侵徹引信計層起爆炸點控制實物模擬實驗方法研究

滿曉飛,張合,馬少杰,王曉鋒

（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）

侵徹引信計層起爆炸點控制實物模擬實驗方法研究

滿曉飛,張合,馬少杰,王曉鋒

（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）

針對硬目標侵徹引信實驗室實物模擬實驗,提出了利用多次沖擊實驗機對硬目標侵徹過程進行模擬實驗方法的研究。介紹了硬目標侵徹引信的計層數策略,討論利用沖擊過程模擬侵徹過程加速度信號的可行性,設計了模擬實驗系統并針對某型號侵徹引信進行計層數起爆模擬實驗。通過與靶場試驗曲線的對比,驗證了該模擬實驗方法的可行性,可較全面地檢測引信起爆控制算法的準確性,以及引信活動部件動作的可靠性；但沖擊峰值較低,沖擊間隔較長,需要做進一步的研究和完善。

兵器科學與技術；侵徹引信；沖擊試驗；模擬實驗；計層數

0 引言

硬目標侵徹引信是侵徹彈藥實現作戰功能的“控制中樞”,引信的性能直接決定侵徹彈藥能否有效對既定目標進行精確打擊[1]。因此,硬目標侵徹引信的研制是目前侵徹彈藥研制過程中的重點。

侵徹引信的研制與檢測手段目前主要有靶場試驗與半實物仿真。靶場試驗能夠準確、真實地使侵徹引信完整經歷整個工作過程,是侵徹引信研制與檢測的有效手段,但靶場試驗往往試驗周期長、試驗成本高,并且彈藥回收存在一定的不確定性。半實物仿真是利用靶場回收數據或仿真數據來模擬引信工作情況,在模擬實驗系統的仿真回路中接入部分實物[2-3],這種方法對計層方法的考核更接近于真實情況,能夠得到較為可靠的結果,并且實驗周期短、成本低,但實驗中采用的加速度信息均為硬件靜態下產生后輸入到引信電路里[4],因此無法檢測具有機械運動部件的引信,無法對加速度傳感器進行動態考核,應用上具有一定的局限性。

針對侵徹引信檢測手段的新需求,設計了模擬實驗。模擬實驗是一種利用現有實驗手段來模擬真實情況的實驗方法,與半實物模擬實驗不同之處在于,模擬實驗的數據來源并非是模擬電路,而是來自于其他形式的物理過程,比如撞擊過程,因此模擬實驗能夠使被測引信真實地承受到加速度沖擊,因此能夠用于檢測具有活動部件引信的起爆策略。同時模擬實驗具有實驗成本低、周期短、可重復性好、實驗參數可隨時優化和修改等特點,具有較好的靈活性,可以提供引信技術論證、研制和性能評定所用的各種模型,與實際靶場試驗相結合,在降低試驗成本的同時可縮短試驗周期,并且能夠得到極為可靠的結果。

1 硬目標侵徹引信計層數起爆策略

1.1 硬目標侵徹策略

硬目標侵徹彈藥根據情報所描述的要打擊目標結構特征、材料特征等參數,要求引信能夠利用加速度傳感器等作為環境信息的敏感元件,能夠識別出彈體著靶、侵入、穿透硬目標過程的環境特征信號,判斷出彈體當前所處的位置,并在達到預定位置處引爆彈藥戰斗部,實現對目標的高效毀傷。硬目標侵徹引信炸點控制策略主要有：計時起爆,計行程起爆,計層數起爆,介質識別起爆等。

侵徹不同目標,采取不同的起爆策略,有利于充分發揮戰斗部毀傷效能,在戰爭中處于有利地位。

1.2 計層數起爆策略

針對結構復雜的多層目標,引信計層數起爆將會提高對目標的定點殺傷力,提高打擊任務成功率。如圖1所示為計層起爆模式的工作過程示意圖[5]。按照工作流程所述,彈體穿透預設第N層靶板后,引信給出發火信號,引爆彈藥戰斗部。

在侵徹過程中,每層靶板侵徹過程信號的下降沿與上升沿較寬,容易識別與判斷,因此可以用來作為彈體侵入靶體與出靶的標志,并且硬件電路實現起來相對容易,可以采用全硬件比較電路或軟件編程控制實現,運算速度高,電路功耗較低,靈活性較好[5]。

由于以邊沿特征作為判斷依據的計層數算法對侵徹信號較為敏感,所以在實際應用中可以根據目標樓層間距信息,添加適當的延時,以屏蔽過短時間間隔內的加速度信息,達到屏蔽復雜震蕩信號的目的。

2 計層數起爆炸點控制模擬實驗設計

2.1 系統組成

多層侵徹引信計層數炸點控制模擬實驗系統包括：侵徹引信控制器,使用與待測引信匹配的接口,給待測引信供電、閉鎖充電、解除保險指令,與待測引信裝定通信,告知引信目標特性,預先設定起爆方式[6]；某實驗引信,作為被檢測對象；多次沖擊裝置,用于對引信進行沖擊；上位機,通過PXI采集卡采集模擬侵徹過程的加速度信號以及引信的發火信號,用于檢測和驗證。

