賀 文，馮 欣，閆 雷

(1.機電動態(tài)控制重點實驗室，陜西 西安 710065;2.西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

引信電池能否為引信正常供電會直接影響引信的作戰(zhàn)效能，儲備電池作為引信能源的提供者，平時不工作，只在激活條件下才形成電化學(xué)系統(tǒng)為引信提供電能，而激活機構(gòu)則擔(dān)負(fù)著勤務(wù)處理安全和發(fā)射環(huán)境下可靠激活儲備電池的重要任務(wù)。

儲備電池的激活一般靠點燃內(nèi)部加熱系統(tǒng)或擊碎內(nèi)部儲液瓶來完成。目前，加熱系統(tǒng)的點燃多采用磁電機發(fā)電起爆電點火頭[1]，而具有儲液瓶的儲備電池的激活方式是利用獨立的擊發(fā)機構(gòu)沖擊儲液瓶或沖擊火帽間接擊碎儲液瓶激活電池[2]。

在中小口徑迫彈平臺使用磁電機激活儲備電池，難以解決既要在迫彈發(fā)射環(huán)境下可靠激活熱電池，又要在比迫彈發(fā)射過載高的勤務(wù)跌落環(huán)境下安全的難題。

儲備電池用電點火頭激活也有被靜電起爆的風(fēng)險[3]，采用較頓感的電點火頭可使用雙繞組磁電機作為電點火頭的電源，但這種磁電機的體積比單繞組磁電機體積更大[4]。

對于大倍率的身管火炮，其發(fā)射過載無論幅值和持續(xù)時間都大于勤務(wù)跌落過載，可以使用單自由度的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)作為外部擊發(fā)機構(gòu)可靠激活熱電池，且保證勤務(wù)跌落環(huán)境下的安全。但用于比跌落過載低的發(fā)射平臺，這種類型的擊發(fā)機構(gòu)將占用非常大的軸向尺寸，發(fā)射過載越低，所占用的軸向尺寸越大。即使借鑒迫彈的后座環(huán)境敏感機構(gòu)作為外部獨立擊發(fā)機構(gòu)，軸向尺寸也將與小型電池軸向高度相當(dāng)，難以小型化應(yīng)用于中小口徑迫彈平臺。因此針對中小口徑制導(dǎo)迫彈儲備電池的小型激活機構(gòu)在迫彈發(fā)射環(huán)境下可靠激活和高過載跌落環(huán)境下勤務(wù)處理安全的矛盾，提出了迫彈儲備電池的小型低過載激活機構(gòu)。

1 借鑒機構(gòu)

在較小的軸向尺寸下，為實現(xiàn)區(qū)別迫彈發(fā)射過載和勤務(wù)跌落過載，可以借鑒曲折槽慣性保險機構(gòu)、卡板互鎖后坐保險機構(gòu)、鐘表機構(gòu)等[5]。曲折槽慣性保險機構(gòu)利用曲折槽改變慣性件的運動方向，以消耗慣性件的動能，使慣性件在短時間的高過載跌落環(huán)境下不解保，而在長時間的低發(fā)射過載環(huán)境下可靠解除保險。卡板互鎖后座保險機構(gòu)利用一個旋轉(zhuǎn)卡板在過載時間內(nèi)對另一旋轉(zhuǎn)卡板的約束，隔離各慣性件間動能的傳遞，防止跌落過載環(huán)境下解除保險，而在較長時間的發(fā)射過載下，可以產(chǎn)生解保動作。鐘表機構(gòu)以卡擺振動消耗慣性件的動能，延長解保所需時間，保證短時高過載跌落環(huán)境下的安全性。

這幾種低過載環(huán)境敏感機構(gòu)都是以單個或多個慣性件多次啟動的方式識別過載和時間，區(qū)分短時高過載跌落環(huán)境和長時低過載發(fā)射環(huán)境。

借鑒以上低過載環(huán)境敏感機構(gòu)的原理，同時結(jié)合電池自身的結(jié)構(gòu)特點及火帽的起爆要求，設(shè)計了迫彈儲備電池的小型低過載激活機構(gòu)。

2 迫彈儲備電池的小型低過載激活機構(gòu)

