侵彻引信计层起爆炸点控制实物模拟实验方法研究

满晓飞,张合,马少杰,王晓锋

（南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室,江苏南京 210094）

侵彻引信计层起爆炸点控制实物模拟实验方法研究

满晓飞,张合,马少杰,王晓锋

（南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室,江苏南京 210094）

针对硬目标侵彻引信实验室实物模拟实验,提出了利用多次冲击实验机对硬目标侵彻过程进行模拟实验方法的研究。介绍了硬目标侵彻引信的计层数策略,讨论利用冲击过程模拟侵彻过程加速度信号的可行性,设计了模拟实验系统并针对某型号侵彻引信进行计层数起爆模拟实验。通过与靶场试验曲线的对比,验证了该模拟实验方法的可行性,可较全面地检测引信起爆控制算法的准确性,以及引信活动部件动作的可靠性；但冲击峰值较低,冲击间隔较长,需要做进一步的研究和完善。

兵器科学与技术；侵彻引信；冲击试验；模拟实验；计层数

0 引言

硬目标侵彻引信是侵彻弹药实现作战功能的“控制中枢”,引信的性能直接决定侵彻弹药能否有效对既定目标进行精确打击[1]。因此,硬目标侵彻引信的研制是目前侵彻弹药研制过程中的重点。

侵彻引信的研制与检测手段目前主要有靶场试验与半实物仿真。靶场试验能够准确、真实地使侵彻引信完整经历整个工作过程,是侵彻引信研制与检测的有效手段,但靶场试验往往试验周期长、试验成本高,并且弹药回收存在一定的不确定性。半实物仿真是利用靶场回收数据或仿真数据来模拟引信工作情况,在模拟实验系统的仿真回路中接入部分实物[2-3],这种方法对计层方法的考核更接近于真实情况,能够得到较为可靠的结果,并且实验周期短、成本低,但实验中采用的加速度信息均为硬件静态下产生后输入到引信电路里[4],因此无法检测具有机械运动部件的引信,无法对加速度传感器进行动态考核,应用上具有一定的局限性。

针对侵彻引信检测手段的新需求,设计了模拟实验。模拟实验是一种利用现有实验手段来模拟真实情况的实验方法,与半实物模拟实验不同之处在于,模拟实验的数据来源并非是模拟电路,而是来自于其他形式的物理过程,比如撞击过程,因此模拟实验能够使被测引信真实地承受到加速度冲击,因此能够用于检测具有活动部件引信的起爆策略。同时模拟实验具有实验成本低、周期短、可重复性好、实验参数可随时优化和修改等特点,具有较好的灵活性,可以提供引信技术论证、研制和性能评定所用的各种模型,与实际靶场试验相结合,在降低试验成本的同时可缩短试验周期,并且能够得到极为可靠的结果。

1 硬目标侵彻引信计层数起爆策略

1.1 硬目标侵彻策略

硬目标侵彻弹药根据情报所描述的要打击目标结构特征、材料特征等参数,要求引信能够利用加速度传感器等作为环境信息的敏感元件,能够识别出弹体着靶、侵入、穿透硬目标过程的环境特征信号,判断出弹体当前所处的位置,并在达到预定位置处引爆弹药战斗部,实现对目标的高效毁伤。硬目标侵彻引信炸点控制策略主要有：计时起爆,计行程起爆,计层数起爆,介质识别起爆等。

侵彻不同目标,采取不同的起爆策略,有利于充分发挥战斗部毁伤效能,在战争中处于有利地位。

1.2 计层数起爆策略

针对结构复杂的多层目标,引信计层数起爆将会提高对目标的定点杀伤力,提高打击任务成功率。如图1所示为计层起爆模式的工作过程示意图[5]。按照工作流程所述,弹体穿透预设第N层靶板后,引信给出发火信号,引爆弹药战斗部。

在侵彻过程中,每层靶板侵彻过程信号的下降沿与上升沿较宽,容易识别与判断,因此可以用来作为弹体侵入靶体与出靶的标志,并且硬件电路实现起来相对容易,可以采用全硬件比较电路或软件编程控制实现,运算速度高,电路功耗较低,灵活性较好[5]。

由于以边沿特征作为判断依据的计层数算法对侵彻信号较为敏感,所以在实际应用中可以根据目标楼层间距信息,添加适当的延时,以屏蔽过短时间间隔内的加速度信息,达到屏蔽复杂震荡信号的目的。

