新型水魚雷系統的研究與設計

葉彬強，王 一

（重慶理工大學 電子信息與自動化學院，重慶 400050）

0 引言

隨著科學技術，尤其是人工智能技術的不斷發展，各國之間的高能武器大比拼已愈演愈烈。據此，智能武器的長足發展開始了。水魚雷，這種“水雷和魚雷”的混血兒也在此期間應運而生。

1 系統原理介紹

1.1 超聲波測距原理

測距原理：超聲波是指頻率高于20KHz的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化即在發射超聲波的時候，將電能轉換，發射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號[1]。

超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of fl ight）。首先測出超聲波從發射到遇到障礙物返回所經歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即：D=ct/2。

其中D為傳感器與障礙物之間的距離，以m計，c為超聲波速度，這里以340m/s計，t為超聲波從發送到接收的總時間，以s計[1]。

1.2 西伯克效應

有兩種不同導體組成的開路中，如果導體的兩個結點存在溫度差，這開路中將產生電動勢E。這就是西伯克效應。由于西伯克效應而產生的電動勢稱作溫差電動勢[2]。

1.3 系統工作原理

裝有太陽能極板和漂浮裝置的水魚雷可由電子鎖鏈栓在指定海域中，前提是保證太陽光能照到的地方，以便系統長期工作。當紅外線傳感器接收到高濃度紅外線時，裝在鎖鏈上的選通電路發出高電平，鎖住水魚雷的電機向外旋轉，激活水魚雷，并使其脫離鎖鏈。由根據西伯克效應設計的熱跟蹤系統對敵艦進行追蹤，同時依據超聲波測距原理對敵艦進行測距，當水魚雷與目標敵艦的距離在限定爆炸范圍內，由MCS-51單片機引爆水魚雷。爆炸物要求：有足夠的威力，比如N2型炸藥。爆炸范圍：8米。

2 系統硬件介紹

2.1 選通電路和紅外線探測器

當紅外線探測器接收到紅外線時，向選通電路發出相應解鎖信號，使鎖住水魚雷的電機外轉，達到解鎖效果，同時選通AT89C51。

為了使探測范圍最大化，紅外線探測器可由多組小型紅外線傳感器均勻排列，組合成半球體外形，并對稱安裝于水魚雷軸心線兩側面。因為整個球都由傳感器構成，因此形成球形的全視角監查模式。設計圖如圖1所示。

圖1 紅外線探測器設計圖

2.2 AT89C51和MCS-51單片機

本系統采用AT89C51來實現對超聲波距離模塊的控制。單片機通過P1.0引腳經反相器來控制超聲波的發送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電平變為低電平時就認為超聲波已經返回。計數器所計的數據就是超聲波所經歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物（或目標）之間的距離。每次AT89C51向主控單片機MCS-51發送采集數據（聲波收發時間），由主控機MCS-51計算出目標與“雷”的距離，并決定是否引爆。

2.3 聲納

為了避免因敵艦聲納系統干擾，水魚雷安裝的聲納系統所接發的超聲波頻率設定值，需與普通艦船加以區分。

3 熱跟蹤瞄準系統設計

3.1 電路組成

系統使用的主要元件為三相熱電偶。假設有A、B兩段不同材料的結點在一定溫度T下會產生一定熱電動勢：Eab(T,T0),T0為標準參考溫度。根據同一熱電偶結點溫度越高，電勢越高的這個特點，選擇兩種材料，若干根導線，四個靈敏電機，四個功率放大器，可組成熱跟蹤系統的主跟蹤瞄準系統，如圖2所示。

圖2 熱跟蹤瞄準系統電路圖

3.2 跟蹤系統機械設計方案

在圓柱（武器）底面的圓周上，均勻，等弧距地安裝四個同向旋轉（反轉推進），規格相同的調節電機（電路中的電機），確保電機的軸心線與圓柱側面垂直，葉輪方向向外。由此，可得出其機械設計圖如圖3所示。

3.3 跟蹤瞄準原理

根據傳熱學原理，在理想化水域中，水的原溫度、密度處處相等。其熱量的傳播特性為由高溫區向低溫區均勻傳播。由此建立熱量傳播的模型：以熱源為球心的熱量均勻地向周圍不斷擴散成無數個同心球。在傳播過程中，損耗也是均勻的。換言之，不同球面之間，溫度是不同的，由球心（熱源）向外不斷均勻下降，而在同一個球面上的任意點溫度相同，這些球面被稱為等溫面[3]。由于，水魚雷系統體積不大，可將其周圍水域視為理想化水域，并將該理論用于系統設計。

現在，將電路圖中的四個結點分別置于一個正方形的四個頂點上，確保“跟蹤武器”軸心線（把武器看作圓柱體）與該正方形垂直，并通過該正方形的中心（對角線交點）。根據幾何學原理，若一個正方形的四個頂點都在同一球面上，那么，通過這個正方形中心，且與正方形垂直的直線一定通過球心。即，此時，武器軸心線必對準球心（熱源），武器瞄準熱源，或與熱源正好反向。這分別是最佳和最差兩種狀態。若是最佳狀態，只要武器的主引擎繼續工作，就行了。若不是最佳狀態，則需分兩種情況討論。

