引信體材料對(duì)彈底可編程時(shí)間引信感應(yīng)信號(hào)影響的仿真研究

丁　毅，張小祿，張　濤，張　巖，屈　潔

(西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽　712099)

為了滿足近程反導(dǎo)彈藥精確打擊目標(biāo)的需求，增加小口徑火炮的防空反導(dǎo)能力，電子時(shí)間引信在中小口徑彈藥中的應(yīng)用成為一種發(fā)展趨勢(shì)。在20世紀(jì)90年代瑞士開發(fā)了著名的“空中盾牌”35 mm自行高炮系統(tǒng)，在為該系統(tǒng)配用的AHEAD彈藥中，采用了炮口快速感應(yīng)裝定的彈底可編程時(shí)間引信，成為小口徑電子時(shí)間引信的典型代表[1-2]。近年來，我國也對(duì)AHEAD技術(shù)開展研究，形成了自主產(chǎn)品。本論文針對(duì)引信體材料對(duì)彈底可編程時(shí)間引信感應(yīng)信號(hào)的影響開展了仿真分析，為彈底可編程時(shí)間引信的研制提供理論支撐。

1　彈底可編程時(shí)間引信

1.1　彈底可編程時(shí)間引信作用原理

彈底可編程時(shí)間引信主要由引信體、電子部件、感應(yīng)線圈部件、安全系統(tǒng)和爆炸序列等組成。其中電子部件主要由引信電路模塊、電源組成，具有數(shù)據(jù)裝定、解碼、發(fā)火輸出、提供電路能源等功能；感應(yīng)線圈部件具有感應(yīng)接收炮口裝定信號(hào)的功能；安全系統(tǒng)部分具有保證勤務(wù)處理安全和延期解除保險(xiǎn)的功能；爆炸序列部分具有起爆彈丸功能。

彈丸發(fā)射時(shí)，在后坐力和離心力的作用下，安全系統(tǒng)中后坐保險(xiǎn)和離心保險(xiǎn)解除保險(xiǎn)，延時(shí)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，壓電陶瓷堆在膛內(nèi)環(huán)境力作用下，快速激活并在彈丸出炮口前穩(wěn)定供電，保證引信電路工作。同時(shí)儲(chǔ)備式化學(xué)電源在膛內(nèi)環(huán)境力作用下激活并在炮口處穩(wěn)定供電，保證引信電路工作。當(dāng)彈丸通過多功能炮口裝置的感應(yīng)裝定線圈時(shí)，感應(yīng)線圈部件感應(yīng)接收裝定時(shí)間信號(hào)，電子部件進(jìn)行信號(hào)濾波、整形、解碼和定時(shí)器初值裝定，定時(shí)電路根據(jù)裝定時(shí)間倒計(jì)時(shí)。彈丸飛出炮口保險(xiǎn)距離以外，回轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)正到位，爆炸序列的各火工元件對(duì)正。當(dāng)彈丸飛行到保險(xiǎn)距離之外時(shí)，發(fā)火電路充電。當(dāng)定時(shí)電路倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)到零時(shí)，輸出起爆信號(hào)，火工品作用，引信爆炸。若裝定平臺(tái)未裝定或裝定失效，引信計(jì)時(shí)到自毀時(shí)間自毀，圖1為彈底可編程時(shí)間引信作用原理框圖。

1.2　影響彈底可編程時(shí)間引信感應(yīng)裝定信號(hào)的因素

引信感應(yīng)裝定信號(hào)質(zhì)量的好壞是彈底可編程時(shí)間引信感應(yīng)裝定能否正確解碼的重要影響因素。由于彈底可編程時(shí)間引信采用變壓器耦合原理進(jìn)行信號(hào)傳輸[3]，根據(jù)變壓器感應(yīng)耦合等效電路(如圖2所示)及工作原理，由變壓器耦合式(1)、式(2)可知，影響引信感應(yīng)裝定效率的主要因素有兩線圈之間的互感M、線圈的電感、發(fā)射線圈工作電流等。其中線圈之間的互感主要由兩個(gè)線圈的幾何排列及磁區(qū)域的磁導(dǎo)率所決定；在發(fā)射線圈工作條件確定的條件下，影響引信感應(yīng)裝定信號(hào)的主要因素有：引信體材料特性和感應(yīng)線圈匝數(shù)、匹配參數(shù)等。

(1)

-jωMI1+(R2+jωL2+Zl)I1=0

(2)

1.2.1感應(yīng)線圈匝數(shù)、匹配參數(shù)

感應(yīng)線圈匝數(shù)、匹配參數(shù)--感應(yīng)線圈部件，主要由繞制在引信體上的接收線圈、高強(qiáng)度注塑防護(hù)套等組成。

接收線圈接收到的信號(hào)大小取決于與發(fā)射線圈之間通過的電磁耦合效率，由于發(fā)射線圈和接收線圈之間間隙較大，為松耦合關(guān)系，只能根據(jù)發(fā)射線圈磁通密度的分布曲線，設(shè)計(jì)理想匝數(shù)的接收線圈，使之在發(fā)射線圈內(nèi)耦合具有足夠的信號(hào)幅度與理想的信號(hào)波形[4]。通過調(diào)節(jié)接收線圈匝數(shù)及匹配電路，可以使接收線圈接收到的信號(hào)幅度滿足彈載電路信號(hào)處理的要求，提高引信感應(yīng)裝定可靠性。

