【裝備理論與裝備技術】

由雙閾值開關估計出靶速度的自適應延期控制

王方,徐蓬朝

(西安機電信息技術研究所,西安710065)

摘要：針對現(xiàn)有引信自適應延期起爆方法復雜度、成本較高或無法計算彈丸的出靶速度造成炸點散布較大的問題，提出了由雙閾值開關估計出靶速度的自適應延期控制；該方法是引信根據(jù)薄、厚雙簧片閾值開關侵徹過程中的動態(tài)響應信息計算彈丸的出靶速度，根據(jù)出靶速度設定引信延時起爆時間；仿真計算和外場試驗表明設計的雙簧片閾值開關可以滿足一定范圍內(nèi)炸點自適應起爆控制，炸點可滿足戰(zhàn)標要求。

關鍵詞：引信；自適應；起爆控制；炸點；閾值開關

收稿日期：2015-06-27

作者簡介：王方(1983—)，女，工程師，主要從事機電引信研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.011

中圖分類號：TJ43

文章編號：1006-0707(2015)09-0041-04

本文引用格式：王方,徐蓬朝.由雙閾值開關估計出靶速度的自適應延期控制[J].四川兵工學報，2015(9):41-44.

Citationformat:WANGFang,XUPeng-zhao.AdaptiveDelayControlonTargetSpeedEstimatedbyDual-ThresholdSwitch[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(9):41-44.

AdaptiveDelayControlonTargetSpeedEstimated

byDual-ThresholdSwitch

WANGFang,XUPeng-zhao

(Xi’anInstituteofElectromechanicalInformationTechnology,Xi’an710065China)

Abstract:Targeting at such problem as high spread of burst point caused by complexity of fuse-detonating method for existing adaptive delay, higher cost or imponderable target speed, therefore, adaptive delay control on target speed estimated by dual-threshold switch was proposed. This method was to calculate the projectile’s target t speed on the basis of the thin and thick double reed during the penetration process of threshold switch. The simulating calculation and field test show that the designed double reed threshold switch can satisfy the burst point’s adaptive control from a certain range. Also, the burst spot meets the standard requirements.

Keywords:fuse;self-adaption;burstcontrol;burstpoint;thresholdswitch

目前，用于攻擊硬目標的導彈觸發(fā)引信大都采用延期起爆模式，實現(xiàn)導彈戰(zhàn)斗部在侵入目標內(nèi)部后作用[1]。按延期方式可分為固定延期和自適應延期[2]。自適應延期方法如機械式卸載敏感機構(gòu)早已在制式引信中應用，但是適用范圍較窄，對于稍厚的墻無效。目前，加速度傳感器在硬目標靈巧引信上已經(jīng)應用，但存在一定的缺點，比如引信復雜程度高、計算信息量大、成本較高[3]。212所研制了磁電機自適應延期引信，該引信對不同厚度目標炸點散布過大。本文針對上述情況，提出了由雙閾值開關估計出靶速度的自適應延期控制。

1現(xiàn)有引信自適應延期方法及不足

目前，國內(nèi)外研制的硬目標靈巧引信利用加速度傳感器全程探測侵徹目標過程中引信的加速度信息，并將其發(fā)送給過載識別電路對目標的性質(zhì)、侵徹狀態(tài)進行識別。然而，目前加速度傳感器也存在一定的缺點，比如使引信的復雜程度大大提高，對傳感器性能要求較高；單片機要不斷地收發(fā)、計算和判別傳感器實時發(fā)送過來的信息，計算量增大；引信成本升高。

212所研制了磁電機自適應延期引信，該引信工作原理為在攻堅彈碰靶時，磁電機的磁芯切斷支撐片向前運動，由于磁通量的變化使電勢線圈磁場發(fā)電，給延期電路供電。但因目標厚度不同，彈體碰目標后速度降不同，造成炸點散布過大。

文獻[4]中介紹了基于薄/厚目標識別開關的引信自適應延期方法，該方法利用薄厚目標識別開關對薄厚目標的反應給出兩種不同的信號，延期起爆電路根據(jù)兩類信號給出兩種不同的延期時間。該方法僅對厚度200mm以下和400mm以上厚度的混凝土目標能夠進行自適應起爆控制，對薄目標和厚目標之間存在識別盲區(qū)，在該盲區(qū)內(nèi)引信炸點散布較大。此外，該方法無法判別彈丸的侵徹狀態(tài)，也不計算彈丸的出靶速度，因此無法對炸點進行精確計算。

