引信與環(huán)境

張 合

(南京理工大學智能彈藥技術國防重點學科實驗室，江蘇 南京 210094)

0 引言

引信是彈藥起爆控制的“大腦”，是保證武器裝備和彈藥安全與完成毀傷的關鍵核心部件。從機械引信、機電引信、近炸引信與靈巧引信發(fā)展到現(xiàn)在，引信隨著技術的進步出現(xiàn)過多個定義。從歷史發(fā)展的過程來看[1-2]，最初的機械引信可通俗和膚淺理解為“開關”，是受時間、安全性與可靠性約束下的開關[3-4]。機電引信與近炸引信的出現(xiàn)，引信的定義上升為起爆控制裝置，即引信是利用目標信息和環(huán)境信息，在預定條件下引爆或引燃戰(zhàn)斗部裝藥的控制裝置或系統(tǒng)[5]。把引信與控制聯(lián)系起來是武器系統(tǒng)發(fā)展對引信要求的必然，也是技術進步的推動。我國引信技術近30年快速發(fā)展的主要引領人馬寶華教授給出以上定義中指出了引信功能擴展的方向，即隨著信息化的發(fā)展，多功能戰(zhàn)斗部的出現(xiàn)，引信定義再次擴展為：引信是利用目標、環(huán)境、平臺和網(wǎng)絡等信息，按預定策略起爆或引燃戰(zhàn)斗部裝藥，并可選擇起爆點，給出續(xù)航或增程發(fā)動機點火指令以及毀傷效果信息的控制系統(tǒng)[6]。

靈巧引信指的是通過對發(fā)射前或發(fā)射過程中的裝定信息，采用單一或復合探測手段獲取環(huán)境與目標信息，通過單片機、可編程控制器或DSP處理器等進行起爆控制的引信(可裝定、可探測、可處理、可控制)。大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡化的發(fā)展助推，彈藥組網(wǎng)的需求，引信作為控制系統(tǒng)的概念存在進一步擴展的需求，即引信是在多約束與多任務條件下，按預定策略、規(guī)劃，起爆或引燃戰(zhàn)斗部或多個戰(zhàn)斗部裝藥，可進行時空識別與過程控制的動態(tài)控制系統(tǒng)。這一定義保持了引信依然是一個控制系統(tǒng)，存在輸入、輸出和內部結構問題，有構成引信結構材料與緩沖材料的本構關系、傳感器獲取的信號處理與引信起爆的控制策略，如圖1所示。引信的控制有很多不同于經(jīng)典與現(xiàn)代控制論的要點，首先它是不可逆控制系統(tǒng)，有傳感器探測功能，但沒有反饋和閉環(huán)控制的時間[7]。受到的約束條件多，如四大環(huán)境約束(見圖2)、安全性與可靠性約束、目標約束，還受小尺度與載體接口等約束[8-10]。另外飛行時間上限與下限差大且控制時間短、控制精度要求高，控制策略與規(guī)劃以軟件控制方式實現(xiàn)，并受多次、多點與組網(wǎng)選擇控制點與時機等約束。多任務條件指的是時域跨界長，從微秒到分鐘；空域覆蓋寬，從水下到太空；目標種類多，有軟、硬、高速、隱身等；使用范圍廣，從陸、海、空、火箭軍彈藥到民用增雨彈等。其控制的動作表象為開倉、點火、分離、起爆等。輸入存在邊值問題，輸出為毀傷效能的表征[6]。

圖1 引信系統(tǒng)Fig.1 Fuze system

多約束指的是：

1)環(huán)境約束——四大環(huán)境；

2)安全性約束——百萬分之一;

3)可靠性約束——0.9，0.95;

4)目標約束——毀傷效能。

引信作為一種功能復雜的機電系統(tǒng)，仍然服從牛頓第二定律，從動力學角度看，引信的數(shù)學模型可以表達為：

y=R(S(m,e,o,ls),D(e,o,ld,us),lr,t)

(1)

