線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)爆轟輸出同步性偏差估算

梁安定，孫興昀，李廣嘉

(西安近代化學(xué)研究所， 西安 710065)

爆炸網(wǎng)絡(luò)是一種由爆炸元件構(gòu)成的，實(shí)現(xiàn)爆轟信號(hào)多路徑可靠可控傳遞的爆炸物品。它的應(yīng)用需求廣泛，在核武器、空間武器、防空反導(dǎo)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部以及鈍感彈藥研究領(lǐng)域均有迫切需求[1]。同步爆炸網(wǎng)絡(luò)是具有單端輸入，多端同步輸出功能的爆炸網(wǎng)絡(luò)。其按輸出端的分布狀況又分為面同步爆炸網(wǎng)絡(luò)和線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)兩種，分別用于實(shí)現(xiàn)平面多點(diǎn)同步起爆和沿直線多點(diǎn)同步起爆。在前人的研究當(dāng)中可以看出[2-5]：面同步爆炸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)構(gòu)型主要是中心輸入端與圓周分布的輸出端之間通過(guò)輻射狀網(wǎng)絡(luò)連接，線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，需要復(fù)雜往復(fù)的折線連接，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)線從輸入端到各個(gè)輸出端之間的等距離。由于線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)可以近似模擬線起爆模式，正迎合了防空反導(dǎo)定向戰(zhàn)斗部側(cè)向線同步起爆的迫切需求，而成為了定向戰(zhàn)斗部的關(guān)鍵技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)外各個(gè)研究機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行的研究方興未艾[5-9]。

線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)的炸藥網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方式多種多樣，其中在機(jī)械加工而成的基板溝槽內(nèi)布藥是目前較為成熟的一種線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)成型方式[1-2,10]。本文主要對(duì)線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行討論，分析引起溝槽內(nèi)布藥的線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)爆轟傳播時(shí)間誤差和輸出同步性偏差的影響因素，并針對(duì)“一入五出”線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)輸入端和多個(gè)輸出端組成。由于其要實(shí)現(xiàn)同步輸出，故從輸入端到各個(gè)輸出端的網(wǎng)絡(luò)刻槽總長(zhǎng)度均一致。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，在設(shè)計(jì)上一般為多個(gè)“一入二出”單元或“一入二出”單元簡(jiǎn)化后的“一入一出”單元組成的樹(shù)形結(jié)構(gòu)[10]。從輸入端到每個(gè)輸出端的單元數(shù)量相等。以輸入端為基準(zhǔn)，控制各級(jí)單元“入”端與基準(zhǔn)的線性尺寸可以達(dá)到控制網(wǎng)絡(luò)布線精度的目的。設(shè)輸出端個(gè)數(shù)為n，網(wǎng)絡(luò)橫向布線間距為a，以精度控制為目的的輸出端橫向定位距離為m,一級(jí)布線長(zhǎng)度為b、二級(jí)布線長(zhǎng)度為c(不同字母代表不同級(jí)別布線長(zhǎng)度，如為性質(zhì)相同的多個(gè)布線，則依次加注標(biāo)號(hào)，如c1、c2、c3…)。“一入五出”線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 “一入五出”線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)爆轟傳播時(shí)間誤差分析

對(duì)線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)爆轟傳播的時(shí)間誤差進(jìn)行分析，從輸入端到某一輸出端網(wǎng)絡(luò)爆轟傳播時(shí)間可表示為[10]

(1)

式(1)中，T為網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí)間；L為網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度；D為裝藥爆速；n為網(wǎng)絡(luò)裝藥拐角數(shù)量；tπ/2為爆轟拐角延遲時(shí)間。

假設(shè)tπ/2與D無(wú)關(guān)，則L、D和tπ/2為3個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)。

假設(shè)誤差屬于正態(tài)分布，由誤差傳播公式可得作用時(shí)間的偏差為[11]

(2)

(3)

根據(jù)線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)具體指標(biāo)，確定ΔL，ΔD和 Δtπ/2后，可以計(jì)算線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)爆轟傳播的時(shí)間誤差ΔT。