2.2 系統工作流程

模擬實驗系統工作框圖如圖2所示,其基本工作原理是利用連續沖擊裝置在短時間內（毫秒級）連續沖擊待測引信,模擬引信在侵徹多層靶板時受到的沖擊加速度過載,引信在識別出指定次數的沖擊過程（模擬指定層數的靶板）后發出發火信號。

圖1 計層起爆控制流程圖Fig.1 Flow diagram of layer-count detonation control

圖2 模擬實驗系統框圖Fig.2 Block diagram of simulation system

工作過程如下：侵徹引信控制器發出啟動與初始化指令,并對引信完成工作模式以及關鍵參數裝定,然后引信被多次沖擊裝置在短時間內連續進行沖擊,以模擬多層侵徹過程的運動狀態,此過程中引信受到類似于多層侵徹過程加速度特征的沖擊,這對于含有機械運動部件（如慣性開關）的引信是極為重要的。引信傳感器采集到的加速度信號會被PXI采集卡實時采集下來,發火信號會在模擬實驗結束后通過回讀裝置上傳到上位機中進行分析。

3 多層侵徹過程加速度過載模擬

3.1 多層侵徹過程加速度信號分析

在多層侵徹過程中,比如侵徹樓層時,多層目標中每一層的厚度相對于侵徹機場跑道等單層目標（半無限厚目標）的厚度來說較薄,一般只有200～300 mm[7]。按照經驗公式,彈體侵徹多層目標時承受到的加速度大小與彈丸的質量呈反比,與彈丸的直徑平方呈正比,與彈丸的速度平方呈正比。彈體侵徹單層靶板加速度過載峰值大小范圍約為20 000～50 000 g,持續時間通常在300 μs左右。圖3所示為某次靶場試驗回收所得引信侵徹3層混凝土靶板的加速度數據。實驗條件為C30混凝土,彈體質量50 kg,彈速800 m/s.第1個平緩波形為發射過載,后面依次是3層靶板侵徹過載以及回收靶侵徹過載。

放大后的彈體侵徹3層靶板過程加速度曲線如圖4所示。觀察圖4可以得到,多層侵徹過程的加速度曲線特征為：可明顯觀察到若干個（3個）曲線尖峰,峰值大小呈降低趨勢,曲線尖峰間的間隔時間呈增大的趨勢.圖4中間隔時間為4.2 ms和4.7 ms.

圖3 實測侵徹加速度曲線Fig.3 Measured penetration acceleration curve

圖4 侵徹3層靶板加速度曲線Fig.4 Acceleration curve of penetration into a three-layer target

針對第1層靶板侵徹過程的加速度信號,設計了侵徹策略判斷分析實驗,采用入靶、出靶閾值-4 000 g作為觸發閾值,按照侵徹策略對侵徹第1層靶板所產生的加速度信號進行入靶、出靶判斷,如圖5所示。達到觸發閾值后連續5個采樣周期均滿足觸發條件則判斷為入靶/出靶。

觀察圖5,提取加速度曲線特征為：曲線變化趨勢為下凹形式,峰值為-2.4×104g,曲線半峰值寬度約為200 μs,過零寬度為300 μs,下降沿/上升沿相對較寬,約達到100 μs,且波動不明顯。分析入靶/出靶判斷策略,侵徹狀態的識別只與加速度曲線下降沿/上升沿的很小一段有關（長度與引信采樣周期大小以及判斷策略所需周期數有關）,寬度約為30 μs,而與加速度曲線的峰值、以及曲線峰值附近的部分無關。

總結以上分析可得：計層數起爆控制策略所關注的加速度信號是具有連續多個尖峰,曲線下降沿與上升沿寬度達到一定寬度（約為30 μs）,且此有效寬度波動變化較為平緩特征的信號。

圖5 實測加速度曲線侵徹狀態判斷Fig.5 Determination of penetration status from measured acceleration curve

3.2 多次沖擊過程加速度過載獲取

利用沖擊過程模擬侵徹加速度特征,可作為一種有效的實驗手段,主要用于檢驗引信零件結構強度,常見的設備主要有空氣擊錘、馬希特擊錘、霍普金森桿實驗機等。但這些儀器均無法產生短間隔的多次沖擊。

本模擬實驗系統獲得的連續沖擊信號由多次沖擊實驗機產生。多次沖擊實驗機是針對某型號多層侵徹引信專門設計、自制的,基本原理是利用短時間內的多次沖擊過程模擬多層侵徹過程的加速度過載特征,能夠在5～20 ms間隔內對質量1 kg引信體產生4 000～15 000 g加速度大小的連續沖擊,利用PXI高速采集卡實時對引信的加速度信號采集到的多次沖擊加速度信號如圖6所示。

圖6 多次沖擊信號Fig.6 Repeated impulse signal

圖6所示情況為實驗機對引信體進行了3次沖擊,產生較多波形起伏的原因是引信裝夾裝置在撞擊過程中的振蕩所致。振蕩所產生的加速度曲線波動與引信質量大小、沖擊速度大小以及緩沖措施有關。

將圖6所示的連續沖擊過程中的第2次沖擊峰值放大后顯示如圖7,結合數據文件可以看出,采用撞擊形式,產生的加速度信號,峰值達到10 000 g,脈寬達到200 μs.

