一种触发引信的目标感知方法

一种触发引信的目标感知方法

曹殊蒋启凌

（中国船舶重工集团公司第七一○研究所宜昌443003）

针对深弹战斗部在攻击潜艇目标时不能发挥最大毁伤效能的现状，提出一种配合复合战斗部的触发引信目标感知方法：通过检测弹目交会时深弹头部过载传感器产生的过载响应，感知目标态势，并自动选择适宜的起爆模式。分析并建立了起爆模式判据。研究表明：触发引信根据起爆模式判据适时选择聚能起爆或定向爆破，可最大程度发挥深弹的攻潜效果。

深弹；触发引信；目标感知；起爆模式；判据

Class NumberE917；E932.4

1 引言

深水炸弹（简称深弹）一直是最主要的反潜武器，随着冷战结束，新的世界战略格局的形成，各国海军在重新认识深弹在未来反潜战中的作用和地位这个问题上，又逐渐趋于一致，并且坚信深弹在未来的反潜作战中具有不可动摇的地位和作用。

随着科学技术的不断发展，现代潜艇普遍采用双层壳体及多密封舱室的结构，同时采用高强度钢或镍合金等材料制造耐压壳体，高强度耐压壳体连同水层和钢外壳共同构成现代舰艇的坚固防护外壳，使其抗爆炸冲击性能得到很大的提高。因此，在战斗部距舰船有一定距离的非接触爆炸的情况下，利用水中爆炸产生的冲击波压力造成穿透船体的破坏是比较困难的。众所周知，战斗部破片及爆轰能量在海水中衰减很快，即使采用聚能战斗部，其形成的有效射流也不及空气中长度的一半。因此，使用近炸引信时，可能仅有少量的爆轰能量作用在目标上［1］。目前，国内外对反潜效能的分析大都集中在采用新型装药、保证垂直击中的条件下［2］，而忽略了实际情况中大着角接触时战斗部的作用局限性。

引信的设计必须与战斗部的起爆方式和作用距离相匹配，陈荷娟等［3］对不同体制的引信对深弹反潜效能的影响进行了分析，通过对新型复合型（触发/近炸复合）、“深联-1”（触发/定时复合）、触发、近炸四种不同作用方式引信的反潜命中率的计算，发现：新型复合引信的反潜命中率最高，比现有的“深联-1”引信反潜命中率提高了2倍左右。但在其研究中只重点考虑了命中率问题，而忽视了战斗部的效能局限性。在深弹武器中，由于深弹战斗部的装药量有限，而现代水面舰船和潜艇的抗爆炸冲击性能得到很大的提高，为将深弹有限的爆破威力最大限度地作用在潜艇上，必须使深弹尽可能地紧贴着潜艇外壳起爆。在这种需求中，在深弹引信中采用触发引信将是最明智的选择。因此，在提高武器系统的识别、跟踪能力的前提下，采用触发引信优先模式能取到较好的作战效果［4］。

基于以上原因，本文提出一种配合复合战斗部的触发引信目标感知方法，通过识别弹目交会时的着发角，自动选择适当的起爆方式：起爆聚能战斗部或定向爆破战斗部，最大限度地将爆破威力作用在潜艇目标上，达到歼灭目标或使目标失去战斗力或上浮的目的。

2 弹目交会时碰撞矢量的识别原理

目前触发引信采用机械万向触发机构或侧击机构，可保证在着发角为82°（图1中等于θ）时仍能可靠发火［5］。由于作战时战场环境的干扰、攻击目标的规避、攻击武器的性能等因素，再加上潜艇的外形为椭圆，因此，大多数情况下，深弹与潜艇的交会是大着角接触。这时战斗部的聚能射流有可能不会触及或者有限触击耐压壳体，作战效果反而并不好，如图1中II和III所示。如果这时深弹选择定向爆破战斗部作用，将战斗部近距离向目标爆轰，如图1中IV所示，就可最大限度利用爆轰能量重创目标。

虽然在弹目接近过程中，潜艇和深弹都在运动，考虑到弹目交会的多样性及深弹受力分析的复杂性，本文暂不考虑潜艇的运动速度，即认为潜艇为静止的；另外，在尺寸上，深弹与潜艇接触面相比相差太悬殊，在受力分析中均将潜艇外壳当作平面来看待。

本文依据多传感器对空间作用矢量的定位原理，选用四组同型号的加速度传感器均匀布局在弹头周围，如图2所示。在弹目交会时，引信通过分析比较这四组传感器的响应，对深弹与潜艇相遇时的着发角进行识别。本文采用的深弹头部形状为平头。

在弹目交会时，引信通过分析比较这四组传感器的响应，确定深弹与潜艇接触时的着发角，从而判断决策起爆模式。根据该原理在深弹头部结构示意图中建立以弹头圆曲面圆心分布面为XY面、以弹轴为Z轴的空间受力坐标系，如图3所示。产生的过载响应为，建立相应的数学模型，可得到在坐标系中的α、φ和值大小。

