坦克炮弹药共用底火装定能量双向隔离系统设计方法

廖翔， 李豪杰， 张合

(南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094)



坦克炮弹药共用底火装定能量双向隔离系统设计方法

廖翔， 李豪杰， 张合

(南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094)

针对坦克炮、自行火炮信息化弹药膛内实时装定问题，采用共用底火的装定系统对入膛后的弹药进行实时装定。为了解决共用底火装定系统中存在击发能量流与装定能量流对装定回路和击发回路产生影响的问题，建立了能量流双向隔离系统边界条件和隔离系统函数，并通过对函数的参数取值设计了针对特定击发能量类型的隔离系统。试验结果表明，采用该方法得到的隔离系统能够有效地隔离装定能量流和击发能量流，且其对击发能量流的损耗很小。

兵器科学与技术； 坦克炮弹药； 引信装定； 底火回路； 隔离系统

0 引言

为了保证坦克炮、自行火炮信息化弹药发射时实时获取信息的能力，传统装定方法已无法满足弹药对信息获取的实时性要求，需要在膛内弹药发射前对引信实时信息交联[1-2]。现有实时信息交联方法包括感应、共振和射频装定等[3-4]。感应、共振装定由于膛内金属环境的限制，无法布置在膛内，只能布置在弹链上或炮口位置，而弹链装定难以实现对膛内已有弹药装定[5]，而低伸弹道火炮远距离射频装定的抗干扰问题尚未解决[6]，因此需要一种能够对已入膛弹药进行发射时实时装定的装定技术。

目前，入膛后装定技术主要有对火炮炮闩进行改动的美国弹药数据链协议ADL[7]，其通过对炮闩进行改动增加数据链触点实现膛内实时装定，但其需要对炮闩结构进行改动，无法适应对现有火炮和其配用弹药进行信息化改造的需求。为此，需要设计共用火炮原有击发回路的装定系统，而设计的关键问题在于击发通道与装定通道间能量和信息的隔离，需要对共用底火回路有线装定系统击发通道与装定通道间能量和信息的隔离方法开展研究。

在现有的隔离方法设计中，设计者均只考虑针对特定火炮的装定能量对底火发火回路的隔离，并分别设计了瞬态电压抑制二极管(TVS)法和二极管法两种隔离装定能量和底火发火回路的方法[8-9]。TVS法利用击发电压和装定电压的幅值区别，并使用TVS管对装定能量和击发能量进行区分。其设定击发电压大于装定电压，并将TVS管串联入底火击发回路中，从TVS管的阴极引出连接线与引信装定输入端连接。由于装定电压小于TVS管击穿电压，装定能量无法通过其进入底火击发回路，而击发电压大于TVS管击穿电压，击穿TVS导通发火回路。二极管法通过设定装定电压为负，击发电压为正，并将二极管正向串联在底火击发回路中以实现其功能。

上述设计中存在的不足包括：1)仅为针对特定火炮击发系统设计，缺乏通用于不同击发系统的设计方法；2)仅考虑了装定能量对底火回路的隔离，并未对装定能量流和击发能量流进行系统分析，以研究击发能量对装定系统的影响以及上述隔离系统失效的条件下底火回路的安全性。因此，需要研究膛内装定系统能量双向隔离系统设计方法，并利用此方法设计隔离系统。

1 共用底火双向隔离系统原理

膛内隔离系统由能量控制器、击发隔离器和装定隔离器组成，其结构如图1所示。其中能量控制器位于炮上装定系统内部，串接在装定控制器的输出端与炮闩之间，其包括：1)装定功率限制模块，限制装定控制器输出能量，使其小于底火发火系统发火能量；2)能量单向模块，限制能量流方向，只允许能量流从装定系统流出，防止击发能量倒灌入装定控制器导致装定控制器损坏。能量控制器功能示意图，如图2所示。装定隔离器和击发隔离器位于弹药内部，装定隔离器串接于底火触点和弹上装定接收系统之间，击发隔离器则串接于底火触点与底火发火系统之间。二者原理为：装定隔离器从装定能量和击发能量混合流中提取出装定能量流，并使引信相对于底火发火回路对击发能量流呈现高阻态，防止对击发能量的分流导致击发异常，以及防止击发能量流损坏引信；击发隔离器从混合流中提取出击发能量流，防止装定能量流流入底火回路中。击发隔离器和装定隔离器功能示意图，如图3所示。

