機電侵徹引信目標(biāo)基短路抗電磁干擾方法

馬 兵,李朝陽,張 康,黃惠東

(西安機電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

目前,許多國家的軍事力量日漸強大,各種作戰(zhàn)武器的作戰(zhàn)能力以及防御體系也愈發(fā)完善,重要軍事目標(biāo)都轉(zhuǎn)移到地下,并采取了堅硬的防護措施[1]。侵徹彈藥能夠有效摧毀具有多層、深層堅固防護的目標(biāo),成為各大軍事強國武器裝備競相發(fā)展的重要方向。機電侵徹引信是侵徹彈藥實現(xiàn)作戰(zhàn)功能的“控制中樞”,引信的性能直接決定侵徹彈藥能否對既定目標(biāo)進行精確毀傷。隨著日益復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境以及彈藥系統(tǒng)頻繁控制信號產(chǎn)生的強電磁干擾,機電侵徹引信抗電磁干擾成為亟需解決的問題。目前在引信抗電磁干擾方面已有大量成果。文獻[2]研究了齊射高炮引信實彈射擊時由于引信間電磁互擾引起早炸率提高的原因,分析了實效機理并給出了應(yīng)用建議。文獻[3]對超寬帶無線電引信抗干擾性能進行了研究,定量分析了無線電引信的抗干擾性能,為無線電引信的抗干擾設(shè)計提供了理論依據(jù)。文獻[4]分析了電和電磁環(huán)境對引信全電子安全系統(tǒng)的影響,建立了在電路不同節(jié)點引入靜電,電流注入和電源線傳導(dǎo)等激勵與高壓電容、雷管電壓的傳遞函數(shù),說明了這些激勵下安全失效率的計算方法。這些研究針對的大都是無線電引信和電子引信的抗電磁干擾,而關(guān)于機電侵徹引信抗電磁干擾性能的研究卻鮮有報道。工程上機電侵徹引信抗電磁干擾采取的主要措施包括:引信電路抗干擾設(shè)計,全金屬殼體屏蔽抗電磁干擾,在引控器與引信之間電纜增加金屬屏蔽網(wǎng)以及在引控器與引信之間增加無源濾波器等方式,以此提高引信的抗電磁干擾能力。但是,采取上述措施后引信意外作用引起彈藥早炸的現(xiàn)象時有發(fā)生,為提高機電侵徹引信抗電磁干擾性能,提出一種機電侵徹引信目標(biāo)基短路抗電磁干擾方法。

1 機電侵徹引信及電磁干擾原理

1.1 機電侵徹引信

機電侵徹引信配用于侵徹爆破戰(zhàn)斗部,其工作流程:當(dāng)彈藥飛出安全距離之后,機電侵徹引信按時序解除隔離,內(nèi)部隔爆機構(gòu)處于對正狀態(tài),同時起爆控制電路上電并處于待發(fā)狀態(tài);碰目標(biāo)后,引信按照裝定的起爆參數(shù)在預(yù)定時刻起爆戰(zhàn)斗部。機電侵徹引信工作流程見圖1。其中,引信解除隔離并上電處于待發(fā)狀態(tài)至碰目標(biāo)還有數(shù)秒時間,該時間窗為侵徹引信易受電磁干擾影響階段,意外干擾可能造成引信早炸。

圖1 機電侵徹引信工作流程圖Fig.1 Block diagram of fixed delayed initiation control module

1.2 傳導(dǎo)耦合電磁干擾原理

機電侵徹引信一般通過電纜與引控系統(tǒng)連接,從而獲取能量和信息指令。電纜是效率很高的電磁波接收天線,電磁干擾往往首先被電纜接收到[5],通過電纜傳導(dǎo)至引信中,造成電路誤動作。電纜中的導(dǎo)線都是平行的,且平行走線距離較長,信號串?dāng)_十分嚴(yán)重,即使不是同一根電纜中的導(dǎo)線,相互串?dāng)_也會影響引信的性能,因此通過電纜的傳導(dǎo)耦合是引信電磁干擾的重要方式。傳導(dǎo)耦合包括導(dǎo)體間的電容及互感形成的干擾耦合。引信電纜中兩根導(dǎo)線之間即構(gòu)成了寄生電容,干擾源可以通過寄生電容將能量耦合在敏感電路上,產(chǎn)生電容耦合;干擾源電流發(fā)生變化時,會引起周圍磁場變化,在變化磁場中的敏感電路會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,產(chǎn)生電感耦合。圖2為綜合考慮電容耦合和電感耦合電路示意圖和等效電路圖。干擾源通過電容和電感耦合作用在敏感電路的感應(yīng)電壓為

圖2 傳導(dǎo)耦合電路示意圖和等效電路圖Fig.2 Circuit and equivalent diagram for conduction coupling

(1)

