引信体外射频电源供电控制方法

常　悦，李　杰，周晓东

(1.北京理工大学机电学院，北京 100081；2.解放军63961部队，北京 100012；

3.军械工程学院弹药工程系，河北 石家庄 050003)



引信体外射频电源供电控制方法

常悦1，2，李杰1，周晓东3

(1.北京理工大学机电学院，北京 100081；2.解放军63961部队，北京 100012；

3.军械工程学院弹药工程系，河北 石家庄 050003)

摘要:针对引信体外射频电源的供电控制问题，提出了基于发射后坐过载传感器的引信体外射频电源供电控制方法。该方法采用后坐过载传感器，通过弹簧约束切刀并在后坐过载作用下切断导体的方式识别发射环境，并控制供电电路通断，实现引信体外射频电源在出炮口附近对发火控制与起爆电路供电；在引信装定时检测传感器导体的通断，提高引信体外射频电源供电安全性。原理样机验证试验结果表明，该方法能够控制引信体外射频电源仅在出炮口附近对发火控制与起爆电路供电，发射过载传感器与上电控制电路简单、易于小型化。

关键词:引信；体外射频电源；供电控制；电磁感应装定

0引言

为提高小口径武器系统作战效能，小口径弹药引信向可编程、电子化、灵巧化方向迅速发展，迫切需要小型化、快激活、激活时间散布小的引信电源。

基于电磁感应装定的引信体外射频供电技术为小口径引信提供了一种新型电源系统[1-2]。引信体外射频电源属于内储能，在发射前通过装定器为其感应储电；而引信发火控制与起爆电路需在发射后启动，即引信体外射频电源必须在发射后才可为引信发火控制与起爆电路供电，否则存在安全性隐患[3]。因此，供电控制是引信体外射频电源的关键技术。但是，目前引信体外射频电源技术研究主要侧重于提高储能电容充电效率或工作效率，而未涉及上电控制[4-6]。本文针对此问题，提出了基于发射后坐过载传感器的引信体外射频电源上电控制方法。

1引信体外射频电源

如图1所示，发射前，装定器通过DC/AC逆变电路，将直流电源逆变为高频交流电，并驱动装定感应线圈。根据电磁感应原理，引信感应线圈端产生感应电动势，经整流后感应能量储存至储能电容。发射后，供电控制电路在发射环境激励作用下启动，储能电容与引信工作电路导通，经稳压电路(DC/DC或LDO)后，为引信电路供电，包括发火控制系统的工作电能和第一级火工品的起爆能量。

图1　引信体外射频技术的工作原理Fig. 1　Schematic diagram of the fuze externally RF power

电源和装定模块均是现代电子引信不可或缺的功能部件，且引信体外射频电源与感应装定系统均利用线圈间的电磁耦合实现能量和信息的非接触传输，因此，两者构成了一个密不可分的整体，称为引信体外射频电源与感应装定系统，其结构如图2所示。

图2　引信体外射频电源与感应装定系统的原理图Fig.2　Configuration of fuze inductive setting and externally RF power system

装定过程中，储能电路充电，并通过装定稳压电路为引信装定电路供电；引信装定电路上电后，接收和存储装定数据，并向装定器反馈装定结果；但释放机构处于断路状态。发射后，供电控制电路在发射环境激励作用下导通，储能电路经供电控制电路、稳压电路为引信发火控制与起爆电路供电；引信发火控制与起爆电路读取引信装定电路的装定数据，并根据装定数据选择作用模式和起爆时间，适时起爆战斗部。

2供电控制电路

2.1工作原理

引信体外射频电源供电控制电路是利用发射环境信息控制储能电容释放电能时机的开关控制系统。如图3所示，发射环境传感器感知特定的环境信息，将其转换为电信号，控制器提取该电信号的特征值，并根据预定条件输出控制信号，驱动执行器，使储能电容和稳压电路导通。如引信发火控制系统和引信起爆电路需分别上电时，则采用时序控制和并行执行器方式。

图3　供电控制电路工作原理图Fig.3　Schematic diagram of the fuze externally RF power supply control circuit

