黃 戈,姚寶珍,冉雪磊

(1.陸軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局,湖北 武漢 425000;2.湖北三江航天紅林探控有限公司,湖北 孝感 432000)

0 引言

本文以空地導(dǎo)彈機(jī)電式觸發(fā)引信為研究背景，研究導(dǎo)彈以亞音速或更低速度飛行打擊考斯特車(chē)、玻璃鋼小艇等目標(biāo)時(shí)引信的發(fā)火情況?？妓固剀?chē)一般等效為0.7～1.2 mm的低碳鋼冷扎鋼板，含碳量相當(dāng)于10#鋼，抗拉強(qiáng)度270 MPa。玻璃鋼小艇一般為玻璃鋼的夾層結(jié)構(gòu)，等效玻璃鋼厚度10～20 mm、強(qiáng)度120～150 MPa。當(dāng)導(dǎo)彈以低速度打擊此類(lèi)極薄弱目標(biāo)時(shí)，撞靶沖擊過(guò)載對(duì)導(dǎo)彈的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較難達(dá)到引信目標(biāo)敏感裝置響應(yīng)閾值，很容易造成導(dǎo)彈的瞎火或穿過(guò)目標(biāo)后觸地、觸水面作用，使得導(dǎo)彈的毀傷效能大大降低甚至任務(wù)的失敗。

機(jī)電式觸發(fā)引信的目標(biāo)敏感裝置由各種類(lèi)型的撞擊開(kāi)關(guān)或慣性開(kāi)關(guān)等機(jī)構(gòu)組成[1]，其作用是在導(dǎo)彈碰擊目標(biāo)時(shí)使開(kāi)關(guān)閉合，接通發(fā)火控制電路，使發(fā)火控制電路正常工作。撞擊開(kāi)關(guān)限于彈頭引信或需要依賴(lài)導(dǎo)彈頭部空間變形來(lái)實(shí)現(xiàn)，其使用會(huì)對(duì)導(dǎo)彈的氣動(dòng)外形或頭部設(shè)備設(shè)計(jì)安裝有較大影響。而慣性開(kāi)關(guān)不受以上條件限制，適應(yīng)范圍更廣。

為了提高引信對(duì)極薄弱目標(biāo)發(fā)火的可靠性，設(shè)計(jì)引信的慣性開(kāi)關(guān)時(shí)，一般情況會(huì)將慣性開(kāi)關(guān)的閉合閾值降低，提高其靈敏度。但閉合閾值的取值需保證彈道安全性的要求。國(guó)內(nèi)外學(xué)者長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于薄弱目標(biāo)發(fā)火的理論和仿真方法均有較多研究。文獻(xiàn)[2—3]對(duì)3 mm以上薄目標(biāo)進(jìn)行了研究，但對(duì)于3 mm以下極薄弱目標(biāo)的發(fā)火作用及如何解決彈道安全性的問(wèn)題未見(jiàn)詳細(xì)介紹。本文以1 mm極薄弱鋼板為典型目標(biāo)，研究當(dāng)慣性開(kāi)關(guān)閉合特性已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足彈道安全性時(shí)，引信如何實(shí)現(xiàn)發(fā)火作用的方法。

1 極薄弱目標(biāo)發(fā)火的作用方法

極薄弱目標(biāo)發(fā)火和彈道安全性是極薄弱目標(biāo)發(fā)火作用方法要解決的兩個(gè)方面。

1.1 極薄弱目標(biāo)發(fā)火的設(shè)計(jì)

1.1.1 低過(guò)載慣性開(kāi)關(guān)

為解決慣性開(kāi)關(guān)對(duì)1 mm極薄弱目標(biāo)的識(shí)別，設(shè)計(jì)了一種極低過(guò)載慣性開(kāi)關(guān)。低過(guò)載慣性開(kāi)關(guān)由慣性子、極環(huán)Ⅰ、極環(huán)Ⅱ、彈簧、外殼和絕緣套等組成[4]，結(jié)構(gòu)組成示意如圖1所示。圖中向下為導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)導(dǎo)彈碰擊目標(biāo)時(shí)，低過(guò)載開(kāi)關(guān)感受撞靶時(shí)的沖擊載荷，慣性子在慣性力作用下克服彈簧阻力，運(yùn)動(dòng)0.5 mm距離后接通極環(huán)Ⅰ和極環(huán)Ⅱ，低過(guò)慣性載開(kāi)關(guān)閉合導(dǎo)通，接通引信發(fā)火控制電路，引信發(fā)火電容給電雷管放電，引信作用發(fā)火。

