張 合

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

0 引言

引信是彈藥起爆控制的“大腦”，是保證武器裝備和彈藥安全與完成毀傷的關(guān)鍵核心部件。從機(jī)械引信、機(jī)電引信、近炸引信與靈巧引信發(fā)展到現(xiàn)在，引信隨著技術(shù)的進(jìn)步出現(xiàn)過多個(gè)定義。從歷史發(fā)展的過程來看[1-2]，最初的機(jī)械引信可通俗和膚淺理解為“開關(guān)”，是受時(shí)間、安全性與可靠性約束下的開關(guān)[3-4]。機(jī)電引信與近炸引信的出現(xiàn)，引信的定義上升為起爆控制裝置，即引信是利用目標(biāo)信息和環(huán)境信息，在預(yù)定條件下引爆或引燃戰(zhàn)斗部裝藥的控制裝置或系統(tǒng)[5]。把引信與控制聯(lián)系起來是武器系統(tǒng)發(fā)展對引信要求的必然，也是技術(shù)進(jìn)步的推動。我國引信技術(shù)近30年快速發(fā)展的主要引領(lǐng)人馬寶華教授給出以上定義中指出了引信功能擴(kuò)展的方向，即隨著信息化的發(fā)展，多功能戰(zhàn)斗部的出現(xiàn)，引信定義再次擴(kuò)展為：引信是利用目標(biāo)、環(huán)境、平臺和網(wǎng)絡(luò)等信息，按預(yù)定策略起爆或引燃戰(zhàn)斗部裝藥，并可選擇起爆點(diǎn)，給出續(xù)航或增程發(fā)動機(jī)點(diǎn)火指令以及毀傷效果信息的控制系統(tǒng)[6]。

靈巧引信指的是通過對發(fā)射前或發(fā)射過程中的裝定信息，采用單一或復(fù)合探測手段獲取環(huán)境與目標(biāo)信息，通過單片機(jī)、可編程控制器或DSP處理器等進(jìn)行起爆控制的引信(可裝定、可探測、可處理、可控制)。大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展助推，彈藥組網(wǎng)的需求，引信作為控制系統(tǒng)的概念存在進(jìn)一步擴(kuò)展的需求，即引信是在多約束與多任務(wù)條件下，按預(yù)定策略、規(guī)劃，起爆或引燃戰(zhàn)斗部或多個(gè)戰(zhàn)斗部裝藥，可進(jìn)行時(shí)空識別與過程控制的動態(tài)控制系統(tǒng)。這一定義保持了引信依然是一個(gè)控制系統(tǒng)，存在輸入、輸出和內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題，有構(gòu)成引信結(jié)構(gòu)材料與緩沖材料的本構(gòu)關(guān)系、傳感器獲取的信號處理與引信起爆的控制策略，如圖1所示。引信的控制有很多不同于經(jīng)典與現(xiàn)代控制論的要點(diǎn)，首先它是不可逆控制系統(tǒng)，有傳感器探測功能，但沒有反饋和閉環(huán)控制的時(shí)間[7]。受到的約束條件多，如四大環(huán)境約束(見圖2)、安全性與可靠性約束、目標(biāo)約束，還受小尺度與載體接口等約束[8-10]。另外飛行時(shí)間上限與下限差大且控制時(shí)間短、控制精度要求高，控制策略與規(guī)劃以軟件控制方式實(shí)現(xiàn)，并受多次、多點(diǎn)與組網(wǎng)選擇控制點(diǎn)與時(shí)機(jī)等約束。多任務(wù)條件指的是時(shí)域跨界長，從微秒到分鐘；空域覆蓋寬，從水下到太空；目標(biāo)種類多，有軟、硬、高速、隱身等；使用范圍廣，從陸、海、空、火箭軍彈藥到民用增雨彈等。其控制的動作表象為開倉、點(diǎn)火、分離、起爆等。輸入存在邊值問題，輸出為毀傷效能的表征[6]。

圖1 引信系統(tǒng)Fig.1 Fuze system

多約束指的是：

1)環(huán)境約束——四大環(huán)境；

2)安全性約束——百萬分之一;

3)可靠性約束——0.9，0.95;

4)目標(biāo)約束——?dú)堋?/p>

引信作為一種功能復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，仍然服從牛頓第二定律，從動力學(xué)角度看，引信的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)為：

y=R(S(m,e,o,ls),D(e,o,ld,us),lr,t)

(1)

