彭志凌,孫 健,趙河明

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

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隨機起爆子彈引信空氣動力保險機構(gòu)設(shè)計

彭志凌,孫 健,趙河明

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

在有限的子彈空間內(nèi)布置各引信機構(gòu)是隨機起爆子彈引信設(shè)計的關(guān)鍵和難點,根據(jù)某隨機起爆子彈藥的工作要求,在研究引信工作過程的基礎(chǔ)上,設(shè)計了由降落傘、保險筒、尾翼、扭轉(zhuǎn)體和扭轉(zhuǎn)簧組成的空氣動力保險機構(gòu),并對扭轉(zhuǎn)簧8個參數(shù)進行了理論計算,結(jié)合工程實際,得出了扭轉(zhuǎn)體解除保險時間。結(jié)果表明,所設(shè)計的隨機起爆子彈引信空氣動力保險機構(gòu)科學合理。

空氣動力保險機構(gòu);子彈引信;隨機起爆;扭轉(zhuǎn)簧

0 引言

隨機起爆子母彈藥主要用于機場跑道設(shè)障、遲滯敵方的作戰(zhàn)速度、清除敵方所設(shè)障礙和對敵目標實行封鎖等方面[1-3]。

不同的應用場合對此類彈藥引信工作要求不同。為了使隨機起爆時間可控的子彈群具有能適應各種場合的戰(zhàn)場需要，要求隨機起爆子彈藥的時間段可以按要求重新設(shè)定。因此，控制起爆時間的子彈引信是此類彈藥的核心，其性能直接決定了彈藥的效能。在引信尺寸嚴格控制的情況下，合理布置各零部組件是引信設(shè)計的關(guān)鍵和難點[2-4]。

文中通過研究隨機起爆子彈引信工作過程，根據(jù)某隨機起爆子彈藥的實際工作要求，設(shè)計了由降落傘單元、 保險筒組件、尾翼部分、扭轉(zhuǎn)體和扭轉(zhuǎn)簧等零部組件組成的隨機起爆子彈藥空氣動力保險機構(gòu)。按照《引信設(shè)計手冊》對決定扭轉(zhuǎn)簧特性的八個參數(shù)進行了詳細理論計算，結(jié)合實戰(zhàn)情況，給出了扭轉(zhuǎn)體解除保險時間。

1 隨機起爆子彈引信工作過程

隨機起爆子彈藥倉儲和勤務過程中，必須保證絕對安全。在開倉拋撒之前，引信處于未解保狀態(tài)。拋撒后，子彈以較高的速度攻擊目標，要求有穩(wěn)定裝置提供合適的空氣阻力，使子彈速度調(diào)整到預定范圍。引信工作流程如圖1所示。母彈開倉之前，無線數(shù)據(jù)接受模塊通過電磁感應原理獲得電能并對數(shù)據(jù)進行接收與存儲；子彈從母彈體中拋撒后，引信的傘蓋機構(gòu)將保險桶拉出，被釋放的扭轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，尾翼伸出，引信滑塊的第一道保險解除。碰撞目標時，滑塊剪切銷被剪斷，解除第二道保險。

2 引信空氣動力保險機構(gòu)設(shè)計

空氣動力保險機構(gòu)將空氣動力作為解除保險的原動力，保險解除過程如圖2所示。利用降落傘的空氣阻力將保險套筒拉出，解除對扭轉(zhuǎn)體的限制，扭轉(zhuǎn)體在扭力簧的作用下旋轉(zhuǎn)90°運動到位，滑塊的第一道保險解除，尾翼伸出。

2.1 降落傘的設(shè)計

降落傘是空氣動力保險機構(gòu)的重要組成部分,它的設(shè)計主要是確定降落傘的外形與面積,降落傘在母彈中的位置如圖3所示。

隨機起爆子彈藥拋撒將進行一個非常復雜的傘-彈系統(tǒng)運動過程，其受力狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)、系統(tǒng)外形與姿態(tài)等都不是恒量，很難建立精確的數(shù)學模型，因此在實際設(shè)計時都需要對傘-彈系統(tǒng)的模型進行簡化，文中進行如下假設(shè)為：不考慮系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)，降落傘的阻力與速度方向在同一直線上，忽略彈丸的空氣阻力對降落傘的影響。

