隨機起爆子母彈引信數據無線裝定系統設計*

彭志凌,趙河明,呂海峰

(中北大學機電工程學院,太原　030051)

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隨機起爆子母彈引信數據無線裝定系統設計*

彭志凌,趙河明,呂海峰

(中北大學機電工程學院,太原030051)

摘要:為了實現隨機起爆子母彈引信超近距一點對多點的數據裝定,根據電磁感應原理,建立了子-母通信模型,設計了母彈發射單元、子彈引信接收與控制單元;通過對無線數據裝定系統仿真和無線感應供電與無線數據傳輸過程實驗,表明利用電磁感應設計的隨機起爆子母彈引信數據裝定系統能夠完成預定的功能。

關鍵詞:子母彈引信;隨機起爆;無線數據裝定

0引言

隨機起爆時間可控的子彈引信是封鎖彈藥的控制核心,引信數據裝定技術決定彈藥的封鎖效能。文中開展近距電磁感應原理來實現隨機起爆時間控制的數據裝定技術研究。

20世紀90年代后期開始,將計算機技術、數字電路和模擬電路有機結合,開展了新一代電子時間引信和裝定器的研制,定時精度和功能得到進一步增強,增加了時間修正電路,進一步提高了引信的作用精度,很大程度提高了戰斗力[1-2]。我國對引信中隨機數的產生技術、裝定技術等關鍵技術也進行了一些有益的探討,目前在小口徑子彈藥方面還沒有相關產品的報道資料[3]。

按照裝定技術分類,電子時間引信有電磁感應裝定、射頻裝定、光學感應裝定、X射線裝定和超聲裝定等多種裝定形式[4-7]。電磁感應裝定通過電磁、磁電變換來傳遞信號,次級感應線圈相距很近,不易受外界干擾,裝定過程較為穩定、可靠。而且裝定頭與引信體沒有機械觸點,可靠性高。通過感應能量傳遞實現引信無能源裝定,因而在國外引信中得到了廣泛應用[8-10]。因此文中采用電磁感應原理來實現無線數據裝定。

1無線數據裝定系統工作原理

在拋撒之前,子彈存放在母彈的彈體之中,母彈引信與子彈引信之間的距離很近,其結構原理如圖1所示,所以采用電磁感應原理實現子-母通信。發射線圈與母彈引信相聯,采用細長、密繞螺旋的形式,由母彈引信進行控制;接收線圈與子彈引信相聯并受其控制。發射線圈與接收線圈之間形成的電磁場作為隨機起爆時間域信息的傳輸媒介,信號被加載其中并通過兩線圈的電磁感應進行傳輸。

圖1　子母彈原理結構圖

初始條件下,每一枚子彈都裝定了在封鎖(也稱標準時間域)T0內的隨機起爆時間t0。通過外部接口可以將子彈隨機起爆時間域信息傳輸給母彈引信;母彈引信按照預先設定的程序自動將此信息傳輸到每一個子彈引信之中,實現了一枚母彈引信對多枚子彈引信的數據傳輸和控制。

當第N個子彈裝定了在封鎖T0內的隨機起爆時間為tn時,當隨機起爆時間域改變時,第N個子彈在新的時間域內的隨機起爆時間tn′可由引信中的微處理器根據下式得出。

(1)

封鎖時間的精度要求較高,標準時間域T0取值較小;反之,標準時間域T0取值可以大一些。在本設計之中,T0取值為10 min,N0為一個八位二進制數,取值從0到255,則封鎖時間域為:從10 min到2 550 min。當N0為0時,此彈藥一旦解除保險就馬上起爆,基本無延時;當N0為255時,彈藥在2 550 min內隨機起爆。此系統的封鎖時間誤差為T0。

2無線數據裝定系統的建模分析與設計

1)建立模型的假設條件

為了簡化分析過程,由螺線管電磁場特性可做如下假設:

①有限長密繞螺線管可以等效為條形磁鐵;

②有限長密繞螺線管內外磁通量大小相等;

③密繞通電螺線管的外磁場都被限制在螺線管外壁與殼體內壁所構成的空腔內。

2)通過接收線圈的磁通量

在此子母彈的空腔內,由于通電螺線管的磁力線都被限制在空腔內,空腔外部無磁場。

圖2　通訊系統截面圖

子母彈彈體截面如圖2所示,因此可以得到通過接收線圈的磁通量的通用表達式:

(2)

實驗中所采用的參數為:螺線管半徑r0=7.5×10-3m;密閉鐵容器半徑r1=5.25×10-2m;接收線圈兩端到螺線管中心的最大與最小距離分別為S1=5.0×10-2m,S0=1.0×10-2m;銅線直徑φ銅線=2×10-5m,n=5 000匝;真空磁導率μ0=4π×10-7。