3 輸出同步性分析

由于L和n是網(wǎng)絡(luò)走線設(shè)計(jì)的固定值，網(wǎng)絡(luò)走線設(shè)計(jì)確定后，L和n就是定值。D則是網(wǎng)絡(luò)裝藥的固有參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)裝藥選定后，D也為定值。根據(jù)上述分析，ΔL，ΔD、 Δtπ/2三項(xiàng)參數(shù)是線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)爆轟傳播時(shí)間誤差的3個(gè)主要因素。

對(duì)于輸出同步性分析來(lái)說(shuō)，Δtπ/2在網(wǎng)絡(luò)布線寬度滿足裝藥極限尺寸、工藝合理的同件線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)中誤差很小，不足以顯著影響到線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)的同步性[12]。而ΔD是線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)的固有特性參數(shù)，當(dāng)裝藥類型和裝填工藝確定后，實(shí)際上裝藥的ΔD是一個(gè)可控的數(shù)值。分析后可以確定，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝藥狀態(tài)確定后的線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)，爆轟傳播的時(shí)間誤差ΔT主要由ΔL引入，因此下面主要針對(duì)ΔL分析。

對(duì)于線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)，加工誤差可能會(huì)導(dǎo)致輸出端定點(diǎn)位置以及網(wǎng)絡(luò)布線長(zhǎng)度發(fā)生偏差，這些偏差使得輸入端到各個(gè)輸出端之間的長(zhǎng)度不一致，從而造成裝藥長(zhǎng)度的不一致。實(shí)際上，線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)的加工工藝非常講究[13-14]。通常情況下，線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)的溝槽并非采用銑刀沿設(shè)計(jì)線路直接走線加工。若采用銑刀直接走線，在網(wǎng)絡(luò)溝槽轉(zhuǎn)向或鉆孔過(guò)程中均會(huì)帶來(lái)線性誤差的累積，使得輸出端的定位誤差偏大。較為合理的網(wǎng)絡(luò)溝槽加工是以輸入端端面為基準(zhǔn)面(圖1)，首先將拐角點(diǎn)、輸出端孔分別定位成形，然后采用銑刀連通各個(gè)拐角點(diǎn)和輸出端。由于各個(gè)拐角點(diǎn)和輸出端均為同基準(zhǔn)面定位加工，其定位精度很高。各個(gè)拐角點(diǎn)和輸出端定位準(zhǔn)確后，實(shí)際上網(wǎng)絡(luò)溝槽長(zhǎng)度誤差僅僅是與各個(gè)拐角點(diǎn)和輸出端的定位精度有關(guān)了。假設(shè)a、b和c的設(shè)計(jì)公差為±Δa、±Δb和±Δc，輸出端孔獨(dú)立定位的定位公差均為±Δm，可以統(tǒng)計(jì)出輸入端到各個(gè)輸出端刻槽長(zhǎng)度的誤差。由于輸入端到各個(gè)輸出端支線有的具有共線性，有的則相對(duì)獨(dú)立，因此存在輸入端到輸出端網(wǎng)絡(luò)支線中最大長(zhǎng)度誤差ΔLmax。

由于各個(gè)輸出端之間的相對(duì)位置以及支線中包含的轉(zhuǎn)彎拐角定點(diǎn)位置不同，導(dǎo)致其支線路徑及路徑長(zhǎng)度誤差不同。根據(jù)線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析，可以得出計(jì)算任意兩輸出端同步性偏差的原則如下：

1) 輸入端到兩輸出端之間，經(jīng)過(guò)的同一網(wǎng)絡(luò)直段布線不產(chǎn)生同步性偏差；

2) 輸入端到兩輸出端之間，經(jīng)過(guò)的同一級(jí)別、同性質(zhì)但不同段網(wǎng)絡(luò)直段布線可能會(huì)產(chǎn)生同步性偏差，縱向布線(橫向布線間距)偏差最大為2Δ。橫向布線偏差視經(jīng)過(guò)的“入”端爆轟傳播方向是否反向而定：每經(jīng)過(guò)一個(gè)“入”端到“出”端反向，其最大產(chǎn)生2Δ長(zhǎng)度偏差，若同向，長(zhǎng)度偏差因被“淹沒(méi)”而為0；