圖1 引信工作流程圖

由于設(shè)計降落傘的目的是為了將保險桶可靠地拉出,因此可以先求得保證保險桶剛好被拉出時的降落傘的面積,而后再進行放大來確定最終的降落傘的面積。

圖2 空氣動力解除保險過程示意圖

同時,由于圓形傘比條形傘和十字形傘有更好的阻力效果,因此選用圓形傘。

圖3 子母彈裝配狀態(tài)示意圖

由空氣動力學的知識可知:當傘-彈系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)下降時,若其速度為v,那么該回收系統(tǒng)的阻力為:

F=0.5×ρ×v2×(CDS)

(1)

式中:F為降落傘的阻力;ρ為流體密度;(CDS)為降落傘阻力特征;CD為傘的阻力系數(shù);S為傘衣的阻力面積。

由于保險桶的質(zhì)量為m=0.02 kg,摩擦阻力為f=1.96 N,則:

F=mg+f=20×10-3×9.8+1.96=2.16 N

又因為v=200 m/s(這是取最小,而實際要遠高于此值),ρ=1.1 kg/m3,CD=0.8,則可以求得:

這是保證保險桶能否分離的最小極限值,為了保證在較短時間將保險桶可靠的拉出,取S=1.0×10-2m2。

2.2 保險筒的設(shè)計

保險筒的外徑與彈體相同,高度為16 mm,壁厚1 mm,頂部與降落傘相連接。保險筒的作用是通過約束尾翼的運動來限制扭轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動。當子彈被拋散以后利用降落傘的空氣動力將其拉出來。裝配時的狀態(tài)如圖4與圖5所示。

圖4 整體裝配圖

2.3 尾翼扭轉(zhuǎn)體的設(shè)計[4-7]

為了使子彈垂直落向目標,采用了3個穩(wěn)定翼片,相互成120°均勻分布于引信體周圍。尾翼厚度為1 mm,寬度4 mm,扭轉(zhuǎn)到位時伸出長度為10 mm。在保險狀態(tài)時如圖6所示,3個尾翼旋入引信體內(nèi);當保險套筒被拉出后,3個尾翼在扭力簧的作用下旋出時的狀態(tài)如圖7所示。

圖5 保險筒

圖6 尾翼未解除保險狀態(tài)

圖7 尾翼解除保險狀態(tài)

扭轉(zhuǎn)體有兩個作用,一方面將尾翼伸出,另一方面作為保險件。當扭轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)過90°后其缺省平面與滑塊側(cè)面平行,進而解除對滑塊的限制。如圖8與圖9所示,分別是未解除保險與解除保險后的狀態(tài)。

圖8 滑塊未解除保險狀態(tài)

圖9 滑塊解除保險狀態(tài)

2.4 扭轉(zhuǎn)簧的設(shè)計

扭轉(zhuǎn)簧是引信中的儲能部件,它的作用是:在扭轉(zhuǎn)體的約束解除以后,驅(qū)動其轉(zhuǎn)動到位,使尾翼伸出,同時解除對滑塊的第一道保險。在轉(zhuǎn)動到位后,扭轉(zhuǎn)簧還要保持有一定的扭轉(zhuǎn)力矩,防止扭轉(zhuǎn)體恢復[8-10]。

根據(jù)《引信設(shè)計手冊》中扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計原則,設(shè)計過程如下:

1)已知扭力簧的初始參數(shù)如下:

a)最小扭矩M1=(1.0±0.2) kg·mm;

b)最小扭角φ1=90°;

c)最大扭矩M2=(2.0±0.4) kg·mm;

d)最小扭角φ2=180°;

e)芯桿最大直徑D0=4.50 mm;

f)最大自由高度hmax≤4 mm;

g)最大外徑D2≤8 mm;

h)工作扭角φ=φ2-φ1=180°-90°=90°。

2)初定扭力簧的中徑為:

D=D0+1.5=6 mm

3)依據(jù)《引信設(shè)計手冊》中扭簧的設(shè)計方法,并根據(jù)扭簧自由高度、穩(wěn)定性、最大外徑、最小內(nèi)徑等綜合考慮,所設(shè)計扭簧的彈簧絲直徑d=0.6+0.02mm,扭簧圈數(shù)n=4.5,扭簧中徑公差ΔD=0.5 mm,各圈之間的間距為0.2 mm。

4)扭簧中徑縮小量為:

上式算出的δ是中徑的平均縮小量,為防止工作時扭簧卡緊芯桿,取δ=1.5 mm。

依據(jù)《引信設(shè)計手冊》中扭簧中徑的計算公式可得:

5)扭簧的最大外徑:

扭簧的最小內(nèi)徑:

最大自由高度:

hmax=ntmax+dmax=3.76 mm

6)驗算扭矩M1和M2

已知特殊用途碳素鋼絲的E=2.1×104kg/mm2,則:

以上計算結(jié)果與設(shè)計條件基本相符。

7)強度校核

則此扭簧在最大載荷下的彎曲應力為:

所以:σmax=(1+0.204)σ=236 kg/mm2

材料采用甲組的特殊用途碳素彈簧鋼絲,其σb=285～315 kg/mm2,則:

[σ]=0.81σb=243 kg/mm2

σmax<[σ]滿足要求。

綜上可知,此引信扭轉(zhuǎn)彈簧的參數(shù)確定為:

a)最小扭矩M1=(1.0±0.2) kg·mm;

b)最小扭角φ1=90°;

c)最大扭矩M2=(2.0±0.4) kg·mm

d)最小扭角φ2=180°;

e)最小內(nèi)徑D1=6 mm;

g)最大外徑D2=7.56mm;

h)扭簧圈數(shù)n=4.5圈。

3 扭轉(zhuǎn)體解除保險時間計算

扭轉(zhuǎn)體解除保險的時間是指從保險筒被拉出后到尾翼完全伸出所需要的時間。在只考慮滑塊壓力影響因素時扭轉(zhuǎn)體的運動方程為:

(2)

其中:J0為扭轉(zhuǎn)體組合件對其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量,這里取轉(zhuǎn)動到位時的最大值為3.197kg/mm2;β0為扭簧的預扭轉(zhuǎn)角度,取180°;β為轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)角度,初始值為0°,轉(zhuǎn)正到位時為90°;M為扭簧的扭轉(zhuǎn)剛度6.248N·mm/π;f1為滑塊與扭轉(zhuǎn)體軸的動摩擦系數(shù),為0.17;f2為扭轉(zhuǎn)體軸與引信體的動摩擦系數(shù),為0.15;N1為滑塊對扭轉(zhuǎn)體軸的正壓力,為7.39N;N2為引信體對扭轉(zhuǎn)體軸的正壓力,為7.39N。r為扭轉(zhuǎn)體半徑,為1.5mm。

代入數(shù)據(jù),解上述扭轉(zhuǎn)體的運動方程可得扭轉(zhuǎn)體在理想條件下轉(zhuǎn)正到位所用時間為25.4ms。

4 結(jié)論

文中通過研究隨機起爆子彈引信工作過程,根據(jù)某隨機起爆子彈藥的實際工作要求,設(shè)計了由降落傘單元、保險筒組件、尾翼、扭轉(zhuǎn)體和扭轉(zhuǎn)簧組成的隨機起爆子彈藥空氣動力保險機構(gòu)。按照《引信設(shè)計手冊》對對決定扭轉(zhuǎn)簧特性的8個參數(shù)進行了詳細的理論計算,結(jié)合實戰(zhàn)情況,給出了扭轉(zhuǎn)體解除保險時間。結(jié)果表明,所設(shè)計的空氣動力保險機構(gòu)性能特性符合隨機起爆子彈引信實戰(zhàn)需求。

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Design of Aerodynamic Insurance Components of Random Detonating Fuze

PENG Zhiling,SUN Jian,ZHAO Heming

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051)

Allocation of fuze mechanism in limited space is key and difficult point for design of random detonating fuze. According to work requirements of a certain random detonating submunition, working process of bomblet fuze was studied. Aerodynamic insurance mechanism composed of parachute, insurance tube, spoiler, reverse body and torsion spring was designed. Eight parameters of torsion spring were presented through rigorous theoretical. Based on engineering practice, the time when released from quarantine was given. The results show that the design of aerodynamic insurance mechanism is scientific and rational.

aerodynamic insurance mechanism; bomblet fuze; random detonation; torsion spring

2014-09-17

國家青年自然科學基金(51305409);山西省自然科學基金(2013021020-2)資助

彭志凌(1976-),男,山西興縣人,副教授,博士,研究方向:探測制導與控制技術(shù)。

TJ430.33

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