2 计层数起爆炸点控制模拟实验设计

2.1 系统组成

多层侵彻引信计层数炸点控制模拟实验系统包括：侵彻引信控制器,使用与待测引信匹配的接口,给待测引信供电、闭锁充电、解除保险指令,与待测引信装定通信,告知引信目标特性,预先设定起爆方式[6]；某实验引信,作为被检测对象；多次冲击装置,用于对引信进行冲击；上位机,通过PXI采集卡采集模拟侵彻过程的加速度信号以及引信的发火信号,用于检测和验证。

2.2 系统工作流程

模拟实验系统工作框图如图2所示,其基本工作原理是利用连续冲击装置在短时间内（毫秒级）连续冲击待测引信,模拟引信在侵彻多层靶板时受到的冲击加速度过载,引信在识别出指定次数的冲击过程（模拟指定层数的靶板）后发出发火信号。

图1 计层起爆控制流程图Fig.1 Flow diagram of layer-count detonation control

图2 模拟实验系统框图Fig.2 Block diagram of simulation system

工作过程如下：侵彻引信控制器发出启动与初始化指令,并对引信完成工作模式以及关键参数装定,然后引信被多次冲击装置在短时间内连续进行冲击,以模拟多层侵彻过程的运动状态,此过程中引信受到类似于多层侵彻过程加速度特征的冲击,这对于含有机械运动部件（如惯性开关）的引信是极为重要的。引信传感器采集到的加速度信号会被PXI采集卡实时采集下来,发火信号会在模拟实验结束后通过回读装置上传到上位机中进行分析。

3 多层侵彻过程加速度过载模拟

3.1 多层侵彻过程加速度信号分析

在多层侵彻过程中,比如侵彻楼层时,多层目标中每一层的厚度相对于侵彻机场跑道等单层目标（半无限厚目标）的厚度来说较薄,一般只有200～300 mm[7]。按照经验公式,弹体侵彻多层目标时承受到的加速度大小与弹丸的质量呈反比,与弹丸的直径平方呈正比,与弹丸的速度平方呈正比。弹体侵彻单层靶板加速度过载峰值大小范围约为20 000～50 000 g,持续时间通常在300 μs左右。图3所示为某次靶场试验回收所得引信侵彻3层混凝土靶板的加速度数据。实验条件为C30混凝土,弹体质量50 kg,弹速800 m/s.第1个平缓波形为发射过载,后面依次是3层靶板侵彻过载以及回收靶侵彻过载。

放大后的弹体侵彻3层靶板过程加速度曲线如图4所示。观察图4可以得到,多层侵彻过程的加速度曲线特征为：可明显观察到若干个（3个）曲线尖峰,峰值大小呈降低趋势,曲线尖峰间的间隔时间呈增大的趋势.图4中间隔时间为4.2 ms和4.7 ms.

图3 实测侵彻加速度曲线Fig.3 Measured penetration acceleration curve

图4 侵彻3层靶板加速度曲线Fig.4 Acceleration curve of penetration into a three-layer target

针对第1层靶板侵彻过程的加速度信号,设计了侵彻策略判断分析实验,采用入靶、出靶阈值-4 000 g作为触发阈值,按照侵彻策略对侵彻第1层靶板所产生的加速度信号进行入靶、出靶判断,如图5所示。达到触发阈值后连续5个采样周期均满足触发条件则判断为入靶/出靶。

观察图5,提取加速度曲线特征为：曲线变化趋势为下凹形式,峰值为-2.4×104g,曲线半峰值宽度约为200 μs,过零宽度为300 μs,下降沿/上升沿相对较宽,约达到100 μs,且波动不明显。分析入靶/出靶判断策略,侵彻状态的识别只与加速度曲线下降沿/上升沿的很小一段有关（长度与引信采样周期大小以及判断策略所需周期数有关）,宽度约为30 μs,而与加速度曲线的峰值、以及曲线峰值附近的部分无关。

总结以上分析可得：计层数起爆控制策略所关注的加速度信号是具有连续多个尖峰,曲线下降沿与上升沿宽度达到一定宽度（约为30 μs）,且此有效宽度波动变化较为平缓特征的信号。

图5 实测加速度曲线侵彻状态判断Fig.5 Determination of penetration status from measured acceleration curve