2.2发射环境传感器

为保证引信安全性，引信发火控制与起爆电路必须在发射后才可上电工作；另一方面，引信发火控制与起爆电路通常以其上电启动时刻作为计时起点。因此，为提高引信安全性和炸点控制精度，引信体外射频电源的最佳供电时机是出炮口瞬间。则发射环境传感器应以内弹道独有的环境或者环境激励水平作为输入信号，通常包括发射后坐过载、离心力、火药燃气压力等。但离心力只存在于旋转稳定弹，而利用火药燃气压力需在弹体尾部开孔，降低了储存可靠性。

勤务处理过程中，除跌落与撞击产生的惯性力Fq外，其他的惯性力远小于发射后坐力Fs，而Fq持续时间Tq远小于发射后坐力Ts的持续时间[7]。因此，本文以后坐发射过载作为供电控制机构系统的环境激励。

后坐发射过载环境传感器的工作原理及实物图如图4所示。勤务处理过程中，切刀在弹簧抗力的作用下限制在预定位置，与导体不接触，AB端短路；发射过程中，当发射过载大于弹簧抗力，切刀迅速后坐，切断导体；出炮口后，发射过载消失，切刀上移复位，AB端断路。

设m为切刀质量；K为弹簧刚度；λ0为弹簧的预压变形量；g为重力加速度；Kx表示引信的后坐冲击过载系数；l为切刀的最大行程。由动力学方程可知

(1)

则

x=A(1-cosωt)

(2)

其中

(3)

(4)

在后坐力作用下，切刀最大行程对应的时间

(5)

要保证勤务处理安全，由式(2)、式(5)可知

Fq=Kxmg

(6)

且

(7)

同理，要保证发射过程中可靠切断导体，有

Fs=K1mg>K(λ0+l)+Pt

(8)

且

(9)

式中K1为引信发射最大后坐过载系数，Pt为导体剪切力。

由式(5)—式(9)可知，在Fq、Fs(K1)一定时，传感器可通过调整弹簧刚度K和压缩行程l，亦可适当调整切刀质量m和导体剪切力Pt，识别发射环境。

2.3电路实现

基于发射后坐过载环境传感器的引信体外射频电源供电控制电路的工作原理如图5所示。储能电容C1等效于引信体外射频电源，发射前，通过装定器充电；C2为引信电路储能电容，VOUT经DC/DC转换后，为引信电路提供工作电压；U1为发射后坐过载环境传感器。发射前U1短路，PMOS管Q1的栅、源端电压VGS为0，Q1漏极和源极关断，则VIN和VOUT间断路。在发射后坐载荷作用下，U1断开，VGS为VIN经R2、R3反向分压，Q1漏极和源极导通，VIN经D1、Q1和R1为C2充电。

图5　基于发射后坐过载环境传感器的供电控制电路Fig.5　Supply control circuit of fuze externally RF power based on firing recoil acceleration sensor

2.4供电控制电路安全控制逻辑

由图5所示可知，当U1导通时，VGS=VIN；反之VGS≈0.66VIN，因此检测VGS幅值大小可以检测U1的状态。

根据引信体外射频电源工作原理可知，只要U1断路，VIN与VOUT导通，引信工作电路即上电工作。因此，为提高引信安全性，避免发射前引信电路上电启动，应在发射前对U1状态进行检查，如图6所示，发射前，完成装定后检测VGS幅值大小，如VGS不等于VIN，则判定发射后坐过载环境传感器故障，引信转入绝火状态；如VGS等于VIN，则发射前发射后坐过载环境传感器处于正常的短路状态，当发射过载使其断开后，引信发火控制电路上电工作，根据装定数据选择作用模式和起爆时间，适时起爆战斗部。

图6　供电控制电路安全控制逻辑Fig.6　Logic diagram of safety control with fuze externally RF power supply control circuit

3验证试验

根据上述引信体外射频电源供电控制原理，以某榴弹发射器预制破片弹为应用平台，设计了基于引信体外射频电源的电子时间引信和引信感应装定器的原理样机，分别如图7、图8所示。引信电路由起爆电路、引信体外射频电源和发火控制电路等三层电路组成。该样机采用手工感应装定方式，弹药装填前，通过装定器为引信装定起爆时间，并对引信体外射频电源层的储能电容感应充电。发射后，发射后坐过载传感器在后坐过载的作用下，处于断路状态，储能电容与发火控制电路、起爆电路导通，为其供电。