圖3 機械設計構圖

3.4 可行性分析設計

在非最佳狀態下，跟蹤瞄準系統的可行性設計可分以下兩種情況進行討論。設武器頂端指向為正，武器中心和熱源的連線為主線，武器軸心線的正向與主線的夾角為熱角。

3.4.1 非最差狀態

當熱角小于90度時，正方形四個頂點不在同一球面時，處于高溫球面的點，擁有較高的熱電勢，溫度越低的點，熱電勢也越低。因此，每對相鄰點之間的電勢差大小也不同。經過電路中，功率放大器放大后，四個調節電機的轉速也相應不同，調節程度也相應不同。電勢差越大，轉速越快，溫度高的點接近低溫層的速度越快，熱電勢下降速度也越快，與相鄰點之間的電勢差下降越快，相應電機轉速越慢，調節能力下降，直到四點在同一球面（最佳和最差狀態），每對相鄰點之間電勢差為零，四個電機停止調節。當熱角大于90度時，根據同樣的運行規律，溫度越高的點電勢越高，相應電機轉速越高，調節速度越快，高溫點接近更高溫度層速度加快，電勢也繼續上升，直到熱角達到90度，轉動速度最大，轉動方向不變。此時，高溫點開始向低溫點調節，隨后的調節狀況，便是熱角小于90度的調節狀況[4]。

3.4.2 最差狀態

當電機處于最差狀態時，武器達到反向平衡，熱角等于180度。一旦打破這一平衡狀態，就可以使武器正常運行。因此，可在武器頂端安裝帶有調節電機的熱電偶，熱電偶兩結點之間的連線與武器軸心線重合，電機垂直于武器軸心線，并將電機和熱電偶以二極管連接起來。此時，頂端熱電偶靠近武器的結點溫度高，產生的電勢差足以打破平衡，而頂部電機的推動方向與四個調節電機的總體調節方向相同（四個調節電機的運作可參考熱角大于90度的情況）。當熱角等于90度時，頂端熱電偶不產生電動勢，電機停止轉動。當熱角小于90度時，頂端熱電偶產生反向電勢差。此時，電勢差反向，連接頂部電機的二極管截止，電流不導通，頂部電機依然不轉，熱調節系統按非最差狀態，熱角小于90度的情況正常調節，直到最佳狀態為止。因此可以得出頂部電路圖，如圖4所示；非最差狀態有兩種情況，武器調節示意圖如圖5和圖6所示。當最差狀態時，平衡被打破，示意圖與圖6類似。因此，可以得出結論，該設計是有效、合理的。

圖4 水魚雷頂部電路設計圖

圖5 非最差狀態示意圖，熱角小于90度

圖6 非最差狀態示意圖，熱角大于90度

3.5 熱電偶材料選擇

由于武器所需靈敏度通常較高，因此，對熱電偶的靈敏度——熱電轉換比要求較高，可以分別應用“鎳鉻、考銅”為熱電偶材料A、B。

3.6 隔熱處理

由于主引擎啟動必須發熱，電機切割磁感應線也要產生大量的熱，這將會導致系統無法正常運作。因此，需要對主引擎和五個調節電機進行隔熱處理——將它們自身散發的熱量與水溫隔開。可采用“保溫瓶”的設計原理：由兩層隔熱材料夾著一層真空，形成三層隔熱效果，再加上，三層隔熱層的外部裝有由瓷片制成的保護層，這樣就可以避免，或是無限度的降低主引擎與電機對系統運作造成的負面影響。最后得出設計圖如圖7所示。

3.7 機械設計總圖

通過對上述元件的工作原理、設計安裝的闡述，可作出水魚雷系統的完整機械設計圖，如圖8所示。

圖7 機械設計總圖

圖8 隔熱層設計切面示意圖

4 程序設計

根據對上述系統各組成機構的詳細分析，可知，熱跟蹤性能并不在程序設計范圍內（全自動）。需要由程序，重新設計的性能僅有系統的自啟動部分和系統的自引爆部分。因此，這兩部分的程序設計流程圖如圖9所示。

圖9 程序設計流程圖

5 結束語

本文以熱跟蹤系統為主，詳細設計了具備跟蹤功能的自動水魚雷攻防系統。因為該系統通常用于水下10米處（隱蔽性好，能及時進行太陽能充電），可認為環境為理想化水域，所以系統具有相應的實用價值，但由于難以采用精確的鎖定攻擊模式，該系統只適用于大面積殺傷武器。

[1]趙廣濤, 程蔭杭.基于超聲波傳感器的測距系統設計[J].

[2]楊世銘, 陶文銓.傳熱學[M].北京: 高等教育出版社,1998.

[3]余成波, 胡新宇, 趙勇.傳感器與自動檢測技術[M].北京: 高等教育出版社, 2005.

[4]梅曉榕, 自動控制原理[M].北京: 科學出版社出版, 2004.