式(1)中,UC為電容性耦合作用在敏感電路的干擾電壓,UL為電感性耦合作用在敏感電路的干擾電壓,U0為干擾電源電壓,C為寄生電容容值,M為互感。

由式(1)可知,在干擾源電壓U0,干擾電路阻抗R0和R1,敏感電路阻抗R2L,R2G一定的情況下,作用在敏感電路的感應(yīng)電壓U2L與寄生電容C、互感M直接相關(guān)。一般通過給引信電纜增加金屬屏蔽網(wǎng)的方式改變寄生電容C和互感M,提高引信抗電磁干擾性能,但是上述措施并未完全解決引信受干擾后意外作用的問題。

2 機電侵徹引信目標(biāo)基短路抗電磁干擾方法

本文提出的抗電磁干擾方法包含目標(biāo)基短路機構(gòu)設(shè)計、起爆電路參數(shù)匹配性設(shè)計以及起爆策略改進。

2.1 機電侵徹引信目標(biāo)基短路機構(gòu)

引信隔爆機構(gòu)解除隔離前,短路機構(gòu)處于圖3(a)狀態(tài),此時短路機構(gòu)由于轉(zhuǎn)子的約束,使電雷管處于短路狀態(tài),戰(zhàn)斗部運輸、引信解除隔離前的過載不會導(dǎo)致短路機構(gòu)斷開。圖3(b)為引信解除隔離后目標(biāo)基短路機構(gòu)狀態(tài)示意圖,此時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一定角度,轉(zhuǎn)子盲孔在短路機構(gòu)的運動路徑上,為其留出運動空間,但飛行中的振動載荷較小,短路機構(gòu)的運動件不足以剪斷短路絲,電雷管處于短路狀態(tài),外界電磁干擾導(dǎo)致引信起爆電路輸出起爆信號,無法起爆電雷管,提高了引信的抗電磁干擾能力。在戰(zhàn)斗部碰目標(biāo)后,短路機構(gòu)的運動件在前沖力作用下,剪斷短路絲,進入轉(zhuǎn)子盲孔中,短路機構(gòu)處于圖3(c)狀態(tài),此時電雷管解除短路,引信按裝定的起爆模式和參數(shù)輸出起爆信號,電雷管起爆后引爆整個傳爆序列。

圖3 目標(biāo)基短路機構(gòu)作用過程示意圖Fig.3 Block diagram of target-based short-circuit mechanism

2.2 起爆電路參數(shù)匹配性設(shè)計

目標(biāo)基短路抗電磁干擾方法是在起爆電路和電雷管之間接入了目標(biāo)基短路機構(gòu),在引信解除隔離到碰目標(biāo)之前的時間窗內(nèi),電雷管處于短路狀態(tài),確保碰目標(biāo)之前任何電磁干擾不會導(dǎo)致電雷管意外起爆。同時,也要保證起爆系統(tǒng)在受電磁干擾作用后,還可以正常工作。因而電路硬件設(shè)計應(yīng)考慮兩方面:一是晶閘管V1受電磁干擾導(dǎo)通后,應(yīng)恢復(fù)斷開狀態(tài);二是起爆電容C1充電到雷管作用電壓的時間應(yīng)足夠短。圖4為起爆電路工作原理圖。

圖4 起爆電路工作原理圖Fig.4 Block diagram of detonation circuit

一般在已知起爆電壓U的情況下,根據(jù)晶閘管維持電流Ih可以計算出電阻R1范圍為

(2)

同時,電阻R1影響起爆電容C1的充電時間,為保證C1迅速充電,應(yīng)滿足公式

(3)

式(3)中,ULG為雷管作用電壓。

結(jié)合式(2)、式(3)計算合適的限流電阻R1,確保引信受干擾發(fā)火電容放電后,彈載電源可在幾十毫秒內(nèi)完成發(fā)火電容充電,避免引信瞎火。由于充電時間為毫秒級,受干擾時間窗為秒級,時間窗內(nèi)可完成若干次充電,滿足實時性要求。

同時,通過改進軟件起爆策略,在起爆控制系統(tǒng)輸出起爆指令后立即恢復(fù)待發(fā)狀態(tài),保證起爆控制系統(tǒng)在碰目標(biāo)后按照既定策略起爆。

3 驗證

3.1 目標(biāo)基短路機構(gòu)仿真

在解除隔離后至碰目標(biāo)前的時間窗內(nèi),飛行振動下目標(biāo)基短路機構(gòu)意外斷開會降低引信的抗電磁干擾性能;在碰目標(biāo)后,目標(biāo)基短路機構(gòu)的斷開時間會影響引信的起爆性能,利用ANSYS/LS-DYNA[6-7]對目標(biāo)基短路機構(gòu)動態(tài)響應(yīng)特性進行仿真。

3.1.1有限元模型

目標(biāo)基短路機構(gòu)在飛行振動和侵徹過程中動力學(xué)仿真的主要差異在過載,數(shù)值模型和接觸設(shè)置可以通用。根據(jù)實際短路機構(gòu)外形,建立數(shù)值模型。數(shù)值模型由座體、運動銷和金屬絲組成,由于模型具有對稱性,為了提高計算效率,采用1/2模型建模,如圖5(a)。座體、運動銷和金屬絲之間接觸選擇AUTOMATIC接觸方式,座體和金屬絲兩端均采用Bond固定,將實測飛行振動、侵徹過載曲線通過*LOAD_BODY關(guān)鍵字施加于運動銷,網(wǎng)格均采用8節(jié)點6面體實體單元(SOLID164),如圖5(b),用單點積分Lagrange算法[8]。對金屬絲、座體和運動銷中與金屬絲接觸區(qū)域網(wǎng)格進行加密,以提高計算的精度和效率[9]。