2由雙閾值開關估計出靶速度的自適應延期控制

由于工程實用中受單片機計算速度的限制，且戰(zhàn)斗部針對幾種典型厚度的靶板，閾值開關在設計時只采用了兩個簧片開關。結(jié)構(gòu)如圖1所示?；善?為薄簧片，簧片2為厚簧片。

設計時，當簧片位移下降1mm時，開關閉合導通。薄簧片開關所對應的引信過載值為a1=2 000 g，厚簧片開關所對應的引信過載值為a2=8 000 g。由于薄簧片g值較小，所以薄簧片閉合瞬間我們認為侵徹開始，當開關完全斷開并超過500μs時，引信認為過載結(jié)束，不再識別。t1、t2為兩個閾值開關在侵徹過程中的閉合時間，用單片機采樣并保存。

如圖2所示，用過載曲線兩個閾值點下的臺階形面積來估算侵徹過程速度降，則出靶速度為

Vt=V0-[a1t1+(a2- a1)t2]

(1)

式中：Vt為靶后剩余速度;V0為侵徹前速度。

若預設炸點為L，則引信自適應延期時間為

t = L/Vt

(2)

在編寫軟件程序時，可把式(1)、式(2)編成獨立的子程序，供主程序調(diào)用。當簧片完全斷開時，引信啟動延時的起點。根據(jù)實測的過載時間t1、t2，由式(1)子程序可估算出彈丸的靶后余速Vt。根據(jù)計算出彈丸余速的大小，引信通過式(2)子程序自動調(diào)整延時起爆的時間，使引信能夠?qū)崿F(xiàn)自適應延期控制。

圖2　侵徹過載曲線

3實驗驗證

3.1簧片抗力測量

實際工程應用時，在部件裝配前需要對閾值開關進行篩選，主要為兩種簧片的抗力篩選。由于簧片尺寸小、重量輕，其抗力容易受到自身參數(shù)影響，特別是在熱處理工工藝環(huán)節(jié)，很容易使得簧片的抗力出現(xiàn)超差現(xiàn)象；簧片的形狀、彈性隨著儲存時間也會產(chǎn)生一定的變化；另外，簧片抗力會受到裝配工藝的影響。

裝配完成之后，用專用抗力測試儀檢驗簧片頂端產(chǎn)生1mm撓度時的抗力?；善?的抗力F1散布在[0.04，0.06]N，簧片2的抗力F2散布在[0.35，0.53]N。

3.2仿真分析

仿真計算采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件[5]，數(shù)值計算平臺為Ф72mm試驗彈，預設炸點靶后4m。根據(jù)實體彈外形，模擬以400m/s的速度垂直侵徹0.5m厚度的C18混凝土靶時閾值開關的動態(tài)響應。

建模時對閾值開關進行了簡化處理，僅保留了兩類簧片開關、基座和鉚釘，其有限元模型如圖3所示。

圖3　閾值開關的有限元模型

簧片的材料為鈹青銅[6]，選用材料模型為隨動塑性模型。仿真得到兩類簧片開關的位移量，根據(jù)位移量分析開關的閉合狀態(tài)，理論上，當簧片位移下降1mm時，開關閉合導通。彈體侵徹過程中，開關閉合狀態(tài)如圖4所示。

圖4　簧片開關閉合狀態(tài)

圖5為薄簧片的位移曲線，圖6為厚簧片的位移曲線。

圖5　薄簧片位移曲線

圖6　厚簧片位移曲線

仿真結(jié)果表明：在彈體侵徹過程中，兩類簧片均能閉合。閉合時，簧片觸點產(chǎn)生強烈的碰撞，引起簧片觸點反彈致使開關閉合不可靠，即產(chǎn)生一定的機械抖動現(xiàn)象。其中，薄簧片在200μs時開始閉合，2.10ms時完全斷開閉合狀態(tài)，整個侵徹過程中閉合時間較長，約為1.75ms；厚簧片在190μs時開始閉合，1.65ms時完全斷開閉合狀態(tài)，整個侵徹過程中閉合時間較短，約為1.20ms。