图2 能量控制器功能示意图Fig.2 Schematic diagram of power control functions

图3 击发隔离器和装定隔离器功能示意图Fig.3 Schematic diagram of firing and setting isolation functions

系统工作过程为：装定控制器在接收到装定指令和装定信息后，将调制过的装定能量输出到能量控制器，能量控制器检测在炮闩处能量流状态，在炮闩处未出现击发能量流的情况下将经过限制的装定能量流传输到炮闩，能量流通过炮闩与底火触点分别到达击发隔离器与装定隔离器，二者分别判断通过底火触点的能量流类型，当装定能量流出现在炮闩时，击发隔离器阻止装定能量流通过，而装定隔离器将装定能量流输出到弹上装定接收系统中，装定接收系统利用装定能量流的能量并从中提取装定信息。当击发能量出现在炮闩时，能量控制器立即阻断装定能量流传输，并隔离装定控制器。击发能量流通过底火触点与击发隔离器到达底火发火系统，引燃底火发射弹丸，装定隔离器可抑制过大的击发能量流通过其传输到弹上装定接收系统中，保护弹上系统不被击发能量损坏。

2 共用底火双向隔离系统模型

2.1 理想双向隔离系统边界条件

假设装定控制器的能量输出无法对击发系统产生影响，则其边界条件要求：1)在回路中未出现击发能量时，在整个装定能量输出过程中到达底火发火系统的能量应当为0；2)当击发出现在回路中时，装定能量应当消失，击发隔离器对击发能量的响应在击发能量输出过程中的积分应当大于可靠发火能量；3)到达装定接收系统的瞬时功率应当小于引信最大安全输入功率；4)到达装定接收系统的能量大于引信最小需求能量；5)通过能量控制器的瞬时功率不能大于底火发火系统的最大安全功率；6)能量无法从击发系统流入装定控制器。

根据边界条件要求得到理想隔离系统边界条件，如(1)式～(6)式所示：

(1)

(2)

Po=fs(g1(Pi)+Pp)≤Ps,

(3)

(4)

g1(Pi)≤Pl,

(5)

g2(Pp)=0,

(6)

式中：0～t1代表装定能量流输出时间段；t1～t2代表击发能量流输出时间段；Pi代表装定控制器输出功率；Pp代表击发系统输出功率；Pf代表到达底火击发系统功率；Po代表到达装定接收模块功率；Ps代表装定接收系统允许的最大输入功率；Es代表装定接收系统需要的最小装定能量；Pl代表底火发火系统的最大安全功率；g1(Pi)为装定功率控制函数，g2(Pp)为能量单向导通函数；ff(Pp)为击发隔离函数，fs(g1(Pi)+Pp)为装定隔离函数。

2.2 双向隔离系统函数实现分析

击发隔离器设计需满足边界条件(1)式和(2)式。其中，(1)式保证在击发能量出现之前击发隔离器断开，(2)式保证从击发隔离器检测到击发能量时刻t1至底火桥丝点燃时刻t2击发隔离器维持导通。满足该条件的击发隔离器如(7)式所示：

(7)

式中：Uj为阈值判别电压；U(t)为能量控制器输出电压；T为U(t)≥Uj的时刻集合；ti为任意U(t)≥Uj的时刻；t0=min(ti)。由(7)式得到的击发隔离器为一电压阈值判别模块，其工作过程为：当U(t)≤Uj时，击发隔离器无输出；当U(t)≥Uj发生时，击发隔离器导通，并维持导通状态直到U(t)=0.

(8)

式中：Ui(t)为装定控制器输出电压，Ui=maxUi(t)；Us为系统最大允许装定电压。当装定控制器输出电压|Ui(t)|<|Is|Rl时，能量控制器输出为装定控制器输出的等比衰减；当|Ui(t)|≥|Is|R1时，能量控制器以IsRl输出。

装定隔离器需满足：边界条件(3)式，击发过程中弹上系统不损坏；边界条件(4)式，装定过程中装定能量供应和装定信息不失真。满足以上条件的装定隔离器如(9)式所示：

(9)

式中:Ul为装定接收系统最大允许输入电压。当U(t)

能量控制器中的能量单向模块需满足边界条件(6)式，能量单向传输。其方法如(10)式所示：

(10)

式中：Ic为能量流换向电流，当I(t)≥Ic时，认为能量流由装定控制器流向炮闩；当I(t)