圖7 單次沖擊信號Fig.7 Single impulse signal

3.3 沖擊過程加速度侵徹狀態判斷

針對圖7所示單次沖擊過程的加速度信號,根據多層侵徹起爆控制的層數識別策略,設計了侵徹策略判斷分析過程,采用入靶、出靶閾值-4 000 g作為觸發閾值,按照侵徹策略進行入靶、出靶判斷,如圖8所示。達到觸發閾值后連續5個采樣周期均滿足觸發條件則判斷為入靶/出靶。

觀察圖8,提取加速度曲線的特征為：曲線變化趨勢為下凹形式,峰值為10 000 g,曲線半峰值寬度約為200 μs,過零寬度為300 μs,下降沿/上升沿相對較寬,約達到100 μs,且波動變化不明顯。

通過對加速度曲線特征參數的分析,撞擊過程的加速度曲線的變化趨勢與實際侵徹過程是近似的,在多層侵徹計層數策略中,對于采用下降沿和上升沿形式判斷入靶與出靶的引信來說,撞擊過程的加速度曲線變化趨勢是可以被識別出來的,因此,撞擊過程是模擬侵徹過載過程比較有效的實驗辦法。

經過同樣的分析,振蕩波形也滿足計層算法所要求層數識別特征,也可以用來模擬層數信號。

4 實驗

圖8 實驗曲線侵徹狀態判斷Fig.8 Determination of penetration status from experimental acceleration curve

采用某多層侵徹引信進行了計層數炸點實物模擬發火起爆實驗。將引信內部的加速度傳感器信號以及發火信號引出,使用PXI采集卡采集。實驗設定入靶、出靶閾值設定為-4 000 g,穿透第5層靶板后,延遲2 ms引信發出發火信號。實驗采集到的曲線如圖9所示。圖中一共進行了7次沖擊過程,其中每次沖擊過程包含3次加速度峰值（第1次沖擊過程的加速度信號由于信號采集過程中設置了正延時觸發的原因沒有被采集下來）。

圖9 實驗曲線Fig.9 Experimental curve

5 結論

本實驗裝置最大的特色是可將引信按照實彈打靶的形式進行檢測,無需對引信進行拆解（為保證安全起見,雷管等爆炸物會被拆除,替換成相應的電阻以及配重）以及信號注入（模擬侵徹信號或實測數據）,實驗步驟也完全按照引信實際工作過程進行,可較全面地檢測引信起爆控制算法的準確性、機械部件的運動準確性、工作時序的正確性等。

作為一種新型的實驗手段,模擬實驗還存在一定不足,如過載峰值不夠高（實測侵徹加速度的峰值為30 000～50 000 g,而模擬實驗裝置目前只能產生最大15 000 g的加速度）,無法模擬侵徹多層靶板信號的黏連現象以及侵徹過程中彈體的振蕩對引信實測數據的影響等,還需要進一步的研究以及試驗論證。

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Study of Physical Simulation Experiment of Penetration Fuze Layer-count Burst Point Control

MAN Xiao-fei,ZHANG He,MA Shao-jie,WANG Xiao-feng
（ZNDY of Ministerial Key Laboratory,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China）

A method of using the repeated impact machine to simulate the process of hard target penetration is proposed for the physical simulation experiment of hard target penetration fuze.The layer-count algorithm of hard target penetration fuze is introduced.The feasibility of simulating the penetration acceleration signal by use of the impact process is discussed.A simulation experimental system is designed,and a layer-count detonating experiment is done using a certain type of penetration fuze.The result is compared with shooting range test curve,proving the feasibility of the simulation experimental methods.The accuracy of fuze burst point control method can be comprehensively tested.The reliability of fuze moving parts can be testified.Further research is needed as the shock acceleration peak is low and the shock interval is long.

ordnance science and technology；penetration fuze；shock experiment；simulation experiment；layer-count

TJ430.6

A

1000-1093（2014）10-1556-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.10.006

2013-10-13

武器裝備預先研究項目（51305060203）

滿曉飛（1986—）,男,博士研究生。E-mail：manxiaofei@163.com；張合（1957—）,男,教授,博士生導師。E-mail：hezhangz@mail.njust.edu.cn