圖1 慣性開(kāi)關(guān)示意圖Fig.1 Inertia switch sketch map

1.1.2 低過(guò)載慣性開(kāi)關(guān)閉合閾值的確定

從后文中打擊考斯特車(chē)頂部工況仿真結(jié)果進(jìn)行分析，確定慣性開(kāi)關(guān)離心閉合閾值。打擊1 mm鋼板時(shí)，在低速條件下引信獲得過(guò)載最小，隨著速度的增加，過(guò)載變大，但過(guò)載持續(xù)時(shí)間差異不大。在導(dǎo)彈最低速度160 m/s時(shí)，引信軸向獲得過(guò)載大于-100g的持續(xù)時(shí)間也能達(dá)到0.27 ms。

一般空地導(dǎo)彈載機(jī)時(shí)的慣性過(guò)載可達(dá)10g；載機(jī)、發(fā)射及飛行時(shí)的振動(dòng)、沖擊、顛簸可達(dá)5g，有時(shí)可達(dá)20g；引信保險(xiǎn)解除后導(dǎo)彈自由飛行時(shí)過(guò)載可達(dá)10g。載機(jī)、發(fā)射及飛行時(shí)保險(xiǎn)未解除，電容未充電，引信是安全的。這里的彈道安全主要是指引信保險(xiǎn)解除后導(dǎo)彈自由飛行時(shí)的過(guò)載、沖擊。在保證彈道安全性的前提下，以-100g為設(shè)計(jì)參考閉合值，取慣性開(kāi)關(guān)閉合中值為70g，過(guò)載散布偏差取15g，最終確定慣性開(kāi)關(guān)離心閉合閾值為55～85g。即當(dāng)慣性子受到的前沖過(guò)載小于等于55g時(shí)不會(huì)運(yùn)動(dòng),開(kāi)關(guān)不會(huì)閉合；當(dāng)慣性體受到的前沖過(guò)載大于等于85g，且響應(yīng)時(shí)間足夠時(shí)，開(kāi)關(guān)能可靠閉合。

通過(guò)對(duì)極限55g閉合的慣性開(kāi)關(guān)進(jìn)行彈道自由飛行振動(dòng)加嚴(yán)試驗(yàn),證明慣性開(kāi)關(guān)在極限情況下不會(huì)閉合。對(duì)極限85g閉合的慣性開(kāi)關(guān)進(jìn)行打擊0.8 mm厚鋼板極限薄弱目標(biāo)進(jìn)行模底試驗(yàn),證明慣性開(kāi)關(guān)可以閉合。

由于彈簧的加工誤差不可避免,導(dǎo)致慣性開(kāi)關(guān)的閉合閾值有一定散布范圍,為進(jìn)一步提高彈道安全性和發(fā)火可靠性,在工程應(yīng)用中慣性開(kāi)關(guān)需采取成品100%篩選的辦法,將閉合閾值內(nèi)控在70g左右(不超過(guò)5g),有利于消除慣性開(kāi)關(guān)的閉合閾值散布帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 彈道安全性設(shè)計(jì)

空地導(dǎo)彈的彈道安全一般包含載機(jī)、發(fā)射及飛行時(shí)彈道安全。飛行彈道安全進(jìn)一步細(xì)分為引信保險(xiǎn)解除前彈道安全和引信保險(xiǎn)解除后導(dǎo)彈處于待發(fā)狀態(tài)的彈道安全。