引信在識別閾值開關的過載信息時認為：彈體侵徹目標時，簧片開關閉合，單片機獲取過載時間的起點；當開關完全斷開超過500μs時，引信認為過載結(jié)束，不再識別。仿真計算結(jié)果表明，彈體出靶速度為264m/s。

根據(jù)式(1)可知，單片機計算彈體出靶速度為

V1=V0-[a1·t1+( a2-a1) ·t2]=

400-(2×104×1.75×10-3+6×104×

1.2×10-3)=292 m/s

由式(2)可以計算得出：引信實際計算炸點為靶后3.62m，與預設炸點(靶后4m)僅相差0.38m左右，理論上不影響戰(zhàn)斗部的毀傷效果。

3.3試驗驗證

3.3.1動態(tài)測試試驗

外場試驗時，引信為測試引信，記錄并存儲測試閾值開關響應信息，彈丸采用Ф72mm試驗彈。實測彈速417m/s，靶板抗壓強度18MPa，彈體垂直侵徹靶板。外場試驗高速錄像表明彈丸穿靶后余速為277m/s。由靶場回收的引信閾值開關信號波形圖如圖7所示。

圖7　閾值開關響應圖

試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：薄簧片開關閉合時間為1.71ms，厚簧片開關閉合時間為1.25ms，引信實際計算彈丸余速為308m/s，炸點為靶后3.58m，與預設炸點(靶后4m)僅相差0.42m左右。

3.3.2動態(tài)發(fā)火試驗

動態(tài)發(fā)火試驗時，引信為全備引信，彈丸采用Ф72mm試驗彈，預設炸點為靶后4m?；炷涟泻穸确譃?.3m、0.5m、0.8m等3類，靶板抗壓強度分為18MPa、23MPa兩類。試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1　試驗結(jié)果匯總

綜上，仿真計算和外場試驗表明設計的雙簧片閾值開關可以滿足一定范圍內(nèi)炸點自適應起爆控制，炸點可滿足戰(zhàn)標要求。

4結(jié)論

本文提出了由雙閾值開關估計出靶速度的自適應延期控制。該方法是引信根據(jù)薄、厚雙簧片閾值開關侵徹過程中的動態(tài)響應信息計算彈丸的出靶速度，根據(jù)出靶速度設定引信延時起爆時間。仿真計算和外場試驗表明設計的雙簧片閾值開關可以滿足一定范圍內(nèi)炸點自適應起爆控制，炸點可滿足戰(zhàn)標要求。不足之處，簧片的彈性會受到加工工藝、裝配工藝和儲存時間的影響，而且在工程應用時僅采取了兩組簧片開關，使得引信對靶板的炸點存在一定的散布。

參考文獻：

[1]于潤祥，石庚辰.硬目標侵徹引信計層技術現(xiàn)狀與展望[J].探測與控制學報，2013，35(5)：1-6.

[2]李蓉，陳侃，康興國，等.硬目標侵徹引信炸點控制方法綜述[J].探測與控制學報，2010，32(6)：1-4.

[3]申延濤，劉孝忠，馬寶華.引信侵徹炸點自適應控制算法研究[C].第十屆引信學術年會論文集.西安：現(xiàn)代引信出版社，1997.

[4]殷群，施坤林，范武杰，等.基于薄/厚目標識別開關的引信自適應延期方法[J].探測與控制學報，2011，33(3)：1-5.

[5]趙海鷗.LS-DYNA動力分析指南[M].北京:兵器工業(yè)出版社，2003.

[6]曾正明.機械工程材料手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[7]楊桂通.彈塑性動力學基礎[M].北京:科學出版社,2008.

[8]ANSYS/LS-DYNA算法基礎和使用方法[M].北京:科學出版社,2005.

[9]LSTC.LS-DYNAKeywordUser’sManual.Version940NonLinearDynamicAnalysisofStructuresinThreeDimensions[Z].Livermore:LivermoreSoftwareTechnologyCorporation,1997.

[10]尚曉江,蘇建宇.ANSYS/LS-DYNA動力分析方法與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

(責任編輯周江川)