机电触发引信高可靠性擦地炸接电开关

曹苏雅拉图，王雨时，宝图雅,马存立

(1.内蒙动力机械研究所，内蒙古 呼和浩特 010010；2.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094；3.内蒙古航天红岗机械有限公司，内蒙古 呼和浩特 010076)



机电触发引信高可靠性擦地炸接电开关

曹苏雅拉图1，王雨时2，宝图雅3,马存立1

(1.内蒙动力机械研究所，内蒙古 呼和浩特 010010；2.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094；3.内蒙古航天红岗机械有限公司，内蒙古 呼和浩特 010076)

针对传统擦地炸开关结构复杂、作用率不高的问题，提出了机电触发引信高可靠性擦地炸接电开关，该开关由开关体、惯性球、接电套、开关簧、簧套组成，具有结构简单、可靠性高等特点。减小开关零件间摩擦系数，增大开关体锥角、接电套锥角和惯性球质量，降低开关簧抗力均有利于提高擦地炸接电开关接电动作正确性。试验验证表明，该擦地炸接电开关能够满足弹道安全性、钝感度要求，擦地炸作用率达98.6%以上，可以为擦地炸接电开关设计提供借鉴和参考。

机电引信；可靠性；仿真；擦地炸机构；触发引信

0 引言

通常单兵火箭射角很小，要求其引信在未直接触碰目标时，靠弹丸的擦地作用也能可靠发火，这对提高目标毁伤效能、减少哑弹意义重大。因此其引信设计时，应在满足瞬发度要求的前提上，有效解决引信钝感度、弹道安全性与擦地发火作用正确性之间的矛盾。

文献[1]分析了美国子弹引信M230采用的惯性锤式万向触发机构的触发灵敏度及其影响因素，文献[2]研究了与文献[1]相同的万向触发机构，建立了机构动力学模型，但该惯性锤式万向触发结构复杂，所需的空间大。文献[3]披露了某大口径滑膛炮破甲弹弹底机电触发引信滚动钢珠惯性体擦地炸接电开关结构(其中滚动钢珠用来变滑动运动为滚动运动从而减小摩擦)，分析了引信对3 mm厚胶合板钝感度和对地触发灵敏度，并进行了擦地炸性能试验验证，但其擦地炸作用率只达到了90%。文献[4]中介绍了引信经典侧击球式侧击针刺发火机构和侧卡板式侧击针刺发火机构结构原理，其结构所需的空间较大，且擦地炸作用率也不高。上述文献中的擦地炸机构均存在结构复杂、擦地炸作用率不高的问题。本文针对此问题，提出了机电触发引信高可靠性擦地炸接电开关。

1 结构与工作原理

为了提高机电触发引信擦地炸作用率，设计了高作用可靠性、小体积机电触发引信擦地炸接电开关，如图1所示。该开关由开关体、惯性球、接电套、开关簧、簧套等组成。

图1 机电引信擦地炸接电开关结构Fig.1 Construction of graze burst switch of electromechanical contact fuze

其工作原理如下：从装配至发射后外弹道飞行阶段，由于受开关簧抗力的作用接电套始终处于装配状态，即接电套与接电筒(未画出)互不接触处在断路位置。在外弹道飞行时，开关簧抗力大于接电套部件(接电套、簧套、惯性球和开关簧)所受的爬行力和章动力，保证了弹道安全。在外弹道上未命中目标而以擦地方式落地时，弹丸擦地产生的侧向碰击力会使接电开关中的惯性球沿斜面径向运动迫使接电套压缩开关簧，并克服接电套等零件侧向惯性力所产生的摩擦力而与接电筒接触，即惯性接电触发开关导通，引信发火。该开关相比传统的擦地炸机构，具有结构简单、作用可靠性高、体积小等优点。

2 动态特性分析

2.1 弹道环境

[4—6]，计算得某单兵火箭弹章动过载系数2.7，爬行过载系数0.6，钝感度试验时最大前冲过载系数161.8。

2.2 弹丸擦地作用时接电触发开关接电套运动数学模型

在此只考虑最不利情况即惯性球只受横向(垂直于弹轴)过载作用和惯性球平动，不考虑轴向前冲过载和惯性球转动。取惯性球作为研究对象，分析其起动时刻受力，如图2所示。假设接电开关和惯性球同轴，接电开关轴线与弹丸(引信)轴线平行。取惯性球球心为坐标原点O1，X1轴沿弹丸飞行方向，Y1轴与弹丸横向过载方向共线。O1X1Y1为直角坐标系，Y1轴指向由右手法则确定。该坐标系为固连于弹丸(引信)的非惯性参考坐标系，随弹丸作平动和转动(在此指章动)。

