電子安全系統(tǒng)在艦載水聲對(duì)抗器材引信中的應(yīng)用

龐 博,鄭 松

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局駐上海地區(qū)第七軍事代表室，上海 201108；2.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

水聲對(duì)抗器材作為一種艦船防御武器，起到誘騙、摧毀敵方魚(yú)雷保護(hù)己方艦船的作用[1]。基于電子安全與解除保險(xiǎn)裝置的水聲對(duì)抗器材已經(jīng)廣泛應(yīng)用于反魚(yú)雷等武器中[2]。早期的水聲對(duì)抗器材主要采用“軟”模式即通過(guò)模擬艦船水聲信息，誘騙、干擾敵方魚(yú)雷[3]；新型的水聲對(duì)抗器材兼顧“軟、硬”模式，一方面通過(guò)模擬艦船水聲信息，誘騙、干擾敵方魚(yú)雷，實(shí)現(xiàn)“軟”模式；另一方面，通過(guò)近距探測(cè)魚(yú)雷信息，適時(shí)完成起爆輸出摧毀魚(yú)雷，實(shí)現(xiàn)“軟、硬結(jié)合”攻擊方式[4]。由于水聲對(duì)抗器材在使用過(guò)程中需要經(jīng)歷弱彈道環(huán)境、水深環(huán)境信息、強(qiáng)電磁輻射等特殊環(huán)境，且出于安全性考慮引信必須具備恢復(fù)保險(xiǎn)功能，傳統(tǒng)的機(jī)械式、機(jī)電式引信無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，因此電子安全系統(tǒng)成為該類型引信設(shè)計(jì)的合適的可選對(duì)象。

1 引信電子安全系統(tǒng)的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 引信電子安全系統(tǒng)的特點(diǎn)

引信電子安全系統(tǒng)是繼機(jī)械式、機(jī)電式之后發(fā)展起來(lái)的第三代引信安全系統(tǒng)，由于其自身具有良好的安全性、可靠性近年來(lái)備受引信行業(yè)關(guān)注[5]。

傳統(tǒng)機(jī)械式和機(jī)電式引信安全系統(tǒng)采用橋絲、橋帶雷管作為初級(jí)發(fā)火元件，該類型火工品為敏感火工品，靜電、雷電、電磁干擾均可能造成意外引爆。為了保證引信的安全性，必須采用錯(cuò)位式機(jī)械隔爆裝置將雷管和導(dǎo)爆藥隔開(kāi)。由于錯(cuò)位式機(jī)械隔爆裝置有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，且機(jī)械運(yùn)動(dòng)不可恢復(fù)，因此產(chǎn)品總裝前不能檢查，故其工作可靠性較低。

為了提高引信安全系統(tǒng)的安全性、可靠性和可測(cè)試性，常規(guī)武器系統(tǒng)的引信安全系統(tǒng)逐漸采用全電子安全系統(tǒng)、直列式爆炸序列[6]。相對(duì)與傳統(tǒng)的隔爆型安全系統(tǒng)，全電子引信安全系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)[7]：

1) 極好的安全性。沖擊片雷管中不含任何敏感藥劑，而且藥劑不與換能元件直接接觸，引爆沖擊片雷管的高能脈沖在自然界中是不存在的。全電子引信安全系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)恢復(fù)保險(xiǎn)功能，因此可以保證在研制、試驗(yàn)、生產(chǎn)、儲(chǔ)存、使用以及未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)惡劣電磁環(huán)境下的高安全性。

2) 高可靠性。全電子引信安全系統(tǒng)主要由起爆控制部件和傳爆序列組成。起爆控制部件由硬件處理電路和邏輯控制軟件組成，在軟硬件方面采用了光電隔離技術(shù)、RAM 數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)、監(jiān)視定時(shí)器、程序地址監(jiān)控技術(shù)、硬件冗余技術(shù)、軟件冗余技術(shù)等一系列技術(shù)措施來(lái)提高可靠性。傳爆序列由沖擊片雷管和傳爆藥組成，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)沖擊片雷管在高脈沖電流作用下能夠可靠發(fā)火。

3) 可測(cè)試性。全電子引信安全系統(tǒng)不存在機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，傳統(tǒng)的機(jī)電和機(jī)械引信存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)其保險(xiǎn)具有不可恢復(fù)性在裝配完成后無(wú)法全部功能測(cè)試，不利于系統(tǒng)排故和總裝前測(cè)試；而全電子引信安全系統(tǒng)其保險(xiǎn)具有可恢復(fù)性，能進(jìn)行反復(fù)全功能測(cè)試(除火工品外)有利于配合彈上電氣系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試。