引信保險(xiǎn)解除處于待發(fā)狀態(tài)后的彈道安全只能通過(guò)提高低過(guò)載開(kāi)關(guān)自身的過(guò)載閉合閾值保證。其余彈道安全性可以通過(guò)提高低過(guò)載開(kāi)關(guān)自身的過(guò)載閉合閾值和控制發(fā)火電容充電時(shí)刻點(diǎn)兩個(gè)方面來(lái)保證引信的彈道安全。為了防止低過(guò)載開(kāi)關(guān)的過(guò)載閉合閾值下限與彈道過(guò)載之間裕度不足或意外情況引信上電發(fā)火，只要控制引信處于待發(fā)狀態(tài)前的任何時(shí)刻引信發(fā)火電容不被充電，即使低過(guò)載慣性開(kāi)關(guān)閉合，彈道仍然安全。引信發(fā)火電容管控電原理圖如圖2所示。

圖2 電原理圖Fig.2 Electrical schematic diagram

圖2中充電管控開(kāi)關(guān)與引信兩級(jí)保險(xiǎn)物理關(guān)聯(lián)，當(dāng)引信保險(xiǎn)解除后，引信充電管控開(kāi)關(guān)才能接通，引信發(fā)火電容C1充電。當(dāng)引信碰擊目標(biāo)時(shí)，慣性開(kāi)關(guān)感受過(guò)載閉合，發(fā)火電容C1給電雷管放電。

為保證彈道安全性，在盡可能接近目標(biāo)時(shí)解除引信第二級(jí)保險(xiǎn)。引信待發(fā)后，在導(dǎo)彈自由飛行階段，引信感受到的過(guò)載可達(dá)10g，文中取低過(guò)載慣性開(kāi)關(guān)的最小閉合值為55g，因此可保證彈道安全。

2 彈目交會(huì)發(fā)火作用及仿真

采取基于ANSYS-LSDYNA與ADAMS的聯(lián)合仿真方法，進(jìn)行彈目交會(huì)發(fā)火作用仿真驗(yàn)證。

2.1 終點(diǎn)彈道仿真

導(dǎo)彈侵徹體材料為高強(qiáng)度鋼，彈體直徑150 mm，彈長(zhǎng)1.4 m，頭部等效艙、彈尾及引信材料為高強(qiáng)度鋁。利用ANSYS-LSDYNA970軟件進(jìn)行仿真，計(jì)算時(shí)采用1/2對(duì)稱(chēng)模型、2個(gè)CPU并行[5-9]。

導(dǎo)彈打擊目標(biāo)具有多樣性和復(fù)雜性，相比較而言，考斯特車(chē)車(chē)頂和玻璃鋼小艇較沙土地、水面、建筑物等目標(biāo)更為薄弱。因此，本文以打擊該兩種目標(biāo)工況進(jìn)行仿真。打擊目標(biāo)仿真工況見(jiàn)表1。

表1 仿真工況

2.1.1 打擊考斯特車(chē)頂部工況

打擊考斯特車(chē)頂部仿真模型見(jiàn)圖3。

圖3 仿真模型Fig.3 simulation model

1)低速工況

導(dǎo)彈速度160 m/s、落角90°、攻角0°、靶標(biāo)1 mm厚鋼板時(shí)的穿靶仿真情況見(jiàn)圖4所示。穿靶過(guò)程中導(dǎo)彈的速度時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖5，引信軸向過(guò)載見(jiàn)圖6所示。

圖4 低速穿靶過(guò)程Fig.4 Low speed penetration process

圖5 導(dǎo)彈速度時(shí)間曲線(xiàn)Fig.5 Missile velocity-time curve

圖6 引信加速度時(shí)間曲線(xiàn)Fig.6 Fuze acceleration-time curve

通過(guò)仿真計(jì)算可知，穿靶后導(dǎo)彈余速約為159 m/s。侵徹過(guò)程中引信軸向(-Z)加速度峰值約為-388g，過(guò)載大于-100g的持續(xù)時(shí)間約為 0.27 ms(0.5～0.77 ms)。

2)高速工況

導(dǎo)彈速度240 m/s、落角90°、攻角0°、靶標(biāo)1 mm厚鋼板時(shí)的穿靶仿真情況見(jiàn)圖7所示。穿靶過(guò)程中導(dǎo)彈的速度時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖8，引信軸向過(guò)載見(jiàn)圖9所示。