圖5 短路機構(gòu)仿真模型Fig.5 Simulation of the target-based short-circuit mechanism

3.1.2飛行振動仿真結(jié)果

圖6為試驗獲取的飛行振動過載曲線。將過載曲線施加于有限元模型后得到了短路機構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)過程如圖7所示。第一行為短路機構(gòu)整體的動態(tài)響應(yīng)過程,第二行為省略部分運動銷的動態(tài)響應(yīng)過程,第三行為金屬絲的動態(tài)響應(yīng)過程。由圖7可知:在飛行振動條件下,短路機構(gòu)運動銷相對座體處于上下震蕩中,但是由于飛行振動過載較小,運動銷不會剪斷短路絲,電雷管保持短路。說明在引信解除隔離飛行振動過程中,可以保證電雷管短路。

圖6 飛行振動過載曲線Fig.6 Vibration overload of flight

圖7 飛行振動過載下短路機構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)Fig.7 Dynamic response of short-circuit mechanism under flight

3.1.3侵徹過載下仿真結(jié)果

圖8為試驗獲取的戰(zhàn)斗部侵徹混凝土過載曲線。將過載曲線施加于有限元模型后得到的短路機構(gòu)動態(tài)響應(yīng)過程如圖9所示。由圖8可知:以戰(zhàn)斗部碰目標(biāo)瞬間為計時零點,在160 μs時短路機構(gòu)運動銷已經(jīng)剪斷短路絲,以800 m/s的著靶速度計,在侵入目標(biāo)0.128 m時短路絲已剪斷,可以滿足侵徹引信可靠起爆的要求。

圖8 侵徹過載曲線Fig.8 Vibration overload of penetration

圖9 侵徹過載下短路機構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)Fig.9 Dynamic response of short-circuit mechanism under penetration

飛行振動模擬解除隔離至碰目標(biāo)前目標(biāo)基短路機構(gòu)的動態(tài)響應(yīng),在此階段,短路機構(gòu)的短路絲在飛行振動過載作用下不會被剪斷,電雷管保持短路,保證了引信的抗電磁干擾性能;侵徹過載模擬碰目標(biāo)后目標(biāo)基短路機構(gòu)的動態(tài)響應(yīng),短路機構(gòu)的運動件在前沖力作用下,可以迅速剪斷短路絲,電雷管解除短路,保證引信可靠起爆。

3.2 起爆電路試驗驗證

根據(jù)GJB 151B-2013完成電磁兼容試驗[10],驗證了本文方法的抗電磁干擾性能;同時,試驗驗證起爆控制電路受干擾作用后的二次起爆性能。

3.2.1試驗方法

起爆控制電路裝定計時+計層起爆模式,確保通過激勵過載傳感器,使MCU可輸出兩次起爆控制信號至閘流管門極,分別監(jiān)測過載傳感器輸出電壓、單片機輸出的控制信號、電雷管處的起爆電壓。第一次模擬飛行過程中電雷管短路,第二次模擬碰目標(biāo)后電雷管斷路。

3.2.2試驗結(jié)果

首次激勵過載傳感器后,監(jiān)測到過載信號,單片機識別有效后輸出方波信號(計時起爆信號),控制晶閘管導(dǎo)通,起爆電壓作用在短路絲兩端,電雷管處未監(jiān)測到起爆電壓,如圖10(a)。再次激勵過載傳感器,監(jiān)測到過載信號,單片機處理后輸出方波信號(計層起爆信號),控制晶閘管導(dǎo)通,此時雷管短路絲已經(jīng)斷開,起爆電壓作用在電雷管兩端,電雷管處監(jiān)測到起爆電壓曲線,如圖10(b)。試驗結(jié)果表明:起爆控制電路在首次作用后,可實現(xiàn)起爆電容二次充電,滿足起爆系統(tǒng)在電磁干擾作用后,仍能正常作用的要求。

圖10 起爆性能試驗照片F(xiàn)ig.10 Photograph of detonation performance test

4 結(jié)論

本文提出一種機電侵徹引信目標(biāo)基短路抗電磁干擾方法,該方法設(shè)計了一種目標(biāo)基短路機構(gòu),開展了起爆電路參數(shù)匹配性計算并改進了軟件起爆策略。利用仿真和試驗對該方法的有效性進行了驗證,結(jié)果表明,短路機構(gòu)可適應(yīng)飛行和著靶環(huán)境,發(fā)火電容受電磁干擾意外放電后可實現(xiàn)再次起爆,提高了侵徹引信彈道抗干擾能力和作用可靠性。后續(xù)將結(jié)合靶場試驗對方法的可行性進一步考核。