式(1)中，y為引信輸出結(jié)果，R(·)為過程控制函數(shù)，S(·)為信息交聯(lián)函數(shù)，D(·)為探測與識別函數(shù)，m為任務(wù)信息，e為環(huán)境信息，o為目標(biāo)信息，us=S(·)為裝定信息，ls、ld和lr分別為信息交聯(lián)、探測與識別和過程控制中存在的約束信息，t為過程控制中的時(shí)間信息，所有的信息均為時(shí)變量。對不同的引信，由于任務(wù)不同、約束條件不同、控制方式不同，其函數(shù)的表達(dá)式不同。

多任務(wù)指的是：

1)時(shí)域跨界長——從微秒到分鐘；

2)空域覆蓋寬——從水下到太空；

3)目標(biāo)種類多——軟、硬、高速、隱身等;

4)使用范圍廣——陸、海、空、火、民。

多任務(wù)函數(shù)是一個(gè)非連續(xù)與可選擇函數(shù)，其表達(dá)式為：

R(t)=f[M(t)、T(t)、K(t)]

(2)

式(2)中，R(t)為引信完成的任務(wù)選擇函數(shù)，M(t)為目標(biāo)種類選擇函數(shù)，T(t)為使用時(shí)間與內(nèi)外彈道分配時(shí)間函數(shù)，K(t)為使用空域與范圍選擇函數(shù)。

引信在多任務(wù)與多約束的條件下，由于安全解保時(shí)間朝目標(biāo)基發(fā)展，在到達(dá)目標(biāo)前控制時(shí)間短，難以進(jìn)行可逆控制，因此不可逆控制是引信的一個(gè)特點(diǎn)。對于巡飛彈藥使用的引信，其安全解保的可逆設(shè)計(jì)在一次攻擊任務(wù)更改后恢復(fù)到安全狀態(tài)十分重要。

1 引信經(jīng)歷的環(huán)境

引信產(chǎn)品生產(chǎn)后經(jīng)歷的環(huán)境從全壽命過程可分為四大類，分別為勤務(wù)處理環(huán)境、發(fā)射環(huán)境、彈道飛行環(huán)境和終點(diǎn)環(huán)境，如圖2所示。勤務(wù)處理環(huán)境與發(fā)射環(huán)境，主要涉及到引信的安全性；飛行環(huán)境與終點(diǎn)目標(biāo)環(huán)境，涉及到引信的安全性和可靠性(置信度0.9，可靠性下限0.95是基本要求)，所經(jīng)歷的環(huán)境都與引信的安全性相關(guān)[6]。各種武器平臺可提供的環(huán)境見表1。

圖2 環(huán)境信息及參數(shù)Fig.2 Environmental information and parameters

引信用在不同平臺發(fā)射的彈藥或戰(zhàn)斗部所經(jīng)受的后坐力從幾十g到幾萬g,受力的跨度很大；旋轉(zhuǎn)彈藥受到的離心力從幾百轉(zhuǎn)到幾萬轉(zhuǎn)；章動力一般在幾十g到幾百g范圍；常規(guī)火箭彈常采用彈底引信，并把火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后氣體作為一個(gè)環(huán)境力；空氣動力與彈速相關(guān)；制導(dǎo)彈藥的制導(dǎo)系統(tǒng)可提供臨近目標(biāo)的解保信息，作為一個(gè)環(huán)境力。

表1 各種武器平臺可提供的環(huán)境

引信在飛行環(huán)境下，主要能夠獲取的信息量有氣動力、地磁場與彈藥姿態(tài)角的變化，渦輪電機(jī)或壓力傳感器可作為飛行時(shí)的第二環(huán)境力獲取手段，另外，渦輪電機(jī)作為發(fā)電單元可作為引信主電源。

引信在終點(diǎn)目標(biāo)環(huán)境下，能夠獲取的信息因引信不同和毀傷要求不同而不同，毀傷特性見表2。

表2 目標(biāo)種類與毀傷

第二環(huán)境力如采用目標(biāo)基解保，機(jī)械引信和機(jī)電引信可采用引信出膛時(shí)的電磁信號作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，目標(biāo)前某一時(shí)間由制導(dǎo)艙給出解保信號，引信安全系統(tǒng)處于解保狀態(tài)，也稱閉鎖解保。對于近炸或靈巧引信，可采用對目標(biāo)前的適時(shí)探測與時(shí)間復(fù)合，作為解保信號，如無線電近炸和激光近炸探測，依據(jù)引信的飛行速度[2]，到目標(biāo)前預(yù)留毫秒級的時(shí)間作為起爆毀傷用。本文給出一組典型彈藥的全彈道加速度曲線，某坦克炮侵徹曲線、某平衡炮攻堅(jiān)全彈道加速度曲線、某單兵攻堅(jiān)火箭彈侵徹鋼板與混凝土曲線、近程防護(hù)火箭彈彈道曲線，如圖3—圖7所示。發(fā)射與侵徹狀態(tài)的環(huán)境特征可用于引信解除保險(xiǎn)。