在上述算式中：α为深弹受到的反作用力矢量在弹轴横截面里与X轴的夹角；δ为传感器安装角度；φ为深弹的着发角；γ为深弹在潜艇表面的摩擦角，tgγ=f；a为深弹撞击潜艇时头部受到的撞击过载，正方向为由外向里，负方向为由里向外。

上述方程组为超静定方程组。在式（2）～式（5）中任取三个方程式，经过解算可求得a、α、φ，φ∈[0°，90°)，如下取式（2）～式（4）计算得：

这样可求得4组解，通过取平均值求得最佳解，从而可判断潜艇相对于深弹的位置，为后续起爆模式的选择提供条件。

3 起爆模式的初始判据

确定了碰撞点在中心坐标系O0中所处的象限，就可以初步指导引信决策战斗部的起爆模式。其判断示意图如图4所示。

根据该判断示意图，可得出以下初始判断准则：

当a1=a2=a3=a4，表示弹头正面与潜艇相撞，此时采用聚能起爆；

当a1＞a3，a2＞a4，表示碰撞点位于Ⅰ象限；

当a1＜a3，a2＞a4，表示碰撞点位于Ⅱ象限；

当a1＜a3，a2＜a4，表示碰撞点位于Ⅲ象限；

当a1＞a3，a2＜a4，表示碰撞点位于Ⅳ象限。

根据上面的判断，采用定向爆破时只要将主要爆轰能量导向该象限对应的深弹侧面就可以重创目标。

4 起爆模式的识别判据

现代引战配合［6］理论的落脚点就是要将战斗部的最大毁伤效能作用在目标上，应用上述初始判据可简单、直接判定需要的起爆模式。如要精确地判定任何一种交会模式所对应的理想起爆模式，做到精确控制起爆时机，还要根据深弹头部的外型曲线、潜艇外壳材料特征、弹的撞击速度以及聚能战斗都的能力等因素来进行综合判断。

根据炸药在水下爆炸［7］时的传播机理，聚能战斗部的射流或高速弹丸在水中的衰减速度很大，作用距离有限［8］。定向战斗部在向目标高密度抛撒破片的同时，战斗部的爆炸能量也将大部分地作用在目标方向。因此，必须结合弹目的交会特点选择合适的起爆模式。

分析深弹与潜艇目标交会时的作用过程：弹目交会时，潜艇外壳对深弹产生反作用力，此反作用力的方向将决定弹的下一步运动：正偏转、反偏转或反跳。当发生正偏转时，深弹将偏转至与潜艇外壳垂直方向，此将有利于聚能战斗部的破甲作用；当深弹发生反偏转时弹将产生滑移，并使弹偏转至与潜艇外壳平行或贴近，此将有利于定向战斗部的破坏作用；而当此反作用力刚好通过深弹的质心位置时，深弹将发生反跳现象，此时引信需要较高的灵敏度，在深弹反跳离开潜艇外壳前或一定距离内起爆聚能战斗部。因此，通过识别深弹受到的作用力矢量方向与深弹质心的位置关系，就可决定深弹的运动模式，继而决定起爆模式。

仔细分析深弹有效聚能爆破区域与着发角φ的关系，一般战斗部的设计要求是：聚能战斗部在深弹轴线与目标表面碰撞点的法线角在φ0以内时具有对目标毁伤的能力。如图5所示。图中可以看出：深弹的受力点并不与轴线重合，大都发生在头部外圆上。

最佳的设计是：在聚能战斗部的射流刚好能穿透潜艇的耐压壳体时，深弹受到潜艇外壳对它的反作用力矢量（包括切向摩擦力）刚好经过深弹的质心点，即深弹后续运动的分界点，此时深弹受到的法向作用力矢量与弹轴夹角为φ0。深弹与消声瓦的摩擦角为γ。

在图5中，弹头圆弧段半径为R1，弹头平面过渡圆半径为Rd，过渡圆圆心分布半径为R2，视图中过渡圆圆心为Od，潜艇外壳半径表面为R，耐压壳体内半径为Rn，可求得：

设深弹质心点为OZ，弹头平面圆心为Ot，

此时，聚能战斗部的有效射流长度必须大于|OtC|。在图5中，

因此只要射流的能量在克服各种损耗后能到达C点，就表示能穿透耐压壳体，随射流之后的冲击波和空泡效应将对此点产生进一步的破坏。此时对应的着发角为φ0，则深弹在着发角为φ0以内时对潜艇目标具备直接毁伤能力。

最终确定深弹受到的反作用力矢量与弹轴的临界夹角φ0，即起爆模式的识别判据是：当引信识别系统通过四组传感器确定φ∈[0°，φ0]时，点火控制系统将引导战斗部以聚能爆破方式作用；当确定φ∈(φ0，90°)时，点火控制系统将引导战斗部以定向爆破方式按α方向作用。

5 工程实践分析

通过上面建立的起爆模式判据，可以较容易地实现对复合战斗部的起爆控制。根据现有深弹的头部结构参数，该分界点正好位于过渡圆弧上，因此可断定弹头端面过渡圆弧的结构参数将对深弹的毁伤效果及灵敏度有直接的影响，并与聚能爆破战斗部的有效射流长度要求相关联，此过渡圆弧应在保证弹形阻力系数的前提下尽可能小，在工艺上应严格保证此参数的一致性。