3) 輸入端到兩輸出端之間，由于輸出端孔定位將最大產(chǎn)生2Δ長(zhǎng)度偏差。

根據(jù)以上原則對(duì)各個(gè)輸出端之間的刻槽長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得出刻槽長(zhǎng)度的最大偏差。通過(guò)式(4)可計(jì)算出因加工誤差產(chǎn)生的線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)同步性最大偏差。

(4)

式(4)中：Δtmax為同步性最大偏差，Δlmax為輸出端之間的最大刻槽長(zhǎng)度偏差，D為刻槽裝藥爆速。

4 “一入五出”線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)分析計(jì)算

以“一入五出”線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)為例， 五個(gè)輸出端之間的刻槽長(zhǎng)度的偏差統(tǒng)計(jì)如表1所示。

以某“一入五出”線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案中的參數(shù)為例進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)傳播的時(shí)間誤差ΔT和同步性最大偏差Δtmax的計(jì)算。網(wǎng)絡(luò)裝藥爆速D=8 300 m/s，ΔD=±50 m/s,Δtπ/2=8 ns；線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)L=782 mm，±Δa、±Δb、±Δc和±Δm均為±0.1 mm。

對(duì)爆轟傳播時(shí)間誤差進(jìn)行計(jì)算：通過(guò)分析，輸入端到輸出端網(wǎng)絡(luò)支線中最大長(zhǎng)度誤差ΔLmax=2Δa+Δb+Δc+Δm=0.5 mm，根據(jù)式(3)，計(jì)算得ΔT=±0.57 μs。

對(duì)同步性最大偏差進(jìn)行計(jì)算：根據(jù)表1得到Δlmax=4Δa+2Δb+4Δc+2Δm=4Δa+4Δb+2Δc+2Δm=1.2 mm，根據(jù)式(4)，計(jì)算得Δtmax=0.15 μs。

從數(shù)值上看，加工誤差對(duì)輸出端同步性影響較大。但加工誤差屬于偶然誤差，偶然誤差具有抵償性[15]，因此輸出端同步性實(shí)際偏差可能更小。

表1 “一入五出”線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)的五個(gè)輸出端之間的刻槽長(zhǎng)度的偏差統(tǒng)計(jì)

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)“一入五出”線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)的同步性進(jìn)行考核，開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作。“一入五出”線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)采用了硬鋁制作基板，其網(wǎng)絡(luò)裝藥為DNTF基熔鑄炸藥。DNTF基熔鑄炸藥的爆速D不小于8 300 m/s，ΔD=±50 m/s,Δtπ/2≈8 ns,線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)L=782 mm，網(wǎng)絡(luò)溝槽采用數(shù)控加工中心制作，“一入五出”線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)件共兩件,編號(hào)分為001和002。

對(duì)設(shè)計(jì)的“一入五出”線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)輸出同步性進(jìn)行測(cè)試的系統(tǒng)為： PXI總線測(cè)試系統(tǒng)，其由六槽NI PXI-1036機(jī)箱、JV58115采集模塊和JV58124B 四通道超高速定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊組成。PXI-JV5812B超高速定時(shí)/計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨率最高達(dá)4 ns。

實(shí)驗(yàn)布置示意圖見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)后的線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)照片見(jiàn)圖3，實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)波形見(jiàn)圖4。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

從表2可以看出，“一入五出”線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)件實(shí)驗(yàn)后的五點(diǎn)輸出同步性偏差最大為0.140 μs，小于理論分析的Δtmax=0.15 μs。

圖2 實(shí)驗(yàn)布置示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)后的線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)照片

圖4 實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)波形

6 結(jié)論

影響線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)爆轟傳播時(shí)間誤差的3個(gè)主要因素為網(wǎng)絡(luò)刻槽長(zhǎng)度誤差、裝藥爆速誤差和網(wǎng)絡(luò)裝藥拐角爆轟時(shí)間延遲誤差，且應(yīng)重點(diǎn)考慮網(wǎng)絡(luò)刻槽長(zhǎng)度誤差的影響。分析了線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)，得到了理論計(jì)算任意兩輸出端同步性偏差的三條原則。

對(duì)“一入五出”線同步爆炸網(wǎng)絡(luò)的爆轟輸出同步性偏差進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的五點(diǎn)輸出同步性偏差最大為0.140 μs，小于理論分析值0.15 μs，理論分析結(jié)論的正確性得到了驗(yàn)證。