馬 兵,李朝陽,張 康,黃惠東

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

目前,許多國家的軍事力量日漸強(qiáng)大,各種作戰(zhàn)武器的作戰(zhàn)能力以及防御體系也愈發(fā)完善,重要軍事目標(biāo)都轉(zhuǎn)移到地下,并采取了堅(jiān)硬的防護(hù)措施[1]。侵徹彈藥能夠有效摧毀具有多層、深層堅(jiān)固防護(hù)的目標(biāo),成為各大軍事強(qiáng)國武器裝備競相發(fā)展的重要方向。機(jī)電侵徹引信是侵徹彈藥實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)功能的“控制中樞”,引信的性能直接決定侵徹彈藥能否對既定目標(biāo)進(jìn)行精確毀傷。隨著日益復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境以及彈藥系統(tǒng)頻繁控制信號產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾,機(jī)電侵徹引信抗電磁干擾成為亟需解決的問題。目前在引信抗電磁干擾方面已有大量成果。文獻(xiàn)[2]研究了齊射高炮引信實(shí)彈射擊時(shí)由于引信間電磁互擾引起早炸率提高的原因,分析了實(shí)效機(jī)理并給出了應(yīng)用建議。文獻(xiàn)[3]對超寬帶無線電引信抗干擾性能進(jìn)行了研究,定量分析了無線電引信的抗干擾性能,為無線電引信的抗干擾設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。文獻(xiàn)[4]分析了電和電磁環(huán)境對引信全電子安全系統(tǒng)的影響,建立了在電路不同節(jié)點(diǎn)引入靜電,電流注入和電源線傳導(dǎo)等激勵(lì)與高壓電容、雷管電壓的傳遞函數(shù),說明了這些激勵(lì)下安全失效率的計(jì)算方法。這些研究針對的大都是無線電引信和電子引信的抗電磁干擾,而關(guān)于機(jī)電侵徹引信抗電磁干擾性能的研究卻鮮有報(bào)道。工程上機(jī)電侵徹引信抗電磁干擾采取的主要措施包括:引信電路抗干擾設(shè)計(jì),全金屬殼體屏蔽抗電磁干擾,在引控器與引信之間電纜增加金屬屏蔽網(wǎng)以及在引控器與引信之間增加無源濾波器等方式,以此提高引信的抗電磁干擾能力。但是,采取上述措施后引信意外作用引起彈藥早炸的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,為提高機(jī)電侵徹引信抗電磁干擾性能,提出一種機(jī)電侵徹引信目標(biāo)基短路抗電磁干擾方法。

1 機(jī)電侵徹引信及電磁干擾原理

1.1 機(jī)電侵徹引信

機(jī)電侵徹引信配用于侵徹爆破戰(zhàn)斗部,其工作流程:當(dāng)彈藥飛出安全距離之后,機(jī)電侵徹引信按時(shí)序解除隔離,內(nèi)部隔爆機(jī)構(gòu)處于對正狀態(tài),同時(shí)起爆控制電路上電并處于待發(fā)狀態(tài);碰目標(biāo)后,引信按照裝定的起爆參數(shù)在預(yù)定時(shí)刻起爆戰(zhàn)斗部。機(jī)電侵徹引信工作流程見圖1。其中,引信解除隔離并上電處于待發(fā)狀態(tài)至碰目標(biāo)還有數(shù)秒時(shí)間,該時(shí)間窗為侵徹引信易受電磁干擾影響階段,意外干擾可能造成引信早炸。