储能电容由3个100 μF/25 V钽电容并联组成，装定起爆时间2.7 s。利用马希特锤模拟发射环境，测试波形如图9和图10所示，其中图9为引信体外射频电源充电阶段的放大波形，图10为引信体外射频电源供电阶段的放大波形，信号从上而下分别对应为起爆信号、储能电容端电压波形和后坐过载传感器端电压(即供电控制信号)。

图7　应用体外射频电源的引信原理样机Fig.7　Photo of fuze prototype with externally RF power

图8　引信感应装定器原理样机Fig.8　Photo of fuze inductive setter prototype

图9　引信体外射频电源充电阶段信号波形Fig.9　Signal during the externally RF power charging

图10　引信体外射频电源供电阶段信号波形Fig.10　Signal after the externally RF power activated

由图9可知，信息装定过程中，同步完成了能量装定，储能电容充电，710 ms处充到最大电压12 V，即引信体外射频电源充电阶段。引信与装定器分离后，由于供电控制电路的隔离作用，引信发火控制电路和起爆电路未上电工作。

由图10可知，当后坐过载传感器在后坐过载作用下断开，端电压从3 V降至0 V附近时，引信发火控制电路和起爆电路上电工作，计时器启动，计时2.7 s后输出起爆信号。

4结论

本文提出了基于发射后坐过载传感器的引信体外射频电源供电控制方法。该方法采用后坐过载传感器，通过弹簧约束切刀并在后坐过载作用下切断导体的方式识别发射环境，并控制供电电路通断，实现引信体外射频电源在出炮口附近对发火控制与起爆电路供电；在引信装定时检测传感器导体的通断，提高引信体外射频电源供电安全性。原理样机验证试验结果表明，该方法能够控制引信体外射频电源仅在出炮口附近对发火控制与起爆电路供电，从而解决了引信体外射频电源的供电控制问题；发射过载传感器与上电控制电路简单、易于小型化。但该方法仅利用发射后坐过载作为控制激励，为提高引信安全性，应进一步研究利用多种发射环境激励的引信体外射频电源上电复合控制方法。

参考文献:

[1]周晓东，张河.引信体外射频电源技术研究[J].南京理工大学学报，2002，34(2)：148-150.

[2]周晓东.引信能量和信息非接触传输系统设计理论及其应用研究[D].南京：南京理工大学，2005.

[3]GJB373-98引信安全性设计准则[S].北京：总装备部军标出版发行部，1998.

[4]吴志亮，张合.小口径感应储能引信低功耗设计[J].弹道学报，2010，21(1):91-94.

[5]吴志亮，张合.小口径引信膛内感应储能磁场穿透特性[J].兵工学报，2010，31(10):1310-1315.

[6]李长生，张合，查冰婷.引信无线供电系统电磁耦合结构外围金属介质涡流损耗分析[J].南京理工大学学报，2011，35(3): 347-351.

[7]GJB/Z 135-2002引信工程设计手册[S].北京：总装备部军标出版发行部，2002.

Externally RF Power Supply Control Technology for Fuze

CHANG Yue1,2, LI Jie1, ZHOU Xiaodong3

(1.School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China;2.No.63961 Unit of PLA, Beijing 100012, China; 3.Ammunition Engineering Department,Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract:To control the power supply of the externally RF power for fuze, the supply control method of the externally RF power for fuze based on the launch recoil overload sensor was proposed. The launch recoil overload sensor could distinguish the difference environment between ammunition service and ammunition launch, and generated the control signal to switch on the circuit of power supply of the externally RF power, when the cutter cut off the wire by the pull of recoil, which was hold upper by spring. To avoid false detonation, the state of wire was checked during fuze setting, and the control and detonate circuit of fuze became short-circuit if the wire was broken before launch. The prototype test results showed that the externally RF power was discharged and the control and detonate circuit of fuze begins to start-up just during muzzle with the supply control method. The sensor and control circuit had advantages of simple and easily miniaturization.

Key words:fuze；fuze externally RF power；supply control；inductive setting

中图分类号:TJ430.1

文献标志码:A

文章编号：1008-1194(2016)01-0024-04

作者简介:常悦(1980—)，女，辽宁锦州人，博士研究生，研究方向： 引信和战斗部总体技术。E-mail:Changyue@sina.com。

*收稿日期:2015-11-03