引信體外射頻電源供電控制方法

常　悅，李　杰，周曉東

(1.北京理工大學機電學院，北京 100081；2.解放軍63961部隊，北京 100012；

3.軍械工程學院彈藥工程系，河北 石家莊 050003)

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引信體外射頻電源供電控制方法

常悅1，2，李杰1，周曉東3

(1.北京理工大學機電學院，北京 100081；2.解放軍63961部隊，北京 100012；

3.軍械工程學院彈藥工程系，河北 石家莊 050003)

摘要:針對引信體外射頻電源的供電控制問題，提出了基于發(fā)射后坐過載傳感器的引信體外射頻電源供電控制方法。該方法采用后坐過載傳感器，通過彈簧約束切刀并在后坐過載作用下切斷導體的方式識別發(fā)射環(huán)境，并控制供電電路通斷，實現(xiàn)引信體外射頻電源在出炮口附近對發(fā)火控制與起爆電路供電；在引信裝定時檢測傳感器導體的通斷，提高引信體外射頻電源供電安全性。原理樣機驗證試驗結果表明，該方法能夠控制引信體外射頻電源僅在出炮口附近對發(fā)火控制與起爆電路供電，發(fā)射過載傳感器與上電控制電路簡單、易于小型化。

關鍵詞:引信；體外射頻電源；供電控制；電磁感應裝定

0引言

為提高小口徑武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能，小口徑彈藥引信向可編程、電子化、靈巧化方向迅速發(fā)展，迫切需要小型化、快激活、激活時間散布小的引信電源。

基于電磁感應裝定的引信體外射頻供電技術為小口徑引信提供了一種新型電源系統(tǒng)[1-2]。引信體外射頻電源屬于內(nèi)儲能，在發(fā)射前通過裝定器為其感應儲電；而引信發(fā)火控制與起爆電路需在發(fā)射后啟動，即引信體外射頻電源必須在發(fā)射后才可為引信發(fā)火控制與起爆電路供電，否則存在安全性隱患[3]。因此，供電控制是引信體外射頻電源的關鍵技術。但是，目前引信體外射頻電源技術研究主要側重于提高儲能電容充電效率或工作效率，而未涉及上電控制[4-6]。本文針對此問題，提出了基于發(fā)射后坐過載傳感器的引信體外射頻電源上電控制方法。

1引信體外射頻電源

如圖1所示，發(fā)射前，裝定器通過DC/AC逆變電路，將直流電源逆變?yōu)楦哳l交流電，并驅動裝定感應線圈。根據(jù)電磁感應原理，引信感應線圈端產(chǎn)生感應電動勢，經(jīng)整流后感應能量儲存至儲能電容。發(fā)射后，供電控制電路在發(fā)射環(huán)境激勵作用下啟動，儲能電容與引信工作電路導通，經(jīng)穩(wěn)壓電路(DC/DC或LDO)后，為引信電路供電，包括發(fā)火控制系統(tǒng)的工作電能和第一級火工品的起爆能量。

圖1　引信體外射頻技術的工作原理Fig. 1　Schematic diagram of the fuze externally RF power

電源和裝定模塊均是現(xiàn)代電子引信不可或缺的功能部件，且引信體外射頻電源與感應裝定系統(tǒng)均利用線圈間的電磁耦合實現(xiàn)能量和信息的非接觸傳輸，因此，兩者構成了一個密不可分的整體，稱為引信體外射頻電源與感應裝定系統(tǒng)，其結構如圖2所示。

圖2　引信體外射頻電源與感應裝定系統(tǒng)的原理圖Fig.2　Configuration of fuze inductive setting and externally RF power system

裝定過程中，儲能電路充電，并通過裝定穩(wěn)壓電路為引信裝定電路供電；引信裝定電路上電后，接收和存儲裝定數(shù)據(jù)，并向裝定器反饋裝定結果；但釋放機構處于斷路狀態(tài)。發(fā)射后，供電控制電路在發(fā)射環(huán)境激勵作用下導通，儲能電路經(jīng)供電控制電路、穩(wěn)壓電路為引信發(fā)火控制與起爆電路供電；引信發(fā)火控制與起爆電路讀取引信裝定電路的裝定數(shù)據(jù)，并根據(jù)裝定數(shù)據(jù)選擇作用模式和起爆時間，適時起爆戰(zhàn)斗部。

2供電控制電路

2.1工作原理

引信體外射頻電源供電控制電路是利用發(fā)射環(huán)境信息控制儲能電容釋放電能時機的開關控制系統(tǒng)。如圖3所示，發(fā)射環(huán)境傳感器感知特定的環(huán)境信息，將其轉換為電信號，控制器提取該電信號的特征值，并根據(jù)預定條件輸出控制信號，驅動執(zhí)行器，使儲能電容和穩(wěn)壓電路導通。如引信發(fā)火控制系統(tǒng)和引信起爆電路需分別上電時，則采用時序控制和并行執(zhí)行器方式。

