。電磁鎖定裝置在斷電后，剩磁引起的吸力不影響后坐保險(xiǎn)筒復(fù)位。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

根據(jù)帶電磁鎖定功能的后坐保險(xiǎn)的應(yīng)用特點(diǎn)，選取兩種典型的環(huán)境條件對(duì)后坐保險(xiǎn)進(jìn)行考核驗(yàn)證，主要考核吸合狀態(tài)的后坐保險(xiǎn)在彈道環(huán)境下的吸合可靠性。

1) 隨機(jī)振動(dòng)過(guò)載

對(duì)后坐保險(xiǎn)裝置(吸合狀態(tài))施加如圖7所示的隨機(jī)振動(dòng)，來(lái)考核裝置的鎖定可靠性。W1=0.04g2/Hz，振動(dòng)時(shí)間為軸向30 min，供電電壓20 V，以考核彈道飛行過(guò)載對(duì)吸合可靠性的影響。該條件下的峰值加速度按25g計(jì)算，抗力約為1.2 N，遠(yuǎn)小于吸合力，試驗(yàn)過(guò)程中全程吸合可靠，斷電后可靠復(fù)位。

圖7 隨機(jī)振動(dòng)曲線Fig.7 Random vibration curve

2) 沖擊過(guò)載

沖擊過(guò)載考核裝置在發(fā)射時(shí)可靠吸合和彈道中保持鎖定狀態(tài)的能力。在12g發(fā)射環(huán)境，脈沖持續(xù)時(shí)間50 ms。根據(jù)式(2)，代入?yún)?shù)得t0=4.63 ms。對(duì)a(t)等效處理后可以得到位移與時(shí)間的函數(shù)，K為等效過(guò)載系數(shù)。

(9)

(10)

后坐保險(xiǎn)筒到達(dá)底部吸合位置時(shí)，x=4.5 mm，t=16 ms，總時(shí)間為20.63 ms，在50 ms脈沖持續(xù)期間可以完成吸合動(dòng)作，保險(xiǎn)筒可被過(guò)載和吸合力可靠鎖定在吸合狀態(tài)。

對(duì)后坐保險(xiǎn)裝置(吸合狀態(tài))施加加速度峰值150g的近似半正弦波沖擊，脈沖持續(xù)時(shí)間3 ms，供電電壓20 V。在吸合位置，后坐保險(xiǎn)筒受到的外力由兩部分組成，一個(gè)是因沖擊過(guò)載產(chǎn)生的慣性力，另一個(gè)是受到的彈簧抗力。考慮最嚴(yán)厲方向，后坐保險(xiǎn)筒所受的沖擊力與所受彈簧抗力方向一致，后坐保險(xiǎn)筒所受的力F為二者之合(忽略摩擦力及彈簧等效質(zhì)量)。

F=K1mg+N

(11)

式(11)中，K1取150，其余參數(shù)同式(1)。

F=150×4×10-3×9.8+0.26=6.14 N，峰值抗力小于下限吸合力10 N。沖擊過(guò)程中吸合可靠，斷電后可靠復(fù)位。

4 結(jié)論

本文提出一種適用于弱發(fā)射環(huán)境的帶電磁鎖定功能的后坐保險(xiǎn)，該后坐保險(xiǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)短時(shí)發(fā)射過(guò)載的識(shí)別并可靠鎖定保險(xiǎn)筒，在持續(xù)加電及規(guī)定發(fā)射過(guò)載作用下解除保險(xiǎn)，斷電后可恢復(fù)保險(xiǎn)。仿真計(jì)算和沖擊、振動(dòng)試驗(yàn)表明，該后坐保險(xiǎn)在給定條件下能可靠解除保險(xiǎn)，彈道抗沖擊能力滿足使用要求。帶電磁鎖定功能的后坐保險(xiǎn)在不增加體積的前提下，為弱發(fā)射環(huán)境彈藥平臺(tái)引信提供了可行的保險(xiǎn)形式，拓展了后坐保險(xiǎn)的應(yīng)用范圍。