帶加重柱的軸向安裝慣性觸發開關

房春虎,賈 瑾,陳智鋒,周守鋒

(西安機電信息研究所,陜西西安 710065)

0 引言

慣性開關是引信中常用的一種重要部件,主要用于控制引信爆炸序列中第一級電火工品電路的工作狀態[1]。慣性觸發開關最早見于上世紀50年代蘇、美導彈機電引信和炮彈無線電引信。目前,國內多種引信使用的慣性觸發開關,雖然尺寸參數各有不同,但大體都采用美國軍用手冊[2-3]中炮彈PF1無線電引信的結構形式。這些開關最低閉合閾值為70 g,最高的達到幾百g,均用作引信近炸功能失效、落地后備發火的導通件。這種慣性觸發開關結構簡單,安裝方便,裝配前可以在離心試驗裝置上測試閉合力[4]。但是該開關靈敏度與彈道安全性之間矛盾比較尖銳,近幾年已在多種引信研制中出現過靈敏度、瞬發度不足,炸坑過深的問題,并且解決過程中又可能發生早炸(觸發引信彈道炸);在慣性觸發開關用于大口徑殺傷爆破火箭彈引信的應用研究中,同樣出現過早炸與炸坑過深的問題。為解決慣性觸發開關靈敏度與彈道安全性之間的矛盾,設計了帶加重柱的軸向安裝慣性觸發開關。

1 原慣性觸發開關及使用中的問題

1.1 開關基本結構

原慣性觸發開關基本結構如圖1所示[4]。開關閉合閾值為60～140 g,閉合行程0.4 mm。

1.2 開關在引信上的安裝方式

所研究的火箭彈引信慣性觸發開關軸線與彈軸垂直,在彈的橫截面上120°均布并聯安裝三個慣性觸發開關。

火箭彈以正常姿態落地時,慣性觸發開關觸桿沿開關徑向傾倒閉合。若彈以非正常姿態落地,例如橫向落地,至少有一組開關可以沿其軸線前沖閉合,導通起爆電路。

圖1 原慣性觸發開關基本結構Fig.1 The basic structure of the original inertial impact switch

1.3 故障現象

在實彈射擊飛行試驗時,出現早炸現象。早炸發生在彈箭分離后,戰斗部在目標區上空下降過程中。跡象表明,早炸是由于引信慣性觸發開關提前閉合造成的[5]。

為解決慣性觸發開關在彈道意外閉合,將開關徑向閉合行程由0.4 mm增加到0.8 mm,離心試驗不閉合值由60 g提高到100 g,閉合值由140 g提高到160 g(由于閾值范圍縮小,成品率由75%左右降至50%左右)。

經200～2 000 Hz的掃頻振動試驗和實彈射擊飛行試驗未再發生早炸。但是有一發由于落點土質較松軟,戰斗部鉆地爆炸,產生較深的爆坑。

1.4 原因分析

問題首先出自開關徑向安裝。在旋轉彈中,徑向安裝觸發開關是有道理的。因為如果軸向安裝,開關軸與彈軸重合尚可,如果不重合,離心力有使觸桿翻倒的趨勢,會使引信徑向靈敏度變得不均勻,甚至引起早炸。并且實際安裝中,兩軸線不重合是不可避免的。

但是,大口徑火箭彈不存在這樣大的離心力,徑向安裝,反而導致引信的徑向靈敏度不均勻,是不合理的。即使配置3個開關在橫截面上均布,甚至再并聯一組,6個均布,正好在開關方位碰擊的幾率仍然不大,加之每個開關軸向閉合閾值不同,冗余再多也難均勻。此外,長細比很大的火箭彈橫向振動最強烈,為了防止橫向振動在最靈敏的開關方向引起早炸,就需要降低所有開關的軸向閉合閾值。

由結構顯而易見,開關閉合閾值的可調整的因素包括彈簧抗力、觸桿質量與質心、徑向閉合行程與軸向閉合行程。其中軸向閉合行程僅僅影響軸向閉合閾值,徑向閉合行程和觸桿質心僅僅影響徑向閉合閾值,而彈簧抗力和觸桿質量對二者都有影響。但是,加大開關徑向行程降低的卻是開關徑向閉合閾值,降低了引信的軸向靈敏度和瞬發度,所以導致炸坑深。