式(1)中，y為引信輸出結果，R(·)為過程控制函數(shù)，S(·)為信息交聯(lián)函數(shù)，D(·)為探測與識別函數(shù)，m為任務信息，e為環(huán)境信息，o為目標信息，us=S(·)為裝定信息，ls、ld和lr分別為信息交聯(lián)、探測與識別和過程控制中存在的約束信息，t為過程控制中的時間信息，所有的信息均為時變量。對不同的引信，由于任務不同、約束條件不同、控制方式不同，其函數(shù)的表達式不同。

多任務指的是：

1)時域跨界長——從微秒到分鐘；

2)空域覆蓋寬——從水下到太空；

3)目標種類多——軟、硬、高速、隱身等;

4)使用范圍廣——陸、海、空、火、民。

多任務函數(shù)是一個非連續(xù)與可選擇函數(shù)，其表達式為：

R(t)=f[M(t)、T(t)、K(t)]

(2)

式(2)中，R(t)為引信完成的任務選擇函數(shù)，M(t)為目標種類選擇函數(shù)，T(t)為使用時間與內外彈道分配時間函數(shù)，K(t)為使用空域與范圍選擇函數(shù)。

引信在多任務與多約束的條件下，由于安全解保時間朝目標基發(fā)展，在到達目標前控制時間短，難以進行可逆控制，因此不可逆控制是引信的一個特點。對于巡飛彈藥使用的引信，其安全解保的可逆設計在一次攻擊任務更改后恢復到安全狀態(tài)十分重要。

1 引信經(jīng)歷的環(huán)境

引信產品生產后經(jīng)歷的環(huán)境從全壽命過程可分為四大類，分別為勤務處理環(huán)境、發(fā)射環(huán)境、彈道飛行環(huán)境和終點環(huán)境，如圖2所示。勤務處理環(huán)境與發(fā)射環(huán)境，主要涉及到引信的安全性；飛行環(huán)境與終點目標環(huán)境，涉及到引信的安全性和可靠性(置信度0.9，可靠性下限0.95是基本要求)，所經(jīng)歷的環(huán)境都與引信的安全性相關[6]。各種武器平臺可提供的環(huán)境見表1。

圖2 環(huán)境信息及參數(shù)Fig.2 Environmental information and parameters

引信用在不同平臺發(fā)射的彈藥或戰(zhàn)斗部所經(jīng)受的后坐力從幾十g到幾萬g,受力的跨度很大；旋轉彈藥受到的離心力從幾百轉到幾萬轉；章動力一般在幾十g到幾百g范圍；常規(guī)火箭彈常采用彈底引信，并把火箭發(fā)動機點火后氣體作為一個環(huán)境力；空氣動力與彈速相關；制導彈藥的制導系統(tǒng)可提供臨近目標的解保信息，作為一個環(huán)境力。

表1 各種武器平臺可提供的環(huán)境

引信在飛行環(huán)境下，主要能夠獲取的信息量有氣動力、地磁場與彈藥姿態(tài)角的變化，渦輪電機或壓力傳感器可作為飛行時的第二環(huán)境力獲取手段，另外，渦輪電機作為發(fā)電單元可作為引信主電源。

引信在終點目標環(huán)境下，能夠獲取的信息因引信不同和毀傷要求不同而不同，毀傷特性見表2。

表2 目標種類與毀傷

第二環(huán)境力如采用目標基解保，機械引信和機電引信可采用引信出膛時的電磁信號作為計時起點，目標前某一時間由制導艙給出解保信號，引信安全系統(tǒng)處于解保狀態(tài)，也稱閉鎖解保。對于近炸或靈巧引信，可采用對目標前的適時探測與時間復合，作為解保信號，如無線電近炸和激光近炸探測，依據(jù)引信的飛行速度[2]，到目標前預留毫秒級的時間作為起爆毀傷用。本文給出一組典型彈藥的全彈道加速度曲線，某坦克炮侵徹曲線、某平衡炮攻堅全彈道加速度曲線、某單兵攻堅火箭彈侵徹鋼板與混凝土曲線、近程防護火箭彈彈道曲線，如圖3—圖7所示。發(fā)射與侵徹狀態(tài)的環(huán)境特征可用于引信解除保險。