通过对(7)式～(10)式中的Uj、Is、Ul和Ic进行取值，就可以得到隔离系统的设计实现。如当Uj>0时，击发隔离器为一电压阈值判别器，该判别器通过判断底火触点上的电压值控制其自身导通或关断，其比TVS击发隔离器能量损耗小，且能适应更多的击发能量形式。对于车载系统，当击发电压为车载电压U0=24 V时，可设置Ul>U0，则fs(U(t))=U(t)在装定过程和击发过程中都成立，不需要装定滤波器。此状态下，可设计Ic=0，则能量单向模块为一个正向二极管。

若装定能量Ul和信息ul(t)传输过程中击发能量U0突然出现，则由(7)式U0>Ul>Ul≥u1(t)，击发能量U0占据炮闩并导致(7)式击发隔离器导通，弹丸发射。同时根据(10)式此时Ic满足能量流换向条件，装定控制阀阻断装定控制器与炮闩间能量和信息流，保护装定控制器。因此，当装定信息传输完成后，不需要等待装定能量消失，只需要击发能量出现，弹丸便可发射。若装定信息未传输完成时击发能量出现，则装定失败，弹丸发射并以默认工作方式作用。在实际使用中，需要发射前预留时间窗口保证装定信息传输完成。

3 试验研究

3.1 双向隔离系统隔离效果试验

为了分析隔离系统隔离效果，进行了隔离系统对装定能量流的隔离效果试验，采用电阻值为2.5 Ω的电阻作为底火发火系统模拟负载，测量装定能量传输过程中该电阻两端的电压，对比回路中有无隔离系统时此电压的区别，评价隔离系统对装定能量的隔离效果。

通过试验得到有隔离系统时装定控制器及击发系统输出到底火发火系统上的能量，如图4(a)所示。图4(a)中炮闩输入为装定控制器和击发系统输入到炮闩的能量流电压波形，底火输出为输出到底火击发系统的能量流波形；两波形的前100 ms为装定能量流，100～110 ms为击发能量流。从图4(a)中可以看出，当隔离系统存在时，炮闩输入装定能量流和装定信息流时，输出到底火发火系统的电压为0，隔离系统隔离了装定能量流；当击发能量流输入时，输出到底火发火系统的直流发火电压为20 V. 当隔离系统不存在时，其能量流输入输出如图4(b)所示。图4(b)中炮闩输入为此时输入到炮闩的装定能量流电压值，底火输出为此时输出到底火发火系统的装定能量流电压值，由此可以看出两条曲线几乎完全重合。由于底火发火系统负载很小，触发装定控制器电源打嗝保护，其波形呈现脉冲状态。通过对比图4(a)和图4(b)，当无隔离系统时，装定控制器输出到底火发火系统的功率过大，触发装定控制器电源模块保护，形成如曲线所示波形。当隔离系统存在时，装定系统输出到底火发火系统的功率均值为0，表明隔离系统可以实现隔离底火发火系统与装定能量的功能。

图4 装定能量和击发能量对底火输出波形图Fig.4 Output on primer by setting and firing inputs

为了确定在装定能量输出状态下由隔离系统引入的噪声对底火发火系统的影响。对底火发火系统在装定能量输出状态下噪声进行了测试，并与移除装定控制器和隔离系统、底火发火系统直接接在击发能量输出端且关闭击发能量输出状态下的噪声进行对比。图5为噪声幅值谱密度图，其中图5(a)为装定控制器输出装定能量时的噪声，图5(b)为装定控制器输出装定信息时的噪声，图5(c)为直接接在发火能量输出端的噪声。对比图5(a)和图5(b)可以看出，装定能量和装定信息输出时噪声相当，统计表明通过隔离系统输入的噪声平均幅值谱密度均为-46 dB，幅值谱未发生明显变化，由隔离系统引入的噪声与此时流过炮闩的是装定能量流还是装定信息流无关。

图5 底火输入噪声频谱图Fig.5 PSD graph of primer input noise

对比图5(a)、图5(b)和图5(c)可以发现，在装定控制器和隔离系统未接入的情况下其噪声较小，统计表明平均功率谱密度为-47 dB，噪声略小于装定能量输出时，二者噪声平均功率谱密度相差1 dB. 因此，装定能量和信息过程会导致额外的噪声从隔离系统引入底火发火系统，引入噪声的功率增加较小，不会对底火发火系统造成显著影响。