利用數值積分方法的Newton-Cotes求解式(2),可得:

φ=0.032IS

設用削弱因子ξ來定量表示系統總體(包括建立模型本身的固有誤差、系統漏磁以及鐵磁殼體對磁場的削弱作用等)對螺線管外部磁場的削弱影響,則實際通過接收線圈的磁通量為:

φ′=0.032ISξ

176.8 Ω

3)接收線圈匝數的設計

感應線圈的有效直徑為4.0×10-2m,銅線直徑φ銅線=0.2×10-4m,當感應線圈為700匝時,代入上式可得空載電動勢為3.12 V(峰-峰值),通過加上并聯諧振電容,接收端的電動勢可達14.8 V(峰-峰值),根據法拉利電磁感應定律并經過實驗取感應線圈的匝數為700。

2.2母彈引信發射單元設計

母彈引信發射單元的電路原理如圖3所示。當需要改變子彈藥隨機起爆的時間閾時,通過母彈引信的外部數據裝定接口將隨機起爆的時間閾信息輸入到母彈引信,母彈引信通過電磁感應原理將信息發送給每一枚子彈引信。

圖3　母彈發射電路圖

2.3子彈引信接收與控制單元設計

隨機起爆控制電路是一個相對獨立電路,在子彈藥完全解除保險后才起作用。無線感應供電與數據接收電路如圖4所示。

圖4　無線感應供電與數據接收電路的原理圖

定時起爆電路的原理如圖5所示,其中:K1、K2、K3為控制開關;D1為可控硅,控制起爆電路是否導通;D2是電雷管。

圖5　定時起爆電路

此通信系統中,每次傳輸的數據是一組8位的二進制數,數據傳輸的時間小于10 ms,單片機獲得完整的數據后將其存儲在內部非易失存儲器之中,此過程需要15～20 ms,因此,儲能電容至少需要能夠保證單片機系統正常、可靠工作30 ms。

儲能電容的能量可由公式E=CU2/2來計算。通過選用不同C值的電容并進行了大量的實驗發現,選用220 μF的電容比較合適,因此儲能電容選擇220 μF的有極性電容。

此儲能電容所存儲的能量可以使接收模塊正常工作近50 ms,大于數據傳輸與裝定所需的30 ms,因此,此無線感應供電系統的設計是合理的,選用220 μF的電容是合適的,能夠保證無線接收模塊可靠接收并存儲數據。

3.2數據傳輸實驗

在實驗中,一個發射電路同時對3個接收電路進行數據傳輸,發射與接收線圈的相對位置如圖6所示。

圖6　發射與接收線圈的相對位置圖

本系統的實驗結果如圖7所示,其中1信號是接受線圈所獲得的信號,2信號是單片機將獲得的數據又反饋到輸出引腳上的信號,接收信號與輸出信號有一位的延時。1信號的第一個大尖峰脈沖是單片機開始工作時引起的震蕩,第二個脈沖是線圈接收到的數據傳輸的啟動信號,當檢測到此信號時單片機就開始接收數據,以后8位為數據信號。

圖7　數據采集實驗結果圖

在實驗中,進行了4組信號的裝定,分別為10101010信號、01010010信號、10010010信號和01000010信號,通過檢測與比較單片機的反饋輸出信號可知,所設計的系統能夠實現8位數據的裝定。

4結論

文中在分析子母彈數據裝定系統工作原理的基礎上,建立了子-母通信模型,設計了母彈發射單元、子彈引信接收與控制單元,對所設計的數據裝定系統的無線感應供電與無線數據傳輸過程進行了實驗,能夠完成預定的功能,表明隨機子母彈引信數據技術合理。

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*收稿日期:2015-01-31

基金項目:山西省自然科學基金(2013021020-2)資助

作者簡介:彭志凌(1976-),男,山西太原人,副教授,博士,研究方向:探測制導與控制技術。

中圖分類號:TJ430.33

文獻標志碼:A

Design of Data Wireless Setting System for Random Detonation Fuze

PENG Zhiling,ZHAO Heming,LYU Haifeng

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:In order to realize random initiation of cluster ammunition fuze of point-to-multipoint in ultra-short distance data setting, according to the principle of electromagnetic induction, a sub-master communication model was established and projectilelaunching unit and the receiving and control unit of submunition fuze were designed. Through simulation of wireless data setting system and experiment of wireless inductive power supply and wireless data transmission process, it is shown that the data setting system of random priming cluster ammunition fuze designed through electromagnetic induction can accomplish the intended function.

Keywords:cluster ammunition fuze; random initiation; wireless data setting