图2 惯性球起动时刻受力Fig.2 Force of inertia ball to start the moment

惯性球起动时刻受开关体对惯性球的支反力N1、接电套对惯性球的支反力N2、开关体对惯性球的摩擦力F1、接电套对惯性球的摩擦力F2和惯性球横向惯性力Q1。

再取接电套和簧套合件作为研究对象，分析其起动时刻受力，如图3所示。

图3 接电套和簧套合件受力Fig.3 Force of electrical connection set with spring set

假设弹丸(引信)、接电开关与接电套(簧套)合件轴线平行。取接电套和簧套合件质心O2为坐标原点。X2轴沿弹丸飞行方向，Y2轴与弹丸横向过载方向共线，O2X2Y2为直角坐标系，Y2轴方向依右手法则确定。该坐标系为固连于弹丸(引信)的非惯性参考坐标系，随弹丸作平动和转动(在此指章动)。

接电触发开关的动力学方程为：

式中，f1为惯性球与开关体间(硬钢对黄铜)的摩擦系数；f2为惯性球与接电套间(硬钢对硬钢)的摩擦系数；f3为接电套与开关体间(硬钢对黄铜)的摩擦系数；m1为惯性球质量(在此为0.26×10-3kg)；m2为接电套、簧套和开关簧等效质量(在此为0.51×10-3kg)；k为横向过载系数。α为开关体锥角(在此为90°)；β为接电套锥角(在此为90°)；h为开关簧自由高度(在此为8×10-3m)；h0为开关簧装配高度(在此为5.78×10-3m)；R为开关簧刚度，Rj为开关簧检验抗力(在此为1.8 N)；hj为开关簧检验高度(在此3.5×10-3m)；

在接电套和簧套合件的运动初始状态t=0时刻，有

此为上式的求解初始条件。

2.3 接电触发开关接电性能影响因素分析

根据上述接电触发开关的动力学方程，采用MATLAB程序编程，分析其各设计参数对接电性能的影响。

2.3.1 碰击过载系数k影响

弹丸战斗部擦地时，碰击不同目标产生的不同过载会影响接电触发开关的接电性能。如图4所示为假设接电触发开关其它条件相同情况下对应不同过载系数，接电套接电行程随时间的变化曲线。

弹丸横向碰击过载系数越大，接电套的接电行程也越大，接电开关的接电性能就越好，接电套的接电行程与弹丸横向碰击过载正相关。这意味着射击试验时侧向碰击硬目标会有助于提高引信万向发火触发灵敏度。

2.3.2 开关簧刚度R影响

画出开关簧刚度对接电性能的影响曲线可得，开关簧刚度越小，接电套的轴向行程越大，接电性能也就越好。为了提高触发灵敏度可适当减小开关簧刚度，但在外弹道飞行时，开关簧刚度设计首先应保证开关簧推力大于接电套、钢球和簧套等部件所受的爬行力和章动力，以保证弹道安全。设计时适当提高开关簧刚度可有效提高钝感度性能。

2.3.3 惯性球质量m1影响

画出惯性球质量对接电性能的影响曲线可得，钨合金材质惯性球接电性能最好，惯性球质量越重越有利于发火，惯性球质量越重越有利于接电开关闭合。为了提高触发灵敏度可适当提高惯性球质量。但由于要满足钝感度要求，所以不能随意增大惯性球质量。另一方面，为了提高引信钝感度性能，在满足触发灵敏度的前提下，可适当减小惯性球质量。

2.3.4 接电套、簧套和开关簧等效质量m2影响

画出接电套、簧套和开关簧等效质量对接电性能的影响曲线可得，接电套、簧套和开关簧的等效质量越轻，接电套的轴向行程越大，越有利于提高接电性能。接电套、簧套和开关簧的等效质量相比惯性球质量对接电性能影响更明显。适当降低该等效质量可有效提高触发灵敏度，反之亦然。

2.3.5 开关体锥角α影响

画出开关体锥角对接电性能的影响曲线可得，开关体锥角变大，接电套的轴向行程会变大，而接电性能会变好，因此为了提高触发灵敏度可适当提高开关体锥角。在满足触发灵敏度的前提下，降低开关体锥角可提高钝感度性能。