2 帶加重柱的軸向安裝慣性觸發開關原理

2.1 軸向安裝

首要的改進措施是慣性開關軸向安裝,即開關軸線與彈軸平行。這樣,只要一個開關即可完成徑向敏感,不像徑向安裝那樣不同方向的靈敏度由不同傳感器體現,從而降低了引信徑向靈敏度散布。為了提高可靠性,可以并聯冗余。并且,在沒有高速旋轉的條件下,與安裝位置無關,只要軸線與彈軸平行,安裝在哪里都可以。不管軸向受力還是徑向受力,所有并聯的開關閉合的機會均等,并且真正起作用的只有一個,即其中閾值最低的一個。這樣,并聯冗余實際上又一次降低了閉合閾值散布,軸向和徑向均如此。

2.2 加重柱

開關軸向安裝后,引信的軸向靈敏度取決于開關的軸向閉合閾值。并且不論并聯多少,起作用的只是其中閉合閾值最低的一個。但是,該慣性開關的軸向閉合閾值散布比徑向大,靠調試、篩選,可以控制閾值散布范圍,卻又會增加成本。為了解決慣性開關軸向閉合閾值散布的問題,在觸桿下面增加了加重柱。當慣性開關徑向受力時,觸桿質量與質心都無變化,加重柱不起作用。但是當彈頭受阻,慣性開關軸向受力時,加重柱會與觸桿一同壓縮彈簧,向前運動,相當于加大了觸桿質量。可以顯著減小開關軸向閉合閾值散布,并且同時也使閉合閾值降低,與徑向閉合閾值拉開差距。開關軸向閉合閾值可以通過軸向閉合行程調整,并且對散布影響不大(也可以通過加重柱質量微調,但質量減小時,散布會加大)。

實際測試,當徑向閉合閾值為80～140 g時,帶加重柱的開關軸向閉合閾值可以達到50～70 g。顯著減小了軸向閉合閾值,同時較容易地拉開了軸向與徑向靈敏度的差距,使引信徑向靈敏度降低,防止早炸;軸向靈敏度提高,防止炸坑過深,有效解決了二者的矛盾。

3 驗證試驗

3.1 火箭撬試驗

用原慣性觸發開關和帶加重柱的敏感慣性觸發開關,按徑向和軸向兩種安裝方式,裝入火箭彈戰斗部引信部位,搭載火箭撬進行了驗證試驗。試驗模擬戰斗部落地,碰擊軟土和中等硬度土壤目標,測試出侵徹過載及開關響應過載的閉合情況。

對軟土與中等硬度土地各試驗一次,每次兩組,一組軸向安裝的帶加重柱開關;另一組是徑向安裝的對照組。每組各14個不同參數的開關。

當目標靶是軟土時(土壤硬度圓錐指數2.0～3.0 kg/cm2),觸地瞬時速度96 m/s。測試的軸向侵徹過載曲線如圖2所示,在彈尖觸地6 ms后達到50 g,超過50 g的持續時間約60 ms,最大值在67 g左右。試驗結果見表1。

圖2 碰擊軟土目標靶軸向侵徹過載曲線Fig.2 Axial penetration overload curve for soft soil target impact

表1 碰擊軟土目標靶試驗結果Tab.1 Test results of soft soil target impact

第1組軸向安裝,全部帶加重柱,標定的軸向閉合閾值為54～124 g。閉合的開關有4個,標定的軸向閉合閾值均不超過67 g;未閉合的開關有10個,標定的軸向閉合閾值均大于67 g。

第2組為徑向安裝,6個原開關,8個帶加重柱。標定的徑向閉合閾值為60～148 g。未閉合的3個,標定徑向閉合閾值全部超過67 g;閉合的開關有11個。標定徑向閉合閾值不超過67 g的4個全部閉合;但是有7個標定徑向閉合閾值大于67 g的也閉合了,其中標定徑向閉合閾值最大的121 g。

當目標靶是中等硬度土壤時(土壤硬度圓錐指數4.5～5.5 kg/cm2),觸地瞬時速度 91 m/s。測試的軸向侵徹過載曲線如圖3所示,在彈尖觸地6 ms后過載值達到50 g,超過50 g的持續時間約140 ms,最大過載值約108 g。試驗結果見表2。

圖3 碰擊中等硬土目標靶軸向侵徹過載曲線Fig.3 Axial penetration overload curve for medium hard soil target impact

表2 碰擊中等硬土目標靶試驗結果Tab.2 Test results of medium hard soil target impact

第3組軸向安裝,全部帶加重柱,標定的軸向閉合閾值為63～162 g。閉合的開關有9個,標定的軸向閉合閾值均不超過108 g;未閉合的開關有5個,標定的軸向閉合閾值均大于108 g。

第4組徑向安裝,6個原開關,8個帶加重柱。標定的徑向閉合閾值為78～165 g。有1個開關未閉合,標定的徑向閉合閾值大于108 g;閉合的開關有13個,標定的徑向閉合閾值小于108 g的9個全部閉合,但是有4個標定的徑向閉合閾值大于108 g的也閉合了,其中標定徑向閉合閾值最大的130 g。