圖1 機(jī)電侵徹引信工作流程圖Fig.1 Block diagram of fixed delayed initiation control module

1.2 傳導(dǎo)耦合電磁干擾原理

機(jī)電侵徹引信一般通過電纜與引控系統(tǒng)連接,從而獲取能量和信息指令。電纜是效率很高的電磁波接收天線,電磁干擾往往首先被電纜接收到[5],通過電纜傳導(dǎo)至引信中,造成電路誤動(dòng)作。電纜中的導(dǎo)線都是平行的,且平行走線距離較長,信號串?dāng)_十分嚴(yán)重,即使不是同一根電纜中的導(dǎo)線,相互串?dāng)_也會(huì)影響引信的性能,因此通過電纜的傳導(dǎo)耦合是引信電磁干擾的重要方式。傳導(dǎo)耦合包括導(dǎo)體間的電容及互感形成的干擾耦合。引信電纜中兩根導(dǎo)線之間即構(gòu)成了寄生電容,干擾源可以通過寄生電容將能量耦合在敏感電路上,產(chǎn)生電容耦合;干擾源電流發(fā)生變化時(shí),會(huì)引起周圍磁場變化,在變化磁場中的敏感電路會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,產(chǎn)生電感耦合。圖2為綜合考慮電容耦合和電感耦合電路示意圖和等效電路圖。干擾源通過電容和電感耦合作用在敏感電路的感應(yīng)電壓為

圖2 傳導(dǎo)耦合電路示意圖和等效電路圖Fig.2 Circuit and equivalent diagram for conduction coupling

(1)

式(1)中,UC為電容性耦合作用在敏感電路的干擾電壓,UL為電感性耦合作用在敏感電路的干擾電壓,U0為干擾電源電壓,C為寄生電容容值,M為互感。

由式(1)可知,在干擾源電壓U0,干擾電路阻抗R0和R1,敏感電路阻抗R2L,R2G一定的情況下,作用在敏感電路的感應(yīng)電壓U2L與寄生電容C、互感M直接相關(guān)。一般通過給引信電纜增加金屬屏蔽網(wǎng)的方式改變寄生電容C和互感M,提高引信抗電磁干擾性能,但是上述措施并未完全解決引信受干擾后意外作用的問題。

2 機(jī)電侵徹引信目標(biāo)基短路抗電磁干擾方法

本文提出的抗電磁干擾方法包含目標(biāo)基短路機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、起爆電路參數(shù)匹配性設(shè)計(jì)以及起爆策略改進(jìn)。

2.1 機(jī)電侵徹引信目標(biāo)基短路機(jī)構(gòu)

引信隔爆機(jī)構(gòu)解除隔離前,短路機(jī)構(gòu)處于圖3(a)狀態(tài),此時(shí)短路機(jī)構(gòu)由于轉(zhuǎn)子的約束,使電雷管處于短路狀態(tài),戰(zhàn)斗部運(yùn)輸、引信解除隔離前的過載不會(huì)導(dǎo)致短路機(jī)構(gòu)斷開。圖3(b)為引信解除隔離后目標(biāo)基短路機(jī)構(gòu)狀態(tài)示意圖,此時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度,轉(zhuǎn)子盲孔在短路機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)路徑上,為其留出運(yùn)動(dòng)空間,但飛行中的振動(dòng)載荷較小,短路機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)件不足以剪斷短路絲,電雷管處于短路狀態(tài),外界電磁干擾導(dǎo)致引信起爆電路輸出起爆信號,無法起爆電雷管,提高了引信的抗電磁干擾能力。在戰(zhàn)斗部碰目標(biāo)后,短路機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)件在前沖力作用下,剪斷短路絲,進(jìn)入轉(zhuǎn)子盲孔中,短路機(jī)構(gòu)處于圖3(c)狀態(tài),此時(shí)電雷管解除短路,引信按裝定的起爆模式和參數(shù)輸出起爆信號,電雷管起爆后引爆整個(gè)傳爆序列。

圖3 目標(biāo)基短路機(jī)構(gòu)作用過程示意圖Fig.3 Block diagram of target-based short-circuit mechanism

2.2 起爆電路參數(shù)匹配性設(shè)計(jì)