圖3 某坦克炮膛內(nèi)與侵徹2 m厚靶曲線與侵徹過程放大曲線(峰值4.2萬g，1.6 ms)Fig.3 Curves of a tank’s gun bore and penetration into a 2 m thick target，enlargement curve of penetration process (peak 42,000 g, 1.6 ms)

圖4 某平衡炮發(fā)射與侵徹曲線與侵徹過程放大曲線(峰值4.1萬g，3.2 ms)Fig.4 Amplification curve of penetration process of a balanced gun’s launch and penetration curve (Peak 41,000 g, 3.2 ms)

圖5 某單兵火箭發(fā)射膛內(nèi)曲線(8 371 g)與鋼板(192 400 g)侵徹試驗(yàn)曲線Fig.5 The in-bore curve (8 371 g) of a single rocket penetration test curve of steel plate (192 400 g)

圖7 某近程防護(hù)火箭彈膛內(nèi)及飛行加速曲線(加速時(shí)間71.3 ms，過載610 g)Fig.7 The in-bore and flight acceleration curves of a short-range protective rocket (acceleration time 71.3 ms, overload 610 g)

2 引信性能與環(huán)境

2.1 引信的安全性與環(huán)境關(guān)系

彈藥在發(fā)射后安全距離內(nèi)引信必須保持“開”的狀態(tài)，即要求勤務(wù)處理環(huán)境與發(fā)射環(huán)境下引信的安全性指標(biāo)不低于百萬分之一。引信要達(dá)到如此高的指標(biāo)，必須在不同環(huán)境力的作用下采取冗余保險(xiǎn)設(shè)計(jì)。針對不同武器平臺、不同彈藥，設(shè)計(jì)者必須力求尋找兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的環(huán)境力，表1給出的環(huán)境可供選擇。切記同一環(huán)境下不同時(shí)間出現(xiàn)的物理狀態(tài)仍是單一環(huán)境，不是冗余，否則安全性不能滿足要求，將會產(chǎn)生重大安全性事故。

2.2 環(huán)境與引信約束的關(guān)系

引信是一個(gè)安全性要求很高的產(chǎn)品，對環(huán)境的敏感和選擇要求甚之有甚，設(shè)計(jì)者要保持重視發(fā)射環(huán)境信息的獲取，通過試驗(yàn)獲取一定量的環(huán)境曲線，認(rèn)真分析全壽命各環(huán)境下的閾值與經(jīng)歷的時(shí)間，保證安全系統(tǒng)一次設(shè)計(jì)成功。如能采取遠(yuǎn)距離接電，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)基解保，可使安全距離延伸到敵方目標(biāo)前，應(yīng)優(yōu)先考慮。另一方面，引信又受到武器平臺、彈藥和安裝位置、毀傷要求的約束，需綜合考慮各種環(huán)境下對引信的約束關(guān)系實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)和合理取舍。對于制導(dǎo)彈藥配用的引信，如能把制導(dǎo)倉的性能利用與引信一體化設(shè)計(jì)，將會簡化引信對環(huán)境利用付出的成本與空間代價(jià)，目前正在研制的彈道修正引信與多維坐標(biāo)引信應(yīng)盡可能采用這一設(shè)計(jì)思想。

3 結(jié)論

引信的發(fā)展在各種新技術(shù)的推動下進(jìn)步迅速，對安全性的要求更加嚴(yán)格，環(huán)境的正確利用是保證安全性的前提。本文給出多種武器系統(tǒng)在不同發(fā)射環(huán)境下的加速度分布值，不同目標(biāo)種類和毀傷特性，引信的數(shù)學(xué)模型和多任務(wù)函數(shù)仍需進(jìn)一步研究。本文僅提供了少部分硬目標(biāo)的發(fā)射與侵徹加速度曲線可供參考。任何一種新的武器系統(tǒng)與彈藥，要求配用性能優(yōu)良的引信，設(shè)計(jì)者必須向武器系統(tǒng)方要求提供全彈道環(huán)境三維加速度曲線，或設(shè)計(jì)者有能力測出曲線供設(shè)計(jì)時(shí)用，否則僅根據(jù)最大膛內(nèi)加速度設(shè)計(jì)引信存在很大風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，引信在各種約束條件下的最優(yōu)設(shè)計(jì)仍有一定的發(fā)展空間，武器系統(tǒng)、彈藥、引信與火工品的協(xié)調(diào)發(fā)展應(yīng)是引信技術(shù)進(jìn)步的主流。目前我國引信技術(shù)的基礎(chǔ)研究在多個(gè)方面正在加大攻關(guān)，但在復(fù)雜環(huán)境下保證彈藥的安全性依然是“一票否決”的基本要求。