圖3 某坦克炮膛內與侵徹2 m厚靶曲線與侵徹過程放大曲線(峰值4.2萬g，1.6 ms)Fig.3 Curves of a tank’s gun bore and penetration into a 2 m thick target，enlargement curve of penetration process (peak 42,000 g, 1.6 ms)

圖4 某平衡炮發(fā)射與侵徹曲線與侵徹過程放大曲線(峰值4.1萬g，3.2 ms)Fig.4 Amplification curve of penetration process of a balanced gun’s launch and penetration curve (Peak 41,000 g, 3.2 ms)

圖5 某單兵火箭發(fā)射膛內曲線(8 371 g)與鋼板(192 400 g)侵徹試驗曲線Fig.5 The in-bore curve (8 371 g) of a single rocket penetration test curve of steel plate (192 400 g)

圖7 某近程防護火箭彈膛內及飛行加速曲線(加速時間71.3 ms，過載610 g)Fig.7 The in-bore and flight acceleration curves of a short-range protective rocket (acceleration time 71.3 ms, overload 610 g)

2 引信性能與環(huán)境

2.1 引信的安全性與環(huán)境關系

彈藥在發(fā)射后安全距離內引信必須保持“開”的狀態(tài)，即要求勤務處理環(huán)境與發(fā)射環(huán)境下引信的安全性指標不低于百萬分之一。引信要達到如此高的指標，必須在不同環(huán)境力的作用下采取冗余保險設計。針對不同武器平臺、不同彈藥，設計者必須力求尋找兩個或兩個以上不同的環(huán)境力，表1給出的環(huán)境可供選擇。切記同一環(huán)境下不同時間出現(xiàn)的物理狀態(tài)仍是單一環(huán)境，不是冗余，否則安全性不能滿足要求，將會產生重大安全性事故。

2.2 環(huán)境與引信約束的關系

引信是一個安全性要求很高的產品，對環(huán)境的敏感和選擇要求甚之有甚，設計者要保持重視發(fā)射環(huán)境信息的獲取，通過試驗獲取一定量的環(huán)境曲線，認真分析全壽命各環(huán)境下的閾值與經(jīng)歷的時間，保證安全系統(tǒng)一次設計成功。如能采取遠距離接電，實現(xiàn)目標基解保，可使安全距離延伸到敵方目標前，應優(yōu)先考慮。另一方面，引信又受到武器平臺、彈藥和安裝位置、毀傷要求的約束，需綜合考慮各種環(huán)境下對引信的約束關系實現(xiàn)最優(yōu)設計和合理取舍。對于制導彈藥配用的引信，如能把制導倉的性能利用與引信一體化設計，將會簡化引信對環(huán)境利用付出的成本與空間代價，目前正在研制的彈道修正引信與多維坐標引信應盡可能采用這一設計思想。

3 結論

引信的發(fā)展在各種新技術的推動下進步迅速，對安全性的要求更加嚴格，環(huán)境的正確利用是保證安全性的前提。本文給出多種武器系統(tǒng)在不同發(fā)射環(huán)境下的加速度分布值，不同目標種類和毀傷特性，引信的數(shù)學模型和多任務函數(shù)仍需進一步研究。本文僅提供了少部分硬目標的發(fā)射與侵徹加速度曲線可供參考。任何一種新的武器系統(tǒng)與彈藥，要求配用性能優(yōu)良的引信，設計者必須向武器系統(tǒng)方要求提供全彈道環(huán)境三維加速度曲線，或設計者有能力測出曲線供設計時用，否則僅根據(jù)最大膛內加速度設計引信存在很大風險。另一方面，引信在各種約束條件下的最優(yōu)設計仍有一定的發(fā)展空間，武器系統(tǒng)、彈藥、引信與火工品的協(xié)調發(fā)展應是引信技術進步的主流。目前我國引信技術的基礎研究在多個方面正在加大攻關，但在復雜環(huán)境下保證彈藥的安全性依然是“一票否決”的基本要求。