目標(biāo)基短路抗電磁干擾方法是在起爆電路和電雷管之間接入了目標(biāo)基短路機(jī)構(gòu),在引信解除隔離到碰目標(biāo)之前的時(shí)間窗內(nèi),電雷管處于短路狀態(tài),確保碰目標(biāo)之前任何電磁干擾不會(huì)導(dǎo)致電雷管意外起爆。同時(shí),也要保證起爆系統(tǒng)在受電磁干擾作用后,還可以正常工作。因而電路硬件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮兩方面:一是晶閘管V1受電磁干擾導(dǎo)通后,應(yīng)恢復(fù)斷開狀態(tài);二是起爆電容C1充電到雷管作用電壓的時(shí)間應(yīng)足夠短。圖4為起爆電路工作原理圖。

圖4 起爆電路工作原理圖Fig.4 Block diagram of detonation circuit

一般在已知起爆電壓U的情況下,根據(jù)晶閘管維持電流Ih可以計(jì)算出電阻R1范圍為

(2)

同時(shí),電阻R1影響起爆電容C1的充電時(shí)間,為保證C1迅速充電,應(yīng)滿足公式

(3)

式(3)中,ULG為雷管作用電壓。

結(jié)合式(2)、式(3)計(jì)算合適的限流電阻R1,確保引信受干擾發(fā)火電容放電后,彈載電源可在幾十毫秒內(nèi)完成發(fā)火電容充電,避免引信瞎火。由于充電時(shí)間為毫秒級,受干擾時(shí)間窗為秒級,時(shí)間窗內(nèi)可完成若干次充電,滿足實(shí)時(shí)性要求。

同時(shí),通過改進(jìn)軟件起爆策略,在起爆控制系統(tǒng)輸出起爆指令后立即恢復(fù)待發(fā)狀態(tài),保證起爆控制系統(tǒng)在碰目標(biāo)后按照既定策略起爆。

3 驗(yàn)證

3.1 目標(biāo)基短路機(jī)構(gòu)仿真

在解除隔離后至碰目標(biāo)前的時(shí)間窗內(nèi),飛行振動(dòng)下目標(biāo)基短路機(jī)構(gòu)意外斷開會(huì)降低引信的抗電磁干擾性能;在碰目標(biāo)后,目標(biāo)基短路機(jī)構(gòu)的斷開時(shí)間會(huì)影響引信的起爆性能,利用ANSYS/LS-DYNA[6-7]對目標(biāo)基短路機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行仿真。

3.1.1有限元模型

目標(biāo)基短路機(jī)構(gòu)在飛行振動(dòng)和侵徹過程中動(dòng)力學(xué)仿真的主要差異在過載,數(shù)值模型和接觸設(shè)置可以通用。根據(jù)實(shí)際短路機(jī)構(gòu)外形,建立數(shù)值模型。數(shù)值模型由座體、運(yùn)動(dòng)銷和金屬絲組成,由于模型具有對稱性,為了提高計(jì)算效率,采用1/2模型建模,如圖5(a)。座體、運(yùn)動(dòng)銷和金屬絲之間接觸選擇AUTOMATIC接觸方式,座體和金屬絲兩端均采用Bond固定,將實(shí)測飛行振動(dòng)、侵徹過載曲線通過*LOAD_BODY關(guān)鍵字施加于運(yùn)動(dòng)銷,網(wǎng)格均采用8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元(SOLID164),如圖5(b),用單點(diǎn)積分Lagrange算法[8]。對金屬絲、座體和運(yùn)動(dòng)銷中與金屬絲接觸區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密,以提高計(jì)算的精度和效率[9]。

圖5 短路機(jī)構(gòu)仿真模型Fig.5 Simulation of the target-based short-circuit mechanism

3.1.2飛行振動(dòng)仿真結(jié)果

圖6為試驗(yàn)獲取的飛行振動(dòng)過載曲線。將過載曲線施加于有限元模型后得到了短路機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程如圖7所示。第一行為短路機(jī)構(gòu)整體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程,第二行為省略部分運(yùn)動(dòng)銷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程,第三行為金屬絲的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。由圖7可知:在飛行振動(dòng)條件下,短路機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)銷相對座體處于上下震蕩中,但是由于飛行振動(dòng)過載較小,運(yùn)動(dòng)銷不會(huì)剪斷短路絲,電雷管保持短路。說明在引信解除隔離飛行振動(dòng)過程中,可以保證電雷管短路。