对隔离系统对击发能量流的隔离效果进行了测试，通过测量击发能量出现在炮闩时，装定控制器输出端电压和电流，评价系统对击发能量的隔离效果。击发能量流对装定控制器的能量流输入如图6所示。图6中，炮闩的电压为曲线炮闩输入；当隔离系统不存在时，装定控制器输出端的电压为装定器输出1；当隔离系统存在时，装定控制器输出端电压为装定器输出2. 从图6中可以看出，在击发能量出现前，炮闩处电压与装定控制器输出电压相同。当击发能量输出时，在隔离系统不存在的条件下，击发能量直接倒灌入装定控制器，将装定控制器电压拉升到与击发电压一致，此时装定控制器实测输出电流为：-113 mA，存在较大能量输入，当装定控制器中存在电流检测等类型的元件时，此反向电流会导致其负载过大，降低其可靠性及使用寿命。在隔离系统存在的条件下，当击发能量出现在炮闩时，装定控制器输出端保持其电压稳定，且无电流输入或输出，装定控制器不会被损坏。

图6 击发能量对装定控制器输出波形图Fig.6 Output at setting control system by firing energy

3.2 隔离系统及装定系统对击发能量流影响试验

隔离系统和装定系统对击发能量流的影响主要包括隔离系统的能量损耗和动作时间损失，通过测试击发系统输出端到底火发火系统间的能量损失，即可得到隔离系统对击发能量流的影响。将该能量损失与火炮击发回路中可能存在的分布电阻造成的能量损失进行对比，可以比较该能量损失对底火发火造成的影响。试验中采用2.5 Ω电阻模拟底火发火负载，分别测量击发系统的输出电压和负载上的电压，其结果如图7所示。图7中炮闩输入为击发系统输入波形，底火输出为底火发火负载波形。从图7中可以看出，隔离系统存在20%的能量损失和5 μs的隔离系统动作时间，隔离系统动作时间对发火的延迟相对于发火时间(毫秒级)可忽略不计。

图7 隔离系统导通延迟和能量损耗波形图Fig.7 Switch-on delay and energy loss of isolation system

为了确定隔离系统能量损耗的性质，分别测量击发电压为24 V、22 V、20 V时底火发火系统负载电压，其结果如表1所示。采用二次多项式拟合方法计算隔离系统等效阻抗。通过拟合，得到其电压损失Ud与击发负载电流Il的关系为

(11)

从而得到隔离系统零电流压降为1.3 V，阻性损耗为0.6 Ω. 在击发电压为24 V车载电压的条件下，当击发回路中分布电阻大于0.66 Ω时，其产生的损耗将大于隔离系统产生的能量损耗。

表1 隔离系统在不同击发电压下能量损耗和导通延迟

4 结论

本文通过分析双向隔离系统原理，建立理想隔离系统边界条件并分析其函数实现，提出了共用底火装定能量双向隔离系统设计方法。通过对隔离系统函数中参数取值，完成了能量双向隔离系统设计。通过试验证明，使用共用底火回路有线装定系统双向隔离系统设计方法所设计出的隔离系统能够保证：装定能量流不会导致底火发火，在隔离系统正常

情况下，由于装定能量流对底火发火系统产生影响，底火发火系统上的干扰增加1 dB，该干扰增加不会对底火产生可观察的影响；击发能量流不会损坏装定控制器和引信，且击发能量流不会对装定控制器产生影响。隔离系统对击发能量流的损耗小于一般条件下击发回路分布电阻对击发能量流的损耗，其影响较小。

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Design Method of Energy Isolation System for Fuze Setting via Primer

LIAO Xiang, LI Hao-jie, ZHANG He

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

In-bore real-time fuze setting via primer is needed to increase the ammunition first round hitting probability of current large or middle caliber gun. The energy isolation system is designed for isolating the setting energy from the primer firing circuit and the firing energy from the setting circuit by establishing the boundary conditions of the isolation system and giving a set of functions that meets the boundary conditions. An energy isolation system for a specific kind of firing energy is designed by setting the parameter values of the functions. The isolation system has been experimentally proved to successfully isolate the firing energy and the setting energy. The firing energy loss on isolation system is very small.

ordnance science and technology; tank gun ammunition; fuze setting; primer circuit; isolation system

2016-07-13

国家自然科学基金项目(61403201)；中央高校基本科研业务费专项基金项目(30915118824)

廖翔(1989—)，男，博士研究生。E-mail: 311012134@njust.edu.cn

李豪杰(1973—)，男，副教授，硕士生导师。E-mail: haojieli@njust.edu.cn

TJ430.2

A

1000-1093(2017)04-0673-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.007