3.2 試驗結果分析

1)軸向安裝時,離心機標定軸向閉合閾值與碰擊試驗實測加速度吻合,與理論分析一致。

2)徑向安裝時,離心機標定徑向閉合閾值與碰擊試驗實測加速度有系統性差異,第2組離心機標定徑向閉合閾值73～121 g的7個開關在實測67 g的徑向過載下閉合;第4組離心機標定徑向閉合閾值117～130 g的4個開關在實測108 g的徑向過載下閉合。這一結果出乎預料之外,說明徑向安裝時標定值不足為憑,使用時需要加安全系數,從另一角度表現出軸向安裝的優越性。

3)閉合與否與閉合閾值相關,與閉合間隙沒有直接關系。

4)徑向安裝時,帶與不帶加重柱看不出差異。與理論分析一致。

5)第3組實驗結果表明,軸向安裝時,閉合延遲時間與標定閉合閾值大體相關,但在與實測過載相近時可能異常延長。

6)徑向安裝時閉合延遲時間與標定閉合閾值不相關,散布較大,并且閉合時間多數比軸向安裝略短。

7)未發現彈道上閉合現象,但火箭撬試驗振動情況與實彈飛行不同,不足為憑。

3.3 徑向安裝實測閉合值與離心機標定值不同的原因分析

開關的徑向閉合與軸向閉合原理不同:軸向閉合時,觸桿的慣性力壓縮彈簧,超過預壓值后開始運動,行程與受力線性相關。而徑向閉合,觸桿僅靠法蘭外緣擠壓彈簧的一側,運動與受力不是線性關系。這就帶來兩個問題:

1)沖擊與緩慢加力效果不同。如果這一分析成立,則開關的徑向閉合閾值不宜使用離心機標定,應考慮用沖擊試驗臺標定。

2)開關徑向靈敏度的各向異性。在端面一側受力的條件下,圓柱彈簧與橡膠緩沖墊不同,隨受力點與彈簧絲位置關系變化,抗力會變化。實際安裝與離心試驗位置不同,閾值也不同。如果這一分析成立,標定開關徑向靈敏度時需要多方位測試,并且篩選時還應剔除閾值各向異性散布大的開關。

此外,碰擊目標時會引起彈體振動,實測徑向加速度分量峰值竟然大于軸向加速度,達到300 g左右,見圖4和圖5。但是第1和第3組標定值與實測值的良好對應,以及第 2組和第4組標定小于 300 g(104～165 g)的4個開關沒有閉合,已經表明,徑向振動微秒級的持續時間不足以引起開關響應。

圖4 碰擊軟土目標靶徑向振動過載曲線Fig.4 Radial vibration overload curve for soft soil target impact

圖5 碰擊中等硬土目標靶徑向振動過載曲線Fig.5 Radial vibration overload curve for medium hard soil target impact

3.4 射擊試驗

帶加重柱的敏感慣性觸發開關軸向安裝于引信電路中,進行了火箭彈飛行試驗。彈道安全,在松軟耕地和沙石地面全部正常爆炸,炸坑很小。

4 結論

本文提出了帶加重柱的軸向安裝慣性觸發開關。該開關在原慣性觸桿下方增加了加重柱,并且軸向安裝(軸線與彈軸平行)。測試、驗證試驗及分析表明:加重柱及軸向安裝可以使開關實際閉合加速度與標定值吻合、引信軸向和徑向靈敏度散布都顯著減小、減少了開關冗余數量,并且使引信軸向靈敏度與徑向靈敏度拉開差距,解決早炸和炸坑過深的矛盾,適用于火箭彈和其他非旋、低旋彈藥。對于慣性開關徑向靈敏度的沖擊與緩慢加載下的響應,以及慣性開關的徑向各向異性等課題,可以進行深入研究。

[1]尚雅玲,馬寶華.基于計算機仿真的引信慣性開關結構設計[J].探測與控制學報,2004,26(2):44-46.SHANG Yaling,MA Baohua.An inertia switch structure design based on the computer simulation[J].Journal of Detection&Control,2004,26(2):44-46.

[2]美國軍用手冊引信[S].北京:全國引信標準化技術委員會,1998.

[3]美國軍用手冊現役引信概覽[Z].西安:中國兵工學會引信專業委員會,2007.

[4]GJB/Z 135-2002引信工程設計手冊[S].北京:總裝備部軍標出版發行部,2003.

[5]譚惠民.引信開關裝置及其試驗[M].北京:北京理工大學出版社,1990.