圖6 飛行振動(dòng)過載曲線Fig.6 Vibration overload of flight

圖7 飛行振動(dòng)過載下短路機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.7 Dynamic response of short-circuit mechanism under flight

3.1.3侵徹過載下仿真結(jié)果

圖8為試驗(yàn)獲取的戰(zhàn)斗部侵徹混凝土過載曲線。將過載曲線施加于有限元模型后得到的短路機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程如圖9所示。由圖8可知:以戰(zhàn)斗部碰目標(biāo)瞬間為計(jì)時(shí)零點(diǎn),在160 μs時(shí)短路機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)銷已經(jīng)剪斷短路絲,以800 m/s的著靶速度計(jì),在侵入目標(biāo)0.128 m時(shí)短路絲已剪斷,可以滿足侵徹引信可靠起爆的要求。

圖8 侵徹過載曲線Fig.8 Vibration overload of penetration

圖9 侵徹過載下短路機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.9 Dynamic response of short-circuit mechanism under penetration

飛行振動(dòng)模擬解除隔離至碰目標(biāo)前目標(biāo)基短路機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),在此階段,短路機(jī)構(gòu)的短路絲在飛行振動(dòng)過載作用下不會(huì)被剪斷,電雷管保持短路,保證了引信的抗電磁干擾性能;侵徹過載模擬碰目標(biāo)后目標(biāo)基短路機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),短路機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)件在前沖力作用下,可以迅速剪斷短路絲,電雷管解除短路,保證引信可靠起爆。

3.2 起爆電路試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)GJB 151B-2013完成電磁兼容試驗(yàn)[10],驗(yàn)證了本文方法的抗電磁干擾性能;同時(shí),試驗(yàn)驗(yàn)證起爆控制電路受干擾作用后的二次起爆性能。

3.2.1試驗(yàn)方法

起爆控制電路裝定計(jì)時(shí)+計(jì)層起爆模式,確保通過激勵(lì)過載傳感器,使MCU可輸出兩次起爆控制信號至閘流管門極,分別監(jiān)測過載傳感器輸出電壓、單片機(jī)輸出的控制信號、電雷管處的起爆電壓。第一次模擬飛行過程中電雷管短路,第二次模擬碰目標(biāo)后電雷管斷路。

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果

首次激勵(lì)過載傳感器后,監(jiān)測到過載信號,單片機(jī)識(shí)別有效后輸出方波信號(計(jì)時(shí)起爆信號),控制晶閘管導(dǎo)通,起爆電壓作用在短路絲兩端,電雷管處未監(jiān)測到起爆電壓,如圖10(a)。再次激勵(lì)過載傳感器,監(jiān)測到過載信號,單片機(jī)處理后輸出方波信號(計(jì)層起爆信號),控制晶閘管導(dǎo)通,此時(shí)雷管短路絲已經(jīng)斷開,起爆電壓作用在電雷管兩端,電雷管處監(jiān)測到起爆電壓曲線,如圖10(b)。試驗(yàn)結(jié)果表明:起爆控制電路在首次作用后,可實(shí)現(xiàn)起爆電容二次充電,滿足起爆系統(tǒng)在電磁干擾作用后,仍能正常作用的要求。

圖10 起爆性能試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.10 Photograph of detonation performance test

4 結(jié)論

本文提出一種機(jī)電侵徹引信目標(biāo)基短路抗電磁干擾方法,該方法設(shè)計(jì)了一種目標(biāo)基短路機(jī)構(gòu),開展了起爆電路參數(shù)匹配性計(jì)算并改進(jìn)了軟件起爆策略。利用仿真和試驗(yàn)對該方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明,短路機(jī)構(gòu)可適應(yīng)飛行和著靶環(huán)境,發(fā)火電容受電磁干擾意外放電后可實(shí)現(xiàn)再次起爆,提高了侵徹引信彈道抗干擾能力和作用可靠性。后續(xù)將結(jié)合靶場試驗(yàn)對方法的可行性進(jìn)一步考核。