圖3　供電控制電路工作原理圖Fig.3　Schematic diagram of the fuze externally RF power supply control circuit

2.2發(fā)射環(huán)境傳感器

為保證引信安全性，引信發(fā)火控制與起爆電路必須在發(fā)射后才可上電工作；另一方面，引信發(fā)火控制與起爆電路通常以其上電啟動時刻作為計時起點。因此，為提高引信安全性和炸點控制精度，引信體外射頻電源的最佳供電時機是出炮口瞬間。則發(fā)射環(huán)境傳感器應以內(nèi)彈道獨有的環(huán)境或者環(huán)境激勵水平作為輸入信號，通常包括發(fā)射后坐過載、離心力、火藥燃氣壓力等。但離心力只存在于旋轉穩(wěn)定彈，而利用火藥燃氣壓力需在彈體尾部開孔，降低了儲存可靠性。

勤務處理過程中，除跌落與撞擊產(chǎn)生的慣性力Fq外，其他的慣性力遠小于發(fā)射后坐力Fs，而Fq持續(xù)時間Tq遠小于發(fā)射后坐力Ts的持續(xù)時間[7]。因此，本文以后坐發(fā)射過載作為供電控制機構系統(tǒng)的環(huán)境激勵。

后坐發(fā)射過載環(huán)境傳感器的工作原理及實物圖如圖4所示。勤務處理過程中，切刀在彈簧抗力的作用下限制在預定位置，與導體不接觸，AB端短路；發(fā)射過程中，當發(fā)射過載大于彈簧抗力，切刀迅速后坐，切斷導體；出炮口后，發(fā)射過載消失，切刀上移復位，AB端斷路。

設m為切刀質量；K為彈簧剛度；λ0為彈簧的預壓變形量；g為重力加速度；Kx表示引信的后坐沖擊過載系數(shù)；l為切刀的最大行程。由動力學方程可知

(1)

則

x=A(1-cosωt)

(2)

其中

(3)

(4)

在后坐力作用下，切刀最大行程對應的時間

(5)

要保證勤務處理安全，由式(2)、式(5)可知

Fq=Kxmg

(6)

且

(7)

同理，要保證發(fā)射過程中可靠切斷導體，有

Fs=K1mg>K(λ0+l)+Pt

(8)

且

(9)

式中K1為引信發(fā)射最大后坐過載系數(shù)，Pt為導體剪切力。

由式(5)—式(9)可知，在Fq、Fs(K1)一定時，傳感器可通過調(diào)整彈簧剛度K和壓縮行程l，亦可適當調(diào)整切刀質量m和導體剪切力Pt，識別發(fā)射環(huán)境。

2.3電路實現(xiàn)

基于發(fā)射后坐過載環(huán)境傳感器的引信體外射頻電源供電控制電路的工作原理如圖5所示。儲能電容C1等效于引信體外射頻電源，發(fā)射前，通過裝定器充電；C2為引信電路儲能電容，VOUT經(jīng)DC/DC轉換后，為引信電路提供工作電壓；U1為發(fā)射后坐過載環(huán)境傳感器。發(fā)射前U1短路，PMOS管Q1的柵、源端電壓VGS為0，Q1漏極和源極關斷，則VIN和VOUT間斷路。在發(fā)射后坐載荷作用下，U1斷開，VGS為VIN經(jīng)R2、R3反向分壓，Q1漏極和源極導通，VIN經(jīng)D1、Q1和R1為C2充電。

圖5　基于發(fā)射后坐過載環(huán)境傳感器的供電控制電路Fig.5　Supply control circuit of fuze externally RF power based on firing recoil acceleration sensor

2.4供電控制電路安全控制邏輯

由圖5所示可知，當U1導通時，VGS=VIN；反之VGS≈0.66VIN，因此檢測VGS幅值大小可以檢測U1的狀態(tài)。

根據(jù)引信體外射頻電源工作原理可知，只要U1斷路，VIN與VOUT導通，引信工作電路即上電工作。因此，為提高引信安全性，避免發(fā)射前引信電路上電啟動，應在發(fā)射前對U1狀態(tài)進行檢查，如圖6所示，發(fā)射前，完成裝定后檢測VGS幅值大小，如VGS不等于VIN，則判定發(fā)射后坐過載環(huán)境傳感器故障，引信轉入絕火狀態(tài)；如VGS等于VIN，則發(fā)射前發(fā)射后坐過載環(huán)境傳感器處于正常的短路狀態(tài)，當發(fā)射過載使其斷開后，引信發(fā)火控制電路上電工作，根據(jù)裝定數(shù)據(jù)選擇作用模式和起爆時間，適時起爆戰(zhàn)斗部。