1.2 引信電子安全系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代引信電子安全系統(tǒng)率先在美國(guó)開(kāi)展研究，經(jīng)過(guò)二十余年的發(fā)展，20世紀(jì)90年代美國(guó)已開(kāi)展工程化研究，1997年據(jù)報(bào)道美軍已要求所有在研的高價(jià)值導(dǎo)彈引信必須采用電子安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并逐漸向常規(guī)彈藥推廣。截止目前美軍引信電子安全系統(tǒng)已形成三代系列化產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、火箭彈、制導(dǎo)炮彈、炸彈引信設(shè)計(jì)中，涉及主要產(chǎn)品包括AIM-9X、愛(ài)國(guó)者系列導(dǎo)彈、神劍制導(dǎo)炮彈、陶式反坦克導(dǎo)彈等主戰(zhàn)裝備彈藥。2013年后據(jù)資料顯示美軍已開(kāi)展榴彈、迫擊炮等壓制彈藥用引信電子系統(tǒng)產(chǎn)品研制工作，電子安全系統(tǒng)已成為引信安全技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

國(guó)內(nèi)電子安全系統(tǒng)發(fā)展較國(guó)外先進(jìn)水平有近二十年差距，20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行研究，但礙于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)元器件性能限制，更多的是開(kāi)展控制方式、環(huán)境信息辨識(shí)、安全失效等方面的理論研究，直到本世紀(jì)初方開(kāi)展工程研制工作。截止目前國(guó)內(nèi)電子安全系統(tǒng)還主要應(yīng)用于高價(jià)值彈藥引信設(shè)計(jì)中，但隨著機(jī)載、艦載武器安全性要求的提升，近年來(lái)電子安全系統(tǒng)的需求逐年增加，整體設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)水平已較先前大幅提升[8]。

2 電子安全系統(tǒng)應(yīng)用于水聲對(duì)抗器材引信設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

2.1 復(fù)雜電磁干擾下的安全性

2.1.1電子安全系統(tǒng)火工品安全性分析

水聲對(duì)抗器材作為防御型武器工作于己方艦船較近區(qū)域，此時(shí)己方艦船雷達(dá)始終處于工作狀態(tài)，因此器材使用過(guò)程中勢(shì)必存在大量值電磁輻射，輻射量值最高可達(dá)數(shù)3～6 kV/m；作為防御性武器往往布置于核心位置，必須能夠保證戰(zhàn)場(chǎng)電磁脈沖、雷電、電磁干擾壓制等特殊電磁干擾條件下的安全性以防止對(duì)己方艦船產(chǎn)生傷害。對(duì)引信安全系統(tǒng)而言必須保證在此種惡劣條件下的安全性，從火工品角度分析，電子安全系統(tǒng)采用的沖擊片雷管安全性指標(biāo)較傳統(tǒng)火工品有大幅提升，提升主要體現(xiàn)在安全電壓方面。傳統(tǒng)火工品安全耐受電壓不超過(guò)30 V，沖擊片雷管安全耐受電壓可以達(dá)到500 V，以某型火工品為例，火工品兩引腳間距3 mm，方向正切于磁場(chǎng)方向，則耦合電壓最大，最大耦合電壓V=E×d，以電磁脈沖50 kV/m場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，最大耦合電壓值150 V，大于常規(guī)火工品安全電壓，在此電磁輻射條件下可能造成傳統(tǒng)火工品意外引爆；沖擊片雷管安全電壓大于500 V，電磁脈沖條件下引腳間耦合電壓遠(yuǎn)小于安全電壓，因此能夠保證雷管的安全性。表1為傳統(tǒng)雷管與沖擊片雷管的安全性指標(biāo)對(duì)比。從表1可以看出沖擊片雷管安全性指標(biāo)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)雷管，沖擊片雷管的使用能夠提高引信的本征安全性。

表1 傳統(tǒng)雷管與沖擊片雷管的安全性指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Safety index of traditional detonator and slapper detonator