迫彈儲備電池的小型低過載激活機構(gòu)主要包括座體、慣性塊、擊針座、擊針、慣性塊簧、擊針座簧、火帽座、針刺火帽。其中座體、慣性塊、擊針及擊針座如圖1所示。機構(gòu)整體圖如圖2所示。

圖2 迫彈儲備電池的小型低過載激活機構(gòu)Fig.2 The activation device of reserve battery for motar projectile in low overload environment

在保證慣性件質(zhì)量的前提下，該機構(gòu)通過慣性塊和擊針座兩個慣性件的半圓柱形設(shè)計減小其徑向尺寸。通過擊針座質(zhì)心的錯位布局使鋼珠對擊針座的約束點降低到擊針安裝位置以下，并通過慣性塊與擊針座并列安裝降低了該機構(gòu)的軸向尺寸；同時將擊針座的質(zhì)量轉(zhuǎn)移到擊針座右側(cè)，有利于擊針座高度的減小，擊針與彈簧的錯位布局也消除了彈簧壓死高度對該機構(gòu)軸向高度的影響。

該機構(gòu)采用螺紋接口安裝于電池蓋中，便于電池蓋與電池殼體的密封焊接，如圖3所示。

圖3 裝在電池蓋上的激活機構(gòu)Fig.3 The activation device installed in thermal battery cover

在跌落過載下，慣性塊在向下運動時，通過鋼珠對擊針座進行約束，阻止跌落過程中擊針座受力產(chǎn)生的運動，防止擊針座將針刺火帽起爆，圖4為該機構(gòu)在跌落過載結(jié)束時刻狀態(tài)圖。在跌落過載結(jié)束后，慣性塊繼續(xù)向下運動到位，并解除對擊針座的約束，此時由于跌落過載已經(jīng)消失，擊針座因受擊針座簧的支撐，不受跌落過載影響。當(dāng)慣性塊向下運動到底后，在慣性塊簧的作用下向上運動并推動鋼珠復(fù)位。

圖4 機構(gòu)在跌落過載結(jié)束時刻狀態(tài)圖Fig.4 The activation device state at the time of dropping load termitated

在迫彈發(fā)射環(huán)境下，慣性塊向下運動到位后，鋼珠不再約束擊針座，擊針座受后坐力沖擊起爆針刺火帽，激活電池，如圖5所示。

圖5 機構(gòu)在發(fā)射過載下的狀態(tài)圖Fig.5 The activation device state in fire load

設(shè)計該機構(gòu)時的幾個影響因素：

1) 該機構(gòu)通過擊針座在發(fā)射過載下加速并沖擊火帽，使火帽發(fā)火，激活電池，因此使針刺火帽可靠起爆的最低發(fā)射過載主要受針刺火帽的起爆要求和擊針座重量以及擊針與針刺火帽的距離制約。

2) 經(jīng)受跌落過載時，該機構(gòu)的安全性受慣性塊釋放鋼珠時向下運動的位移和彈簧預(yù)壓力的制約。慣性塊的動力學(xué)方程為[6]：

(1)

式(1)中，m為慣性塊質(zhì)量，y為慣性塊向下運動的位移，a(t)為機構(gòu)后坐加速度，k為彈簧剛度，λ0為彈簧的預(yù)壓縮長度，N1為慣性塊與底座正壓力，N2為鋼珠與慣性塊之間正壓力，μ1為慣性塊與底座之間的動摩擦系數(shù)，μ2為鋼珠與慣性塊之間的動摩擦系數(shù)。

通過式(1)，以峰值10 000g，過載時間0.2 ms的三角形跌落過載曲線為例進行計算(不考慮彈簧預(yù)壓力、摩擦力)，在過載結(jié)束時刻，物體產(chǎn)生的位移為1.5 mm，速度為15 m/s，因此在該跌落過載條件下，慣性塊必須保證向下運動1.5 mm而不解除對擊針座的約束，才能保證該機構(gòu)的安全性。彈簧的預(yù)壓力應(yīng)保證慣性塊的啟動過載值大于證勤務(wù)振動環(huán)境的過載值以保證該機構(gòu)在振動環(huán)境下的安全性。