1.2.2引信體材料特性

針對(duì)在炮口裝定試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的炮口感應(yīng)裝定存在受干擾、丟數(shù)據(jù)、不可靠的問題，進(jìn)一步對(duì)引信線圈電感和互感有較大影響的引信體材料進(jìn)行綜合分析。由于信號(hào)感應(yīng)裝定過程中，彈丸高速通過發(fā)射線圈內(nèi)部，當(dāng)引信體材料不同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)射線圈內(nèi)部磁導(dǎo)率有較大的變化，從而導(dǎo)致引信接收信號(hào)有較大的差異[5]。

2　彈底可編程時(shí)間引信體材料仿真與分析

針對(duì)引信炮口感應(yīng)裝定數(shù)據(jù)位丟失問題，開展了引信體材料對(duì)感應(yīng)接收信號(hào)影響的研究。在炮口靶增加測(cè)速信號(hào)的情況下，采用ansoft電磁仿真軟件，分別對(duì)高磁導(dǎo)率鋼材料、低磁導(dǎo)率材料引信體情況下引線接收信號(hào)進(jìn)行了仿真分析。分析內(nèi)容以現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)狀態(tài)為基礎(chǔ)，保持線圈扎數(shù)、線徑、線間距離、測(cè)速裝定線圈外露尺寸、線圈總成尺寸與現(xiàn)有設(shè)計(jì)一致。仿真結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

仿真參數(shù)設(shè)置：在炮口靶增加測(cè)速信號(hào)的情況下，激勵(lì)信號(hào)(炮口靶感應(yīng)裝定信號(hào))峰值為30 V的正弦交流電，頻率為2.5 MHz，測(cè)速線圈線徑為0.5 mm、扎數(shù)為60圈，電流為1A時(shí)等，在ansoft電磁仿真軟件下對(duì)炮口靶引信接收信號(hào)進(jìn)行仿真分析。引信體為高磁導(dǎo)率鋼材料時(shí)，引線感應(yīng)接收信號(hào)仿真結(jié)果如圖4所示；引信體為低磁導(dǎo)率材料時(shí)，引線感應(yīng)接收信號(hào)仿真結(jié)果如圖5所示。

將圖4和圖5對(duì)比可以看出，高磁導(dǎo)率鋼材料引信體在高速通過炮口靶時(shí)引信接收到的裝定信號(hào)出現(xiàn)明顯偏置和畸變，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)裝定；而低磁導(dǎo)率材料在高速通過炮口靶時(shí)引信體接收信號(hào)偏置低、沒有出現(xiàn)裝定信號(hào)明顯畸變現(xiàn)象，不影響數(shù)據(jù)裝定。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于低磁導(dǎo)率材料強(qiáng)度偏低，導(dǎo)致引信體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在缺陷，故需進(jìn)一步采取優(yōu)化措施提高引信體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。設(shè)計(jì)中采用在低磁導(dǎo)率材料引信體(鋁制材料)底部加裝低磁導(dǎo)率鋼材料，以提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。以下根據(jù)改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行建模和仿真分析，分別見圖6、圖7。

從圖7可以看出：采用低磁導(dǎo)率鋁材料引信體底部加裝低磁導(dǎo)率鋼材料組合，引信體接收線圈在裝定區(qū)內(nèi)的接收信號(hào)波形變形較小，不影響數(shù)據(jù)裝定。

3　仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果分析

仿真結(jié)果分析表明：存在炮口測(cè)速激勵(lì)線圈條件下，低磁導(dǎo)率材料引信體對(duì)引信感應(yīng)接收信號(hào)影響較小，有利于引信電路進(jìn)行信號(hào)濾波、整形處理等；而同樣條件下，高磁導(dǎo)率鋼材料引信體引信感應(yīng)接收信號(hào)存在較大的偏置和畸變，將影響到引信信號(hào)的進(jìn)一步處理，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，在設(shè)計(jì)中對(duì)引信體材料進(jìn)行優(yōu)化處理，采用低磁導(dǎo)率材料引信體底部加裝低磁導(dǎo)率鋼材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。進(jìn)行了10發(fā)裝定射擊回收試驗(yàn)，10發(fā)試驗(yàn)彈試驗(yàn)結(jié)果均正確裝定，試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)采取優(yōu)化材料設(shè)計(jì)等措施，可解決彈底可編程時(shí)間引信炮口感應(yīng)裝定數(shù)據(jù)丟失的問題。

4　結(jié)論

本文針對(duì)彈底可編程時(shí)間引信體材料的不同，對(duì)引信感應(yīng)接收信號(hào)進(jìn)行仿真分析，對(duì)高磁導(dǎo)率鋼材料引信體引起的裝定數(shù)據(jù)位丟失現(xiàn)象進(jìn)了準(zhǔn)確問題定位，并提出了采用低磁導(dǎo)率鋁材料引信體底部加裝低磁導(dǎo)率鋼材料進(jìn)行引信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路，解決了彈底可編程時(shí)間引信炮口感應(yīng)裝定數(shù)據(jù)丟失的問題，既保證了強(qiáng)度，又提高了該引信感應(yīng)裝定可靠性。

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