3.2 多次冲击过程加速度过载获取

利用冲击过程模拟侵彻加速度特征,可作为一种有效的实验手段,主要用于检验引信零件结构强度,常见的设备主要有空气击锤、马希特击锤、霍普金森杆实验机等。但这些仪器均无法产生短间隔的多次冲击。

本模拟实验系统获得的连续冲击信号由多次冲击实验机产生。多次冲击实验机是针对某型号多层侵彻引信专门设计、自制的,基本原理是利用短时间内的多次冲击过程模拟多层侵彻过程的加速度过载特征,能够在5～20 ms间隔内对质量1 kg引信体产生4 000～15 000 g加速度大小的连续冲击,利用PXI高速采集卡实时对引信的加速度信号采集到的多次冲击加速度信号如图6所示。

图6 多次冲击信号Fig.6 Repeated impulse signal

图6所示情况为实验机对引信体进行了3次冲击,产生较多波形起伏的原因是引信装夹装置在撞击过程中的振荡所致。振荡所产生的加速度曲线波动与引信质量大小、冲击速度大小以及缓冲措施有关。

将图6所示的连续冲击过程中的第2次冲击峰值放大后显示如图7,结合数据文件可以看出,采用撞击形式,产生的加速度信号,峰值达到10 000 g,脉宽达到200 μs.

图7 单次冲击信号Fig.7 Single impulse signal

3.3 冲击过程加速度侵彻状态判断

针对图7所示单次冲击过程的加速度信号,根据多层侵彻起爆控制的层数识别策略,设计了侵彻策略判断分析过程,采用入靶、出靶阈值-4 000 g作为触发阈值,按照侵彻策略进行入靶、出靶判断,如图8所示。达到触发阈值后连续5个采样周期均满足触发条件则判断为入靶/出靶。

观察图8,提取加速度曲线的特征为：曲线变化趋势为下凹形式,峰值为10 000 g,曲线半峰值宽度约为200 μs,过零宽度为300 μs,下降沿/上升沿相对较宽,约达到100 μs,且波动变化不明显。

通过对加速度曲线特征参数的分析,撞击过程的加速度曲线的变化趋势与实际侵彻过程是近似的,在多层侵彻计层数策略中,对于采用下降沿和上升沿形式判断入靶与出靶的引信来说,撞击过程的加速度曲线变化趋势是可以被识别出来的,因此,撞击过程是模拟侵彻过载过程比较有效的实验办法。

经过同样的分析,振荡波形也满足计层算法所要求层数识别特征,也可以用来模拟层数信号。

4 实验

图8 实验曲线侵彻状态判断Fig.8 Determination of penetration status from experimental acceleration curve

采用某多层侵彻引信进行了计层数炸点实物模拟发火起爆实验。将引信内部的加速度传感器信号以及发火信号引出,使用PXI采集卡采集。实验设定入靶、出靶阈值设定为-4 000 g,穿透第5层靶板后,延迟2 ms引信发出发火信号。实验采集到的曲线如图9所示。图中一共进行了7次冲击过程,其中每次冲击过程包含3次加速度峰值（第1次冲击过程的加速度信号由于信号采集过程中设置了正延时触发的原因没有被采集下来）。

图9 实验曲线Fig.9 Experimental curve

5 结论

本实验装置最大的特色是可将引信按照实弹打靶的形式进行检测,无需对引信进行拆解（为保证安全起见,雷管等爆炸物会被拆除,替换成相应的电阻以及配重）以及信号注入（模拟侵彻信号或实测数据）,实验步骤也完全按照引信实际工作过程进行,可较全面地检测引信起爆控制算法的准确性、机械部件的运动准确性、工作时序的正确性等。

作为一种新型的实验手段,模拟实验还存在一定不足,如过载峰值不够高（实测侵彻加速度的峰值为30 000～50 000 g,而模拟实验装置目前只能产生最大15 000 g的加速度）,无法模拟侵彻多层靶板信号的黏连现象以及侵彻过程中弹体的振荡对引信实测数据的影响等,还需要进一步的研究以及试验论证。

（References）

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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

武器装备预先研究项目（51305060203）

满晓飞（1986—）,男,博士研究生。E-mail：manxiaofei@163.com；张合（1957—）,男,教授,博士生导师。E-mail：hezhangz@mail.njust.edu.cn