防暴彈定高空爆控制系統(tǒng)研究

莊維偉，劉加凱，潘國強(qiáng)，張金濤

(1.武警部隊(duì)裝備部軍事代表局， 北京 100045； 2.武警工程大學(xué)裝備管理與保障學(xué)院， 西安 710086)

防暴彈藥主要包括催淚彈、爆震彈、染色彈等多個類型。近年來，防暴彈藥已作為武警部隊(duì)維權(quán)執(zhí)法等行動中的有效打擊手段被廣泛使用。由于海警部隊(duì)執(zhí)行任務(wù)的場所通常在海上(或水上)，傳統(tǒng)落地后發(fā)火的防暴彈藥無法正常發(fā)揮作用，空爆式防暴彈越來越受青睞。然而當(dāng)前的空爆式防暴彈一般采用火藥延期的方式實(shí)現(xiàn)空爆或空中開倉，由于火藥的延期特性不穩(wěn)定，使得防暴彈爆炸、開倉高度存在較大的分散，非致命效應(yīng)難以保證，戰(zhàn)術(shù)效能不易把握，并且作用距離局限性明顯、靈活性較差[1-2]。

因此，本文開展了基于艦載防暴彈發(fā)射平臺的定高空爆控制系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)采用智能控制的方式實(shí)現(xiàn)艦載發(fā)射防暴彈定高空爆或定高開倉，對目標(biāo)實(shí)施有效的打擊，其作用效果如圖1所示。

圖1 防暴彈定高空爆控制系統(tǒng)作用效果示意圖

1 定高空爆控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

該系統(tǒng)主要由發(fā)射器控制裝置和彈丸信號接收裝置組成。其中發(fā)射器控制裝置安裝在防暴彈發(fā)射器上，由激光測距模塊、速度傳感器模塊、傾角傳感器模塊、單片機(jī)控制模塊、無線發(fā)射模塊組成；彈丸信號接收裝置安裝在彈丸頭部，主要由無線接收模塊、單片機(jī)控制模塊和點(diǎn)火模塊組成；彈丸裝藥系統(tǒng)包括防暴藥劑、發(fā)射裝藥等。防暴彈定高空爆控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 防暴彈定高空爆控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

防暴彈定高空爆控制系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。彈丸發(fā)射前，利用激光測距模塊測量目標(biāo)距離；彈丸發(fā)射瞬間，利用速度傳感器模塊和傾角傳感器模塊分別對彈丸發(fā)射時的初速和傾角進(jìn)行測量，并將測量到的這兩個數(shù)值傳送給控制模塊進(jìn)行處理獲得彈丸飛行的外彈道信息，得到彈丸從發(fā)射到飛行至距離目標(biāo)地面5～10 m處所需的起爆時間，并將時間信息利用電磁感應(yīng)裝定模塊裝定于防暴彈上；彈丸接收到裝定信息后開始計(jì)時，到達(dá)起爆時間后，經(jīng)由單片機(jī)控制模塊處理，引爆點(diǎn)火模塊，使彈丸在距離地面5～10 m處爆炸，達(dá)到較好的作用效果。

圖3 定高空爆控制系統(tǒng)工作原理框圖

定高空爆防暴彈改變了傳統(tǒng)防暴彈的作用方式，與現(xiàn)有防暴彈相比，定高空爆防暴彈具有以下明顯的優(yōu)勢：① 彈藥空爆，作用效果好；② 非致命效應(yīng)突出，安全性高；③ 采用定高控制技術(shù)，定高控制精度高；④ 射程遠(yuǎn)，有效威力幅員面積大；⑤ 實(shí)現(xiàn)了精確測距、自動解算彈道、自動裝定空爆信息，具備信息化、智能化特點(diǎn)。

2 防暴彈外彈道特性仿真分析

對于防暴彈定高空爆系統(tǒng)來說，必須充分掌握防暴彈藥的外彈道運(yùn)動軌跡及飛行時間特性，得到彈丸飛行至距地面5 m處所需要的時間，才能實(shí)現(xiàn)對彈藥的空爆時機(jī)的精確控制。