圖7 高速穿靶過(guò)程Fig.7 High speed penetration process

圖8 導(dǎo)彈速度時(shí)間曲線(xiàn)Fig.8 Missile velocity-time curve

圖9 引信加速度時(shí)間曲線(xiàn)Fig.9 Fuze acceleration-time curve

通過(guò)仿真計(jì)算可知，穿靶后導(dǎo)彈余速約為239 m/s。侵徹過(guò)程中引信軸向(-Z)加速度峰值約為-589g，過(guò)載大于-100g的持續(xù)時(shí)間約為 0.29 ms(0.38～0.67 ms)。

2.1.2 打擊玻璃鋼小艇甲板工況

打擊玻璃鋼小艇甲板仿真模型見(jiàn)圖10。

圖10 仿真模型Fig.10 Simulation model

1)低速工況

導(dǎo)彈速度160 m/s、落角30°、攻角4°、靶標(biāo)20 mm厚玻璃鋼時(shí)的穿靶仿真情況見(jiàn)圖11所示。穿靶過(guò)程中導(dǎo)彈的速度時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖12，引信軸向過(guò)載見(jiàn)圖13所示。

圖11 低速穿靶過(guò)程Fig.11 Low speed penetration process

圖12 導(dǎo)彈速度時(shí)間曲線(xiàn)Fig.12 Missile velocity-time curve

圖13 引信加速度時(shí)間曲線(xiàn)Fig.13 Fuze acceleration-time curve

通過(guò)仿真計(jì)算可知，穿靶后導(dǎo)彈余速約為133 m/s。侵徹過(guò)程中引信軸向(-Z)加速度峰值約為-483g，過(guò)載大于-100g的持續(xù)時(shí)間約為 0.97 ms(0.46 ms～1.43 ms)。

⑨Feng S．，Heerink N．，“Are farm households’land renting and migration decisions inter－related in rural China?”NJAS － Wageningen Journal of Life Sciences，4，2008．

2)高速工況

導(dǎo)彈速度240 m/s、落角30°、攻角4°、靶標(biāo)20 mm厚玻璃鋼時(shí)的穿靶仿真情況見(jiàn)圖14所示。穿靶過(guò)程中導(dǎo)彈的速度時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖15，引信軸向過(guò)載見(jiàn)圖16所示。

圖14 高速穿靶過(guò)程Fig.14 High speed penetration process

圖15 導(dǎo)彈速度時(shí)間曲線(xiàn)Fig.15 Missile velocity-time curve

圖16 引信加速度時(shí)間曲線(xiàn)Fig.16 Fuze acceleration-time curve

通過(guò)仿真計(jì)算可知，穿靶后導(dǎo)彈余速約為224 m/s。侵徹過(guò)程中引信軸向(-Z)加速度峰值約為-851g，過(guò)載大于-100g的持續(xù)時(shí)間約為 1.22 ms(0.36～1.58 ms)。

2.1.3 仿真結(jié)論

導(dǎo)彈打擊考斯特車(chē)頂部工況時(shí)，目標(biāo)最為薄弱，可依據(jù)該工況數(shù)據(jù)進(jìn)行慣性開(kāi)關(guān)的識(shí)別響應(yīng)仿真。

2.2 慣性開(kāi)關(guān)識(shí)別響應(yīng)仿真

將導(dǎo)彈打擊考斯特車(chē)頂部工況仿真結(jié)果作用于低過(guò)載開(kāi)關(guān)，采用ADAMS 多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)低過(guò)載開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析[2]，仿真結(jié)果如下。

1)低速條件仿真

導(dǎo)彈速度160 m/s、落角90°、攻角0°、打擊靶標(biāo)為1 mm厚鋼板時(shí)的慣性開(kāi)關(guān)仿真結(jié)果如圖17。

圖17 仿真結(jié)果Fig.17 Simulation result

2)高速條件仿真

導(dǎo)彈速度240 m/s、落角90°、攻角0°、打擊靶標(biāo)為1 mm厚鋼板時(shí)的慣性開(kāi)關(guān)仿真結(jié)果如圖18。