2.1.2電子安全系統(tǒng)電路控制技術(shù)的安全性、可靠性分析

電子安全系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方面與傳統(tǒng)引信安全系統(tǒng)最大的不同體現(xiàn)在控制方式的不同。傳統(tǒng)的引信安全系統(tǒng)按組成分為機(jī)械引信安全系統(tǒng)和機(jī)電引信安全系統(tǒng)。機(jī)械引信安全系統(tǒng)，保險(xiǎn)依靠機(jī)械零件感受特定的發(fā)射環(huán)境實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)解除，由于不涉及電路控制，因此該類型引信安全系統(tǒng)功能相對(duì)簡(jiǎn)單、可靠性水平不高，更多的應(yīng)用于炮彈等常規(guī)彈藥引信設(shè)計(jì)中；機(jī)電引信安全系統(tǒng)是在機(jī)械引信安全系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，設(shè)計(jì)中采用了電子線路實(shí)現(xiàn)部分解除保險(xiǎn)控制功能，因此控制更加方便，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電復(fù)合控制，可靠性較機(jī)械引信安全系統(tǒng)有較高提升。電子安全系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)引信安全系統(tǒng)全部采用電子線路實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)解除控制功能，安全控制技術(shù)方面，采用了雙控制器協(xié)同控制、多個(gè)保險(xiǎn)開(kāi)關(guān)組合形式、多種傳感器融合識(shí)別技術(shù)，解決了硬件、軟件、保險(xiǎn)件單點(diǎn)失效，弱彈道多信息融合可信的問(wèn)題；可靠性方面，電子元器件的可靠性可以按照GJB299C參照軍用電子產(chǎn)品無(wú)故障累計(jì)時(shí)間可靠性預(yù)計(jì)方法進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，根據(jù)安全失效率計(jì)算，安全失效率可達(dá)2.07×10-7，根據(jù)可靠性預(yù)計(jì)可靠性可以達(dá)到0.999以上引信電子安全系統(tǒng)安全性和可靠性方面較傳統(tǒng)機(jī)械式、機(jī)電式引信安全系統(tǒng)有較大幅度提升。

2.2 新型電子信息技術(shù)的綜合應(yīng)用

水聲對(duì)抗器材作為特種裝備，其工作環(huán)境、彈道條件與傳統(tǒng)彈藥有較大區(qū)別，如何選用合適的特征環(huán)境作為解除保險(xiǎn)條件是安全性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)引信安全系統(tǒng)通常選取發(fā)射過(guò)載、彈道轉(zhuǎn)速等常規(guī)的慣性力環(huán)境作為解除保險(xiǎn)環(huán)境信息。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了越來(lái)越多類型的傳感器，可以為全電子引信安全系統(tǒng)提供更多類型的解除保險(xiǎn)條件，為電子安全系統(tǒng)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

分析水聲對(duì)抗使用周期內(nèi)可能選用的環(huán)境信息包括發(fā)射過(guò)載、轉(zhuǎn)速信息、海水開(kāi)關(guān)、水深信息、水下目標(biāo)聲信息等。其中發(fā)射過(guò)載和轉(zhuǎn)速信息通常較弱、持續(xù)時(shí)間較短，傳統(tǒng)的機(jī)械過(guò)載、離心過(guò)載開(kāi)關(guān)很難精確區(qū)分勤務(wù)處理和使用過(guò)程，因此設(shè)計(jì)中可以選用高精度的慣性傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)其過(guò)程進(jìn)行識(shí)別；海水開(kāi)關(guān)、水深信息、水下目標(biāo)聲信息可以利用壓力傳感器和聲探測(cè)器進(jìn)行識(shí)別。電子安全系統(tǒng)內(nèi)部全部由電子線路構(gòu)成，通過(guò)選用不同的傳感器易于實(shí)現(xiàn)特征環(huán)境信息識(shí)別，同時(shí)內(nèi)部硬件資源相對(duì)豐富，可以通過(guò)串口、CAN總線、1553B總線實(shí)現(xiàn)與彈上控制系統(tǒng)及發(fā)射架控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，能最大限度發(fā)揮電子安全系統(tǒng)信息化方面的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，電子安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以選擇發(fā)射、投放過(guò)載、轉(zhuǎn)速作為解除一級(jí)保險(xiǎn)的條件，水深信息、海水水壓作為解除二級(jí)保險(xiǎn)條件，被動(dòng)敏感目標(biāo)聲信息作為解除三級(jí)保險(xiǎn)條件。

2.3 保險(xiǎn)可恢復(fù)