2.1 外彈道數(shù)學(xué)模型

本文以64 mm空爆式防暴彈作為研究對象，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律建立彈丸的質(zhì)心運(yùn)動矢量方程。在建立防暴彈外彈道模型中，作以下基本假設(shè)[3-4]：

① 彈丸為理想的軸對稱體；

② 彈丸飛行過程中攻角δ= 0；

③ 地表面為平面，重力加速度g的方向豎直朝下，其值g= 9.8 m/s2；

④ 標(biāo)準(zhǔn)氣象條件；

⑤ 忽略地球自轉(zhuǎn)引起的科氏速度；

⑥ 帶膛線發(fā)射器，克服彈丸射出后空中翻轉(zhuǎn)。

由于彈丸為理想的軸對稱體，可將彈丸的運(yùn)動看作其質(zhì)心的運(yùn)動。彈丸在飛行過程中受重力g和迎面空氣阻力Rx的影響[5]，其質(zhì)心運(yùn)動軌跡如圖4所示。

根據(jù)圖4的數(shù)學(xué)關(guān)系及外彈道理論，得到x軸和y軸的加速度分量的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖4 彈丸質(zhì)心運(yùn)動軌跡示意圖

-cbH(y)G(v)vx

(1)

-cbH(y)G(v)vsinθ-g=

-cbH(y)G(v)vy-g

(2)

式(1)和式(2)中：ax為空氣阻力加速度矢量；axx為ax在x軸的阻力加速度分量；axy為ax在y軸的阻力加速度分量；g為重力加速度；v為彈丸飛行的速度；vx為v的水平分速度；vy為v的豎直分速度；θ為彈道傾角；cb為彈道系數(shù)；H(y)為空氣密度函數(shù)；G(v)為阻力函數(shù)。

由式(1)和式(2)以及運(yùn)動學(xué)公式，可建立以時間t為自變量的彈丸質(zhì)心運(yùn)動微分方程組為[6]

(3)

式(3)中：初始條件為t=0時，x= 0，y= 0，vx=vcosθ，vy=vsinθ。

2.2 外彈道仿真及結(jié)果分析

在式(3)中，由于變量較多，本文利用MATLAB進(jìn)行仿真求解，得到彈丸的外彈道飛行軌跡，并計(jì)算得出彈丸飛行至距地面5 m處所需要的時間。

由經(jīng)典外彈道理論[7]可知，當(dāng)彈丸的初速、傾角和彈道系數(shù)確定后，即可得到唯一的一條彈道曲線。根據(jù)空氣阻力定律[8]，可得到彈丸的彈道系數(shù)cb為

(4)

式中：i為彈形系數(shù)；d為彈丸直徑；m為彈丸質(zhì)量。對于彈丸直徑為64 mm的64 mm空爆式防暴彈，設(shè)定彈形系數(shù)i=1.3，彈丸質(zhì)量m=1 kg，由此可得出其彈道系數(shù)cb=5.32 kg/m。

在MATLAB仿真過程中，把初速和射角作為自變量，對其外彈道飛行軌跡和時間特性開展仿真分析。64 mm防暴彈利用防暴彈發(fā)射器進(jìn)行發(fā)射，根據(jù)其速度和發(fā)射傾角特點(diǎn)，選取兩種條件開展外彈道仿真分析：第一種條件為彈丸初速v=80 m/s，傾角θ范圍為10°～50°；第二種條件為：彈丸初速v=100 m/s，傾角θ范圍為10°～50°。圖5和圖6分別為兩種條件下仿真得到的防暴彈外彈道的時間-傾角-彈道高度三維仿真圖。

圖5 初速為80 m/s條件下的外彈道仿真曲線

圖6 初速為100 m/s條件下的外彈道仿真曲線

利用Workspace進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢可知，在兩種仿真條件下，彈丸飛行至距離地面5 m處所需要的時間如表1所示。

表1 不同條件下的彈丸飛行時間

由表1可知：① 在阻力、初速等參數(shù)確定的條件下，傾角不大于45°時，傾角越大，彈丸飛行至距地面5 m所需的時間和彈道高度隨之增大；② 在傾角相同的條件下，初速越大，彈丸飛行至距地面5 m所需的時間和彈道高度也隨之增大。