圖18 仿真結(jié)果Fig.18 Simulation result

圖中慣性子運(yùn)動(dòng)0.5 mm慣性開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)刻在1.5～2.3 ms之間，閉合時(shí)間約800 μs。

通過(guò)仿真,在導(dǎo)彈打擊考斯特車(chē)頂部工況最薄弱目標(biāo)時(shí),低過(guò)載慣性開(kāi)關(guān)仍然能夠可靠性閉合。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 地面火炮試驗(yàn)

引信地面火炮試驗(yàn)采用滑膛炮作為導(dǎo)彈動(dòng)能的加載設(shè)備。試驗(yàn)導(dǎo)彈裝填假藥，采用曳光藥劑燃燒時(shí)的亮光作為引信炸點(diǎn)指示判斷依據(jù)?；鹋谠囼?yàn)時(shí)，試驗(yàn)引信具有炮口保險(xiǎn)，在炮口后效期結(jié)束后，引信才具備待發(fā)狀態(tài)。同時(shí)為了滿(mǎn)足導(dǎo)彈在侵徹目標(biāo)后，在目標(biāo)內(nèi)部起爆，試驗(yàn)引信具備延期7 ms±2 ms發(fā)火的功能?；鹋谠囼?yàn)引信發(fā)火情況如表2所示。

表2 火炮試驗(yàn)引信發(fā)火情況

第1發(fā)，導(dǎo)彈速度162 m/s，落角90°，打1 mm厚10#鋼板時(shí)的試驗(yàn)發(fā)火景象見(jiàn)圖19。

圖19 162 m/s發(fā)火景象Fig.19 Scene of fire under 162 m/s

第2發(fā)，導(dǎo)彈速度240 m/s，落角90°，打1 m厚10#鋼板時(shí)的試驗(yàn)發(fā)火景象見(jiàn)圖20。

圖20 240 m/s發(fā)火景象Fig.20 Scene of fire under 240 m/s

通過(guò)對(duì)2發(fā)炮射試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，引信的慣性開(kāi)關(guān)對(duì)薄弱目標(biāo)具有良好的發(fā)火性能，且火炮彈道安全。

3.2 全彈道飛行試驗(yàn)

2發(fā)引信隨空地導(dǎo)彈進(jìn)行了全彈道飛行試驗(yàn)考核，試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)彈打擊目標(biāo)為1 mm厚10#鋼板，靶標(biāo)與地面成45°夾角，引信瞬發(fā)發(fā)火不帶延時(shí)功能，炸點(diǎn)指示用曳光劑。飛行試驗(yàn)引信發(fā)火情況見(jiàn)表3，彈目交會(huì)發(fā)火景象見(jiàn)圖21和圖22。

表3 飛行試驗(yàn)引信發(fā)火情況

圖21 244 m/s發(fā)火景象Fig.21 Scene of fire under 244 m/s

圖22 163 m/s發(fā)火景象Fig.22 Scene of fire under 163 m/s

通過(guò)對(duì)2發(fā)全彈道飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，引信的慣性開(kāi)關(guān)對(duì)1 mm厚10#鋼板具有良好的發(fā)火性能，且載機(jī)、發(fā)射及飛行時(shí)彈道安全。

4 結(jié)論

本文提出了基于低過(guò)載慣性開(kāi)關(guān)的引信對(duì)極薄弱目標(biāo)發(fā)火作用方法，通過(guò)ANSYS-LSDYNA與ADAMS聯(lián)合仿真方法驗(yàn)證了低過(guò)載慣性開(kāi)關(guān)能夠敏感碰靶過(guò)載條件而發(fā)火作用。通過(guò)火炮試驗(yàn)及全彈道飛行試驗(yàn)結(jié)果表明：空地導(dǎo)彈在162～244 m/s著靶速度條件下，設(shè)計(jì)的低過(guò)載慣性開(kāi)關(guān)對(duì)1 mm厚10#鋼能夠可靠發(fā)火，同時(shí)提出的解決彈道安全性的設(shè)計(jì)方法有效可行，能夠保證空地導(dǎo)彈的彈道安全。