水聲對(duì)抗器材作為防御性武器，通常在己方艦船周?chē)床呗圆挤哦嗝镀鞑囊詫?shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷的干擾、摧毀，一旦艦船脫離攻擊，需要短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)保險(xiǎn)保證己方艦船航路安全。傳統(tǒng)的機(jī)械式、機(jī)電式引信安全系統(tǒng)保險(xiǎn)解除后很難自動(dòng)恢復(fù)安全狀態(tài)，且一旦保險(xiǎn)解除外界電磁輻射等干擾條件下可能造成意外引爆，造成己方艦船的誤傷；電子安全系統(tǒng)具有可恢復(fù)保險(xiǎn)特性，恢復(fù)保險(xiǎn)的方式主要有兩種方法：第一，能源耗盡或切斷能源，使邏輯控制電路不再工作；第二，設(shè)定安全恢復(fù)模式，安全恢復(fù)模式可以采用定時(shí)、接收指定等多種方式，電子安全系統(tǒng)進(jìn)入安全恢復(fù)模式邏輯控制電路鎖定安全狀態(tài)，關(guān)閉所有保險(xiǎn)件，不再執(zhí)行解除保險(xiǎn)流程，高壓電容器通過(guò)泄放回路進(jìn)行能量釋放，此時(shí)電路始終處于耗電狀態(tài)，直到能源耗盡。

3 引信電子安全系統(tǒng)在水聲對(duì)抗器材中應(yīng)用需要解決的設(shè)計(jì)問(wèn)題

3.1 復(fù)雜電磁環(huán)境下的安全性、可靠性問(wèn)題

引信電子安全系統(tǒng)本征上具有良好的安全性、可靠性，其工作采用硬件電路與軟件邏輯控制相結(jié)合的方式，因此硬件電路和軟件的可靠性直接決定安全系統(tǒng)的可靠性、安全性。

硬件電路方面，復(fù)雜電磁環(huán)境產(chǎn)生的耦合電壓會(huì)造成硬件電路內(nèi)部局部欠壓、過(guò)壓、尖峰脈沖，因此通常采用如下幾種方式減小電磁干擾造成的影響。

1) 良好的屏蔽設(shè)計(jì)。首先是殼體材料方面，選擇高導(dǎo)磁率材料或材料表面進(jìn)行高導(dǎo)磁率材料涂敷；其次減少殼體開(kāi)孔、縫隙；第三，開(kāi)孔處、縫隙處進(jìn)行必要屏蔽處理，減小外部電磁進(jìn)入。

2) 電氣隔離技術(shù)。電子安全系統(tǒng)通常采用彈上供電方式獲取能源，彈上電池通常為多個(gè)設(shè)備供電，其中不乏舵機(jī)、分立火工品等易于產(chǎn)生電磁干擾的設(shè)備，為了減小彈上其他設(shè)備電磁串?dāng)_，電子安全系統(tǒng)可以采用電氣隔離措施，對(duì)于電源部分采用直流電壓隔離器進(jìn)行隔離，對(duì)于數(shù)字信號(hào)采用磁隔離、光隔離，對(duì)于模擬信號(hào)采用光隔離、隔離放大等措施。

3) 硬件接口保護(hù)。為了防止電子安全系統(tǒng)靜電、瞬間電氣浪涌，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮在必要接口增加接口保護(hù)器件，通常采用瞬態(tài)電壓抑制器。

軟件設(shè)計(jì)方面，復(fù)雜電磁環(huán)境下可能造成軟件工作異常甚至跳飛，電子安全系統(tǒng)軟件一旦出現(xiàn)工作異常或跳飛可能造成控制邏輯混亂引發(fā)安全性、可靠性故障，因此電子安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要著重考慮容錯(cuò)、防跳飛設(shè)計(jì)[9]。容錯(cuò)、防跳飛設(shè)計(jì)，主要利用看門(mén)狗、定時(shí)器等片上硬件資源中斷實(shí)現(xiàn)，一旦軟件未按流程執(zhí)行，看門(mén)狗、定時(shí)器中斷發(fā)生，軟件跳轉(zhuǎn)預(yù)定位置進(jìn)行容錯(cuò)、跳飛處理，處理正常跳轉(zhuǎn)正確位置，執(zhí)行正確流程；其次在程序空白處填充固定位置跳轉(zhuǎn)指令，一旦跳飛到空白區(qū)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)固定位置處理。