圖6　供電控制電路安全控制邏輯Fig.6　Logic diagram of safety control with fuze externally RF power supply control circuit

3驗證試驗

根據(jù)上述引信體外射頻電源供電控制原理，以某榴彈發(fā)射器預制破片彈為應用平臺，設計了基于引信體外射頻電源的電子時間引信和引信感應裝定器的原理樣機，分別如圖7、圖8所示。引信電路由起爆電路、引信體外射頻電源和發(fā)火控制電路等三層電路組成。該樣機采用手工感應裝定方式，彈藥裝填前，通過裝定器為引信裝定起爆時間，并對引信體外射頻電源層的儲能電容感應充電。發(fā)射后，發(fā)射后坐過載傳感器在后坐過載的作用下，處于斷路狀態(tài)，儲能電容與發(fā)火控制電路、起爆電路導通，為其供電。

儲能電容由3個100 μF/25 V鉭電容并聯(lián)組成，裝定起爆時間2.7 s。利用馬希特錘模擬發(fā)射環(huán)境，測試波形如圖9和圖10所示，其中圖9為引信體外射頻電源充電階段的放大波形，圖10為引信體外射頻電源供電階段的放大波形，信號從上而下分別對應為起爆信號、儲能電容端電壓波形和后坐過載傳感器端電壓(即供電控制信號)。

圖7　應用體外射頻電源的引信原理樣機Fig.7　Photo of fuze prototype with externally RF power

圖8　引信感應裝定器原理樣機Fig.8　Photo of fuze inductive setter prototype

圖9　引信體外射頻電源充電階段信號波形Fig.9　Signal during the externally RF power charging

圖10　引信體外射頻電源供電階段信號波形Fig.10　Signal after the externally RF power activated

由圖9可知，信息裝定過程中，同步完成了能量裝定，儲能電容充電，710 ms處充到最大電壓12 V，即引信體外射頻電源充電階段。引信與裝定器分離后，由于供電控制電路的隔離作用，引信發(fā)火控制電路和起爆電路未上電工作。

由圖10可知，當后坐過載傳感器在后坐過載作用下斷開，端電壓從3 V降至0 V附近時，引信發(fā)火控制電路和起爆電路上電工作，計時器啟動，計時2.7 s后輸出起爆信號。

4結論

本文提出了基于發(fā)射后坐過載傳感器的引信體外射頻電源供電控制方法。該方法采用后坐過載傳感器，通過彈簧約束切刀并在后坐過載作用下切斷導體的方式識別發(fā)射環(huán)境，并控制供電電路通斷，實現(xiàn)引信體外射頻電源在出炮口附近對發(fā)火控制與起爆電路供電；在引信裝定時檢測傳感器導體的通斷，提高引信體外射頻電源供電安全性。原理樣機驗證試驗結果表明，該方法能夠控制引信體外射頻電源僅在出炮口附近對發(fā)火控制與起爆電路供電，從而解決了引信體外射頻電源的供電控制問題；發(fā)射過載傳感器與上電控制電路簡單、易于小型化。但該方法僅利用發(fā)射后坐過載作為控制激勵，為提高引信安全性，應進一步研究利用多種發(fā)射環(huán)境激勵的引信體外射頻電源上電復合控制方法。

參考文獻:

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[3]GJB373-98引信安全性設計準則[S].北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，1998.

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[7]GJB/Z 135-2002引信工程設計手冊[S].北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，2002.

Externally RF Power Supply Control Technology for Fuze

CHANG Yue1,2, LI Jie1, ZHOU Xiaodong3

(1.School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China;2.No.63961 Unit of PLA, Beijing 100012, China; 3.Ammunition Engineering Department,Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract:To control the power supply of the externally RF power for fuze, the supply control method of the externally RF power for fuze based on the launch recoil overload sensor was proposed. The launch recoil overload sensor could distinguish the difference environment between ammunition service and ammunition launch, and generated the control signal to switch on the circuit of power supply of the externally RF power, when the cutter cut off the wire by the pull of recoil, which was hold upper by spring. To avoid false detonation, the state of wire was checked during fuze setting, and the control and detonate circuit of fuze became short-circuit if the wire was broken before launch. The prototype test results showed that the externally RF power was discharged and the control and detonate circuit of fuze begins to start-up just during muzzle with the supply control method. The sensor and control circuit had advantages of simple and easily miniaturization.

Key words:fuze；fuze externally RF power；supply control；inductive setting

中圖分類號:TJ430.1

文獻標志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)01-0024-04

作者簡介:常悅(1980—)，女，遼寧錦州人，博士研究生，研究方向： 引信和戰(zhàn)斗部總體技術。E-mail:Changyue@sina.com。

*收稿日期:2015-11-03