在结构上，选择四组传感器布局在弹轴周围，可以让出中心部位安装声传感器，实现与近炸引信的功能复合。当然，对于利用了陀螺仪的自导引信，可以在其功能上附加此项任务，不过，由于陀螺仪或三分量传感器不是安装在深弹头部，根据应力传递规律，陀螺仪或三分量传感器感受到的过载存在不同程度的衰减，同时，还要根据传感器的安装状态，如是否刚性连接在弹壳体上等因素进行取舍，因此在测试的准确性和及时性上不如本文提供的方法。

根据上述的分析结果，引信只要从四组传感器中求得a、α、φ三个参数就可决定后续的动作。因此，在工程运用中可有效防止一组传感器损坏时给全系统带来的影响。

深弹在不同的工作条件下，其碰击所产生的加速度存在较大的差异，小的仅为20g～30g，大的超过1000g。因此选择的传感器不仅在量程上应涵盖上述范围，并且具有较强的抗冲击能力。根据传感器的工作原理，当传感器感受到轴向过载时会产生较大的响应信号，而垂直于传感器感应轴的横向过载也会使传感器产生小的耦合响应。理论上，单轴传感器是只对一个方向敏感，而对其他正交分量，即横向不敏感的器件。事实上，所有单轴加速度传感器对侧向过载均会有或多或少的响应，原因是传感器的安装误差与内部结构难以克服，而这两方面也是造成大横向效应的主要原因。因加速度传感器的横向灵敏度随频率的变化而变化，低频时一般在3%以下，高频时可达l0%，在实践中可对此耦合信号进行技术处理。

本识别方法配合复合战斗部使用，对于聚能起爆来说，执行程序相对简单，但对于侧向精确定向起爆模式，还要根据求得的α值，由起爆决策中心根据起爆网络的设计执行逻辑起爆，将绝大部分爆轰波和碎片作用在目标上。

精确定向起爆系统在导弹尤其是防空弹药中使用较多，可参考的资料也较丰富，爆炸网络的组网方案如常悦等提出的“一入八出”方案［9］，朱景伟等对利用引信系统提供的信息确定空间交会条件下定向战斗部起爆方位角进行了建模分析［10］。定向战斗部的多点同步起爆技术向多维方向发展，将使战斗部的定向毁伤能力大为提高。

6 结语

通过在深弹头部加装过载传感器来识别弹目交会姿态，从而决定战斗部的起爆模式，可以最大化提高弹药的毁伤效率，而且工程上较易实现。这种方法可应用于独立的触发引信或联合引信，配装在中、大型弹药上，从而有效提高引战配合效能。在工程实践中可通过研究着发角φ、撞击过载a以及弹头外形曲线之间的关系，可以求得战斗部偏转至与目标平行或最接近时的时间，达到最佳引战配合。

［1］李文慧.水下高能战斗部机理分析与研究［D］.西安：西北工业大学工程硕士学位论文，2006：26-27.

［2］宋浦.不同起爆方式对TNT水中爆炸作用的影响［J］.火炸药学报，2008，31（2）：75-77.

［3］陈荷娟.不同体制引信对深弹反潜效能影响的分析［J］.弹道学报，2000，12（2）：34-37.

［4］石建.深水炸弹引信的智能化实现［C］//第十二届引信学术年会，2001.

［5］马宝华.引信构造与作用［M］.北京：国防工业出版社1983：127.

［6］宗丽娜.便携式反直升机火箭弹引战配合的计算机仿真研究［D］.南京：南京理工大学硕士学位论文，2007.

［7］张骏虎.一种适用于水中兵器战斗部高能炸药［C］// 2004年全国含能材料发展与应用学术研讨会，2004.

［8］凌荣辉.聚能型鱼雷战斗部对潜艇目标毁伤研究［J］.弹道学报［J］，2001，13（2）：23-27.

［9］常悦，王军波，游宁.定向起爆系统及定向探测方案研究［C］//第十五届引信学术年会论文集，2004.

［10］朱景伟.定向战斗部实际起爆分位数的计算［C］//第十二届引信学术年会，2001.

The Target Sensing Methods of A Contact Fuze

CAO SHUJIANG Qiling
（No.710 R&D Institute，CSIC，Yichang443003）

Based on limitations of depth charge's warhead on maximal destruction effectiveness against submarines，the paper presents a target sensing method of contact fuze assisting the combined warhead.Target condition will be perceived and suitable detonation mode will be selected automatically through testing of overloading response from overloading sensor of the depth charge warhead when meeting the targets.The paper also analyzes and builds the judgment for detonation mode.The analysis shows that the contact fuze is capable of automatically selecting cumulative or directional blasting based on judgment of detonation mode，which achieves the submarine-attacking utmost effectiveness.

depth charge，contact fuze，target sensing，detonation mode，judgment

E917；E932.4

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.015