3.2 自恢復(fù)保險(xiǎn)可靠性問(wèn)題

電子安全系統(tǒng)本征上具有高壓充電結(jié)束，高壓釋放恢復(fù)保險(xiǎn)特性(軍標(biāo)定義500 V以下為安全電壓)，實(shí)現(xiàn)高壓充電結(jié)束可以通過(guò)供電能源耗散、邏輯控制恢復(fù)保險(xiǎn)、高壓部件耗散等三方面設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)可靠的在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)保險(xiǎn)，三者在設(shè)計(jì)上可以采用以下方法：

1) 供電能源的耗散設(shè)計(jì)方面

能源耗散設(shè)計(jì)方面，除了正常DC/DC電源轉(zhuǎn)換等模塊外，在輸入電源端需要設(shè)計(jì)專用的耗散電路，以保證系統(tǒng)對(duì)電源持續(xù)處于消耗狀態(tài)，解決電池長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能無(wú)法釋放的問(wèn)題，耗散電路設(shè)計(jì)采用的方法包括： a) 耗散功率計(jì)算，增加的耗散功率不能影響系統(tǒng)供電，同時(shí)又能保證短時(shí)間內(nèi)能夠?qū)⑾到y(tǒng)供電耗散完畢，通常情況下電源容量設(shè)計(jì)采用Ⅱ級(jí)降額設(shè)計(jì)，降額系數(shù)0.6，因此為了不影響系統(tǒng)可靠性，耗散設(shè)計(jì)應(yīng)不大于原定功耗的10%～15%，采用耗散設(shè)計(jì)后降額系數(shù)達(dá)到0.7為Ⅲ降額；b) 耗散電路冗余設(shè)計(jì)，耗散電路需要具有極高的可靠性，因此為了保證可靠性可以采用兩路泄放通道冗余設(shè)計(jì)保證耗散電路不出現(xiàn)問(wèn)題。

2) 邏輯控制恢復(fù)保險(xiǎn)設(shè)計(jì)

電子安全系統(tǒng)解除保險(xiǎn)通過(guò)邏輯控制實(shí)現(xiàn)，通常采用三道保險(xiǎn)設(shè)計(jì)，恢復(fù)保險(xiǎn)同樣可以通過(guò)設(shè)計(jì)合適的恢復(fù)保險(xiǎn)邏輯實(shí)現(xiàn)，常規(guī)方法可以采用定時(shí)器、接收指令等各種措施，此種條件下不管安全系統(tǒng)是否已經(jīng)解除一、二、三級(jí)保險(xiǎn)，邏輯控制部件自動(dòng)恢復(fù)三級(jí)保險(xiǎn)，且自動(dòng)鎖定在保險(xiǎn)位置不再執(zhí)行解除保險(xiǎn)流程，同時(shí)需要對(duì)內(nèi)部解除保險(xiǎn)標(biāo)志寄存器進(jìn)行清零處理，以防止程序意外執(zhí)行。

3) 高壓部件耗散設(shè)計(jì)

高壓部件的耗散設(shè)計(jì)與供電能源的耗散設(shè)計(jì)如出一轍，均是通過(guò)設(shè)計(jì)外部耗散電路實(shí)現(xiàn)能量耗散功能，兩者在設(shè)計(jì)上思路相同，區(qū)別在于高壓部件耗散電路設(shè)計(jì)需要電壓擊穿、高壓充電功率匹配。電壓擊穿設(shè)計(jì)方面，耗散電路設(shè)計(jì)通過(guò)選用高耐壓電阻、二極管等高壓電子元器件解決；高壓充電功率匹配設(shè)計(jì)方面，通常高壓變換器充電功率余量設(shè)計(jì)20%～30%，設(shè)計(jì)耗散選擇為原定充電功率5%以下不會(huì)對(duì)高壓變換器性能產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

本文開(kāi)展了電子安全系統(tǒng)在水聲對(duì)抗器材應(yīng)用方面研究，重點(diǎn)分析了電子安全系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和艦載水聲對(duì)抗器材引信設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)解決的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

分析表明采用電子安全系統(tǒng)的水聲對(duì)抗器材引信能有效解決復(fù)雜電磁環(huán)境下的安全性、可靠性問(wèn)題和自恢復(fù)保險(xiǎn)可靠性的問(wèn)題，同時(shí)針對(duì)設(shè)計(jì)中可能遇到的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)梳理，應(yīng)用研究表明，電子安全系統(tǒng)能夠滿足水聲對(duì)抗器材引信設(shè)計(jì)中安全性、可靠性和可恢復(fù)保險(xiǎn)的使用要求，電子安全系統(tǒng)的使用將能夠大幅提升該類型彈藥的安全性、可靠性指標(biāo)。