3 定高空爆控制系統(tǒng)性能測試試驗(yàn)

在掌握了彈丸外彈道飛行軌跡后，本文完成了防暴彈定高空爆控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序編譯，并加工了定高空爆控制系統(tǒng)的原理樣機(jī)，如圖7所示。對原理樣機(jī)進(jìn)行了初速、傾角以及起爆時間值的測試計(jì)算。

圖7 定高空爆控制系統(tǒng)原理樣機(jī)

測試情況如下：

1) 初速和傾角測試

測試目的：檢測速度傳感器和傾角傳感器，測試初速和傾角的靈敏度和穩(wěn)定性。

測試初速的方法和過程：利用兩對紅外光電管對初速進(jìn)行測試，將陀螺儀擺到0°的位置，先觸碰到右邊的光電管，計(jì)時器開始計(jì)時，后觸碰到左邊的光電管，計(jì)時器停止計(jì)時，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算可得到發(fā)射時的初速度。

測試傾角的方法和過程：對傾角傳感器進(jìn)行測試，通過順逆時針的旋轉(zhuǎn)，以及不規(guī)則的平移等操作，觀察其能否將角度定為30°，以及它的靈敏度如何，調(diào)整完的傾角數(shù)據(jù)可顯示到OLED顯示屏上。

2) 起爆時間測試

測試目的：檢驗(yàn)單片機(jī)計(jì)算的時間值能否滿足設(shè)計(jì)要求。

測試方法和過程：在實(shí)彈發(fā)射過程中，發(fā)射器的射角即為彈丸發(fā)射時的傾角，發(fā)射傾角范圍在0°～90°。因此模擬實(shí)彈發(fā)射過程，先將傾角傳感器調(diào)整到一個適當(dāng)?shù)慕嵌龋蒙鲜龇椒y量出彈丸的初速和傾角，通過控制模塊的計(jì)算，可得到起爆時間，利用感應(yīng)裝置將時間信息裝定于彈丸，同時計(jì)時器開始計(jì)時，到達(dá)該起爆時間后，引爆彈丸。測試過程中，記錄每一次速度、傾角和時間值。

3) 感應(yīng)裝定測試

本系統(tǒng)利用發(fā)光二極管來代替信號裝定模塊，當(dāng)信號經(jīng)感應(yīng)裝置裝定成功后，LED燈閃亮，則表示信號成功接收。

通過對設(shè)計(jì)制造的防暴彈定高空爆控制系統(tǒng)原理樣機(jī)進(jìn)行測試表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理樣機(jī)能夠較好地實(shí)現(xiàn)對初速和傾角的測試、起爆時間的測量計(jì)算，部分計(jì)算數(shù)值如表2所列，起爆時間值與仿真結(jié)果誤差基本可忽略不計(jì)，滿足了設(shè)計(jì)要求。

表2 不同條件下的彈丸引爆時間值

4 結(jié)論

本文提出了基于艦載防暴彈發(fā)射平臺的定高空爆控制系統(tǒng)研究，采用智能控制的方式實(shí)現(xiàn)艦載發(fā)射防暴彈定高空爆或定高開倉，對目標(biāo)實(shí)施有效的打擊。建立了彈丸質(zhì)心運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab軟件對外彈道模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到了不同初速和射角情況下彈丸飛行至距地面5m時所需的時間。在此基礎(chǔ)上研制了定高空爆控制系統(tǒng)原理樣機(jī)，開展了初速和傾角測試、起爆時間測試和電磁感應(yīng)裝定測試，所設(shè)計(jì)的原理樣機(jī)能夠較好地滿足功能要求。本文所研究設(shè)計(jì)的基于艦載防暴彈發(fā)射平臺的定高空爆控制系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)防暴彈的作用方式，能夠有效遏制海上(或水上)大規(guī)模群體性事件的擴(kuò)散和蔓延，提高了海警部隊(duì)執(zhí)勤處突的能力。