3) 在一定的發(fā)射過載下，該機構(gòu)使針刺火帽可靠起爆所需的最小發(fā)射過載時間也受到慣性塊向下運動并釋放鋼珠的位移的影響，位移越大，安全性越高，但所需的最小發(fā)射過載時間就越長。通過式(1)，以可利用發(fā)射過載幅值為1 000g的矩形發(fā)射過載曲線為例進行計算(不考慮彈簧預(yù)壓力、摩擦力)，慣性塊向下運動2 mm需要0.63 ms，因此在1 000g過載幅值下，該過載幅值持續(xù)時間小于0.63 ms將無法使機構(gòu)的擊針座動作。因此該機構(gòu)在設(shè)計時需要綜合考慮所使用火帽的起爆要求，所使用發(fā)射平臺的最低發(fā)射過載和過載持續(xù)時間，最終優(yōu)化并確定該機構(gòu)各零件的尺寸設(shè)計、材料和工藝要求。

3 仿真驗證

將迫彈儲備電池的小型低過載激活機構(gòu)的三維模型導(dǎo)入系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件Adams中進行仿真驗證，定義材料密度、彈簧、接觸、過載曲線，并設(shè)定求解參數(shù)后進行該機構(gòu)的仿真[7]。

以峰值13 000g，過載時間0.375 ms的三角形曲線[8]作為跌落過載曲線進行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 跌落環(huán)境仿真曲線Fig.6 The curve of dropping simutation

由圖6慣性塊位移曲線可以看出慣性塊在0.375 ms時向下運動4 mm， 剛好解除對擊針座的約束，但此時過載結(jié)束，擊針座不再受力向下運動。0.7～3.7 ms之間，慣性塊在慣性塊簧作用下推動鋼珠復(fù)位,3.7 ms后慣性塊開始快速復(fù)位到初始裝配位置。由擊針座位移曲線看出擊針座由于裝配間隙在跌落過載下向下運動0.5 mm左右，在鋼珠復(fù)位后恢復(fù)到初始安裝位置。仿真結(jié)果表明機構(gòu)在該跌落過載曲線作用下可以保證不激活電池。由于1.5 m勤務(wù)跌落過載曲線在時間和強度上小于仿真采用的過載曲線，因此該機構(gòu)可以保證1.5 m勤務(wù)跌落環(huán)境下的安全性。

以1 000g，5 ms梯形發(fā)射過載曲線模擬發(fā)射過載，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 發(fā)射環(huán)境仿真曲線Fig.7 The curve of firing simutation

由圖7可以看出，慣性塊在2.5 ms時運動到位并釋放約束擊針座的鋼珠，擊針座在1 000g過載區(qū)間加速向下運動并戳擊針刺火帽，從而保證擊針座利用最大的1 000g過載進行加速，以在戳擊針刺火帽時擁有足夠的動能。

由上述仿真結(jié)果可知，該機構(gòu)可以保證擊針在1.5 m勤務(wù)跌落過載環(huán)境下不戳擊針刺火帽，而在迫彈的低過載發(fā)射環(huán)境下，該機構(gòu)可以利用過載曲線的最大過載區(qū)間，使擊針座加速并戳擊針刺火帽。因此根據(jù)所使用火帽的要求和所利用的過載值大小，選配合適的擊針座重量及擊針與火帽間距，該機構(gòu)可以可靠起爆針刺火帽，激活電池。

4 結(jié)論

本文提出了迫彈儲備電池的小型低過載激活機構(gòu)。在保證慣性件質(zhì)量的前提下，該機構(gòu)通過慣性塊和擊針座兩個慣性件的半圓柱形設(shè)計減小其徑向尺寸，兩個慣性件的并列安裝、擊針與彈簧的錯位布局及擊針座質(zhì)心的錯位布局減少其軸向尺寸。仿真表明，該機構(gòu)在13 000g，0.375 ms三角形跌落過載曲線下，慣性塊向下運動并通過鋼珠對擊針座進行約束，擊針座在跌落過載時間內(nèi)不會戳擊火帽，且慣性塊在跌落過載結(jié)束后復(fù)位；在1 000g，5 ms梯形發(fā)射過載曲線下，擊針座被釋放，并可在1 000g過載區(qū)間加速運動，戳擊針刺火帽。根據(jù)所使用火帽的要求和所利用的過載值大小，選配合適的擊針座重量及擊針與火帽間距，該機構(gòu)可以可靠起爆針刺火帽，激活電池。下一步將進行實物試驗以進一步驗證該機構(gòu)的安全性及可靠性。