2.3.6 接电套锥角β影响

画出接电套锥角对接电性能的影响曲线可得，接电套锥角变大，接电套的轴向行程会变大，接电性能会变好。相同条件下，接电套锥角相比开关体锥角对接电性能影响更明显。为提高触发灵敏度或降低钝感度要求可适当增大接电套锥角。

2.3.7 惯性球与开关体间摩擦系数f1影响

画出惯性球与开关体间摩擦系数对接电性能的影响曲线可得，惯性球与开关体间摩擦系数越小，接电套接电行程就越大，就越有利于接电开关闭合。适当增大惯性球与接电套间的摩擦系数可提高钝感度性能，适当减小惯性球与接电套间的摩擦系数可提高触发灵敏度。

2.3.8 惯性球与接电套间摩擦系数f2影响

画出惯性球与接电套间摩擦系数对接电性能的影响曲线可得，惯性球与开关体间摩擦系数越小，接电套的接电行程就越大，越有利于提高接电性能。因此，适当减小惯性球与接电套间摩擦系数可提高接电性能，而适当增大摩擦系数则可改善钝感度性能。

2.3.9 接电套与开关体间摩擦系数f3影响

画出接电套与开关体间摩擦系数对接电性能的影响曲线可得，接电套与开关体间摩擦系数越小，接电套的接电行程就越大，越有利于提高接电性能。因此，适当减小惯性球与接电套之间的摩擦系数可提高接电性能。接电套与开关体之间的摩擦系数相比惯性球与开关体之间的摩擦系数以及惯性球和接电套之间的摩擦系数，对接电触发开关的接电性能影响更明显。

3 试验验证

根据上述分析结论优化设计了擦地炸惯性触发接电开关。该引信射击验证试验结果如表1所列。结果表明，引信能够满足弹道安全性、钝感度和擦地炸作用率要求。

表1 射击验证试验结果

4 结论

本文提出了机电触发引信高可靠性擦地炸接电开关，该开关由开关体、惯性球、接电套、开关簧、簧套组成，具有结构简单、可靠性高等特点。减小开关零件间摩擦系数，增大开关体锥角、接电套锥角和惯性球质量，降低开关簧抗力均有利于提高擦地炸接电开关接电动作正确性。

试验验证表明，该擦地炸接电开关能够满足弹道安全性、钝感度要求，擦地炸作用率达98.6%以上。可以为擦地炸接电开关设计提供借鉴和参考。

参考文献:

[1]王华，宋丽萍. 万向着发机构灵敏度及影响因素分析[J]. 太原机械学院学报，1992，13(3): 221-224.

[2]谭惠民，王玉杰，李芝绒. 子弹引信万向着发机构动力学分析[J]. 北京理工大学学报，1994，14(4): 391-398.

[3]安晓红，顾强，张亚，等. 机电引信擦地炸惯性发火机构设计与分析[J]. 弹箭与制导学报，2010，30(3): 85-87.

[4]《引信设计手册》编写组. 引信设计手册[M]. 北京: 国防工业出版社，1978.

[5]高世桥, 王宝兴. 截锥形弹低中速贯穿薄靶板时的动力分析与计算[J]. 应用数学和力学, 1986, 7(11): 1033-1038.

[6]王雨时, 张德智, 曹纯柱. 触发引信防雨试验的等效靶板模拟[J]. 沈阳工业学院学报, 1994(3): 27-37.

A High Reliability Graze Burst Switch of Electromechanical Contact Fuze

CAO Suyalatu1, WANG Yushi1, BAO Tuya3, MA Cunli2

(1. Dynamic Machinery Institute of Inner Mongolia, Hohhot 010010； 2. School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China；3. Inner Mongolia Aerospace machine Corporation, Hohhot 010076, China)

For the problem of complex structure and low reliability of traditional graze burst switch, a high reliability graze burst switch of electromechanical contact fuze was proposed. The switch composed by the switch body, inertia ball, wiring sets, spring, spring sets, which has the characteristics of simple structure and high reliability. By reducing the coefficient of friction between parts, increasing the switch body cone angle, cone angle of electrical connection sets and the quality of inertial ball, lowering the resistance of switching spring, the validity of electric connectionwas improved. The test results showed that the graze burst switch could satisfy insensitivity requirement and ballistic safety requirement.The graze burst action efficiency was more than 98.6%.

electromechanical fuze; reliability; simulation; grazing impact mechanism; contact fuze

2016-02-15

曹苏雅拉图(1986—)，男，内蒙古科尔泌人，硕士，工程师，研究方向：机电引信技术。E-mail:cao.suya@163.com。

TJ432.2

A

1008-1194(2016)05-0027-04