随机起爆子母弹引信数据无线装定系统设计*

彭志凌,赵河明,吕海峰

(中北大学机电工程学院,太原　030051)



随机起爆子母弹引信数据无线装定系统设计*

彭志凌,赵河明,吕海峰

(中北大学机电工程学院,太原030051)

摘要:为了实现随机起爆子母弹引信超近距一点对多点的数据装定,根据电磁感应原理,建立了子-母通信模型,设计了母弹发射单元、子弹引信接收与控制单元;通过对无线数据装定系统仿真和无线感应供电与无线数据传输过程实验,表明利用电磁感应设计的随机起爆子母弹引信数据装定系统能够完成预定的功能。

关键词:子母弹引信;随机起爆;无线数据装定

0引言

随机起爆时间可控的子弹引信是封锁弹药的控制核心,引信数据装定技术决定弹药的封锁效能。文中开展近距电磁感应原理来实现随机起爆时间控制的数据装定技术研究。

20世纪90年代后期开始,将计算机技术、数字电路和模拟电路有机结合,开展了新一代电子时间引信和装定器的研制,定时精度和功能得到进一步增强,增加了时间修正电路,进一步提高了引信的作用精度,很大程度提高了战斗力[1-2]。我国对引信中随机数的产生技术、装定技术等关键技术也进行了一些有益的探讨,目前在小口径子弹药方面还没有相关产品的报道资料[3]。

按照装定技术分类,电子时间引信有电磁感应装定、射频装定、光学感应装定、X射线装定和超声装定等多种装定形式[4-7]。电磁感应装定通过电磁、磁电变换来传递信号,次级感应线圈相距很近,不易受外界干扰,装定过程较为稳定、可靠。而且装定头与引信体没有机械触点,可靠性高。通过感应能量传递实现引信无能源装定,因而在国外引信中得到了广泛应用[8-10]。因此文中采用电磁感应原理来实现无线数据装定。

1无线数据装定系统工作原理

在抛撒之前,子弹存放在母弹的弹体之中,母弹引信与子弹引信之间的距离很近,其结构原理如图1所示,所以采用电磁感应原理实现子-母通信。发射线圈与母弹引信相联,采用细长、密绕螺旋的形式,由母弹引信进行控制;接收线圈与子弹引信相联并受其控制。发射线圈与接收线圈之间形成的电磁场作为随机起爆时间域信息的传输媒介,信号被加载其中并通过两线圈的电磁感应进行传输。

图1　子母弹原理结构图

初始条件下,每一枚子弹都装定了在封锁(也称标准时间域)T0内的随机起爆时间t0。通过外部接口可以将子弹随机起爆时间域信息传输给母弹引信;母弹引信按照预先设定的程序自动将此信息传输到每一个子弹引信之中,实现了一枚母弹引信对多枚子弹引信的数据传输和控制。

当第N个子弹装定了在封锁T0内的随机起爆时间为tn时,当随机起爆时间域改变时,第N个子弹在新的时间域内的随机起爆时间tn′可由引信中的微处理器根据下式得出。

(1)

封锁时间的精度要求较高,标准时间域T0取值较小;反之,标准时间域T0取值可以大一些。在本设计之中,T0取值为10 min,N0为一个八位二进制数,取值从0到255,则封锁时间域为:从10 min到2 550 min。当N0为0时,此弹药一旦解除保险就马上起爆,基本无延时;当N0为255时,弹药在2 550 min内随机起爆。此系统的封锁时间误差为T0。

2无线数据装定系统的建模分析与设计

1)建立模型的假设条件

为了简化分析过程,由螺线管电磁场特性可做如下假设:

①有限长密绕螺线管可以等效为条形磁铁;

②有限长密绕螺线管内外磁通量大小相等;

③密绕通电螺线管的外磁场都被限制在螺线管外壁与壳体内壁所构成的空腔内。

2)通过接收线圈的磁通量

在此子母弹的空腔内,由于通电螺线管的磁力线都被限制在空腔内,空腔外部无磁场。

图2　通讯系统截面图

子母弹弹体截面如图2所示,因此可以得到通过接收线圈的磁通量的通用表达式:

(2)

实验中所采用的参数为:螺线管半径r0=7.5×10-3m;密闭铁容器半径r1=5.25×10-2m;接收线圈两端到螺线管中心的最大与最小距离分别为S1=5.0×10-2m,S0=1.0×10-2m;铜线直径φ铜线=2×10-5m,n=5 000匝;真空磁导率μ0=4π×10-7。

利用数值积分方法的Newton-Cotes求解式(2),可得:

φ=0.032IS

设用削弱因子ξ来定量表示系统总体(包括建立模型本身的固有误差、系统漏磁以及铁磁壳体对磁场的削弱作用等)对螺线管外部磁场的削弱影响,则实际通过接收线圈的磁通量为:

φ′=0.032ISξ

176.8 Ω

3)接收线圈匝数的设计

感应线圈的有效直径为4.0×10-2m,铜线直径φ铜线=0.2×10-4m,当感应线圈为700匝时,代入上式可得空载电动势为3.12 V(峰-峰值),通过加上并联谐振电容,接收端的电动势可达14.8 V(峰-峰值),根据法拉利电磁感应定律并经过实验取感应线圈的匝数为700。

2.2母弹引信发射单元设计

母弹引信发射单元的电路原理如图3所示。当需要改变子弹药随机起爆的时间阈时,通过母弹引信的外部数据装定接口将随机起爆的时间阈信息输入到母弹引信,母弹引信通过电磁感应原理将信息发送给每一枚子弹引信。

图3　母弹发射电路图

2.3子弹引信接收与控制单元设计

随机起爆控制电路是一个相对独立电路,在子弹药完全解除保险后才起作用。无线感应供电与数据接收电路如图4所示。

图4　无线感应供电与数据接收电路的原理图

定时起爆电路的原理如图5所示,其中:K1、K2、K3为控制开关;D1为可控硅,控制起爆电路是否导通;D2是电雷管。

图5　定时起爆电路

此通信系统中,每次传输的数据是一组8位的二进制数,数据传输的时间小于10 ms,单片机获得完整的数据后将其存储在内部非易失存储器之中,此过程需要15～20 ms,因此,储能电容至少需要能够保证单片机系统正常、可靠工作30 ms。

储能电容的能量可由公式E=CU2/2来计算。通过选用不同C值的电容并进行了大量的实验发现,选用220 μF的电容比较合适,因此储能电容选择220 μF的有极性电容。

此储能电容所存储的能量可以使接收模块正常工作近50 ms,大于数据传输与装定所需的30 ms,因此,此无线感应供电系统的设计是合理的,选用220 μF的电容是合适的,能够保证无线接收模块可靠接收并存储数据。

3.2数据传输实验

在实验中,一个发射电路同时对3个接收电路进行数据传输,发射与接收线圈的相对位置如图6所示。

图6　发射与接收线圈的相对位置图

本系统的实验结果如图7所示,其中1信号是接受线圈所获得的信号,2信号是单片机将获得的数据又反馈到输出引脚上的信号,接收信号与输出信号有一位的延时。1信号的第一个大尖峰脉冲是单片机开始工作时引起的震荡,第二个脉冲是线圈接收到的数据传输的启动信号,当检测到此信号时单片机就开始接收数据,以后8位为数据信号。

图7　数据采集实验结果图

在实验中,进行了4组信号的装定,分别为10101010信号、01010010信号、10010010信号和01000010信号,通过检测与比较单片机的反馈输出信号可知,所设计的系统能够实现8位数据的装定。

4结论

文中在分析子母弹数据装定系统工作原理的基础上,建立了子-母通信模型,设计了母弹发射单元、子弹引信接收与控制单元,对所设计的数据装定系统的无线感应供电与无线数据传输过程进行了实验,能够完成预定的功能,表明随机子母弹引信数据技术合理。

参考文献:

[1]TANG Zhengnian, SMITH B, SCHILD J H, et al. Data transmission from an implantable biotelemeter by load-shift keying using circuit configuration modulator [J]. IEEE Trans Biomed Eng, 1995, 42(5): 524-528.

[2]KEIL B, KILIAN T. Developing an automatic inductive fuze setter for crusader [C]∥Proc of 44th Annual Fuze Conference, 2000.

[3]王华, 马宝华. 封锁机场多模弹药反排策略与对抗特性分析 [J]. 弹箭与制导学报, 2001, 21(1): 42-46.

[4]杨会军, 丁立波, 张河. 引信静态感应装定系统中的信息双向传输研究 [J]. 探测与控制学报, 2006, 28(2): 6-9.

[5]周晓东, 张河. 用于引信的能量和信息非接触同步传输技术 [J]. 兵工学报, 2003, 24(3): 424-426.

[6]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): 1310-1316.

[7]黄学功, 陈荷娟, 王志新. 炮口高速等离子气体及飞行弹丸对感应装定影响的试验研究 [J]. 兵工学报, 2007, 28(5): 604-607.

[8]顾继慧, 是湘全, 江阳. 提高近距动态电磁感应装置接收灵敏度技术研究 [J]. 兵工学报, 2008, 29(5): 552-556.

[9]CHU Peter C, BUSHNELL Jiliene M, FAN Chenwu, et al. Modeling of underwater bomb trajectory for mine clearance [J]. The Journal of Defense Modeling and Simulation: Applications, Methodology, Technology, 2011, 8(1): 25-36.

[10]HU Yamu, GERVAIS J F, SAWAN M. High Power Efficiency Inductive Link with Full-Duplex Data Communication [C]∥9th International Conference on Electronics, Cireuits and Systems, 2002: 359-362.

*收稿日期:2015-01-31

基金项目:山西省自然科学基金(2013021020-2)资助

作者简介:彭志凌(1976-),男,山西太原人,副教授,博士,研究方向:探测制导与控制技术。

中图分类号:TJ430.33

文献标志码: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