引信体材料对弹底可编程时间引信感应信号影响的仿真研究

丁　毅，张小禄，张　涛，张　岩，屈　洁

(西北机电工程研究所， 陕西 咸阳　712099)

为了满足近程反导弹药精确打击目标的需求，增加小口径火炮的防空反导能力，电子时间引信在中小口径弹药中的应用成为一种发展趋势。在20世纪90年代瑞士开发了著名的“空中盾牌”35 mm自行高炮系统，在为该系统配用的AHEAD弹药中，采用了炮口快速感应装定的弹底可编程时间引信，成为小口径电子时间引信的典型代表[1-2]。近年来，我国也对AHEAD技术开展研究，形成了自主产品。本论文针对引信体材料对弹底可编程时间引信感应信号的影响开展了仿真分析，为弹底可编程时间引信的研制提供理论支撑。

1　弹底可编程时间引信

1.1　弹底可编程时间引信作用原理

弹底可编程时间引信主要由引信体、电子部件、感应线圈部件、安全系统和爆炸序列等组成。其中电子部件主要由引信电路模块、电源组成，具有数据装定、解码、发火输出、提供电路能源等功能；感应线圈部件具有感应接收炮口装定信号的功能；安全系统部分具有保证勤务处理安全和延期解除保险的功能；爆炸序列部分具有起爆弹丸功能。

弹丸发射时，在后坐力和离心力的作用下，安全系统中后坐保险和离心保险解除保险，延时机构转动。同时，压电陶瓷堆在膛内环境力作用下，快速激活并在弹丸出炮口前稳定供电，保证引信电路工作。同时储备式化学电源在膛内环境力作用下激活并在炮口处稳定供电，保证引信电路工作。当弹丸通过多功能炮口装置的感应装定线圈时，感应线圈部件感应接收装定时间信号，电子部件进行信号滤波、整形、解码和定时器初值装定，定时电路根据装定时间倒计时。弹丸飞出炮口保险距离以外，回转装置转正到位，爆炸序列的各火工元件对正。当弹丸飞行到保险距离之外时，发火电路充电。当定时电路倒计时计数到零时，输出起爆信号，火工品作用，引信爆炸。若装定平台未装定或装定失效，引信计时到自毁时间自毁，图1为弹底可编程时间引信作用原理框图。

1.2　影响弹底可编程时间引信感应装定信号的因素

引信感应装定信号质量的好坏是弹底可编程时间引信感应装定能否正确解码的重要影响因素。由于弹底可编程时间引信采用变压器耦合原理进行信号传输[3]，根据变压器感应耦合等效电路(如图2所示)及工作原理，由变压器耦合式(1)、式(2)可知，影响引信感应装定效率的主要因素有两线圈之间的互感M、线圈的电感、发射线圈工作电流等。其中线圈之间的互感主要由两个线圈的几何排列及磁区域的磁导率所决定；在发射线圈工作条件确定的条件下，影响引信感应装定信号的主要因素有：引信体材料特性和感应线圈匝数、匹配参数等。

(1)

-jωMI1+(R2+jωL2+Zl)I1=0

(2)

1.2.1感应线圈匝数、匹配参数

感应线圈匝数、匹配参数--感应线圈部件，主要由绕制在引信体上的接收线圈、高强度注塑防护套等组成。

接收线圈接收到的信号大小取决于与发射线圈之间通过的电磁耦合效率，由于发射线圈和接收线圈之间间隙较大，为松耦合关系，只能根据发射线圈磁通密度的分布曲线，设计理想匝数的接收线圈，使之在发射线圈内耦合具有足够的信号幅度与理想的信号波形[4]。通过调节接收线圈匝数及匹配电路，可以使接收线圈接收到的信号幅度满足弹载电路信号处理的要求，提高引信感应装定可靠性。

1.2.2引信体材料特性

针对在炮口装定试验发现的炮口感应装定存在受干扰、丢数据、不可靠的问题，进一步对引信线圈电感和互感有较大影响的引信体材料进行综合分析。由于信号感应装定过程中，弹丸高速通过发射线圈内部，当引信体材料不同时，会导致发射线圈内部磁导率有较大的变化，从而导致引信接收信号有较大的差异[5]。

2　弹底可编程时间引信体材料仿真与分析

针对引信炮口感应装定数据位丢失问题，开展了引信体材料对感应接收信号影响的研究。在炮口靶增加测速信号的情况下，采用ansoft电磁仿真软件，分别对高磁导率钢材料、低磁导率材料引信体情况下引线接收信号进行了仿真分析。分析内容以现有技术设计状态为基础，保持线圈扎数、线径、线间距离、测速装定线圈外露尺寸、线圈总成尺寸与现有设计一致。仿真结构模型如图3所示。

仿真参数设置：在炮口靶增加测速信号的情况下，激励信号(炮口靶感应装定信号)峰值为30 V的正弦交流电，频率为2.5 MHz，测速线圈线径为0.5 mm、扎数为60圈，电流为1A时等，在ansoft电磁仿真软件下对炮口靶引信接收信号进行仿真分析。引信体为高磁导率钢材料时，引线感应接收信号仿真结果如图4所示；引信体为低磁导率材料时，引线感应接收信号仿真结果如图5所示。

将图4和图5对比可以看出，高磁导率钢材料引信体在高速通过炮口靶时引信接收到的装定信号出现明显偏置和畸变，严重影响数据装定；而低磁导率材料在高速通过炮口靶时引信体接收信号偏置低、没有出现装定信号明显畸变现象，不影响数据装定。

在实际应用中，由于低磁导率材料强度偏低，导致引信体结构强度存在缺陷，故需进一步采取优化措施提高引信体的结构强度。设计中采用在低磁导率材料引信体(铝制材料)底部加装低磁导率钢材料，以提高其结构强度。以下根据改进结构进一步进行建模和仿真分析，分别见图6、图7。

从图7可以看出：采用低磁导率铝材料引信体底部加装低磁导率钢材料组合，引信体接收线圈在装定区内的接收信号波形变形较小，不影响数据装定。

3　仿真结果与试验结果分析

仿真结果分析表明：存在炮口测速激励线圈条件下，低磁导率材料引信体对引信感应接收信号影响较小，有利于引信电路进行信号滤波、整形处理等；而同样条件下，高磁导率钢材料引信体引信感应接收信号存在较大的偏置和畸变，将影响到引信信号的进一步处理，最终导致数据丢失。

根据仿真分析结果，在设计中对引信体材料进行优化处理，采用低磁导率材料引信体底部加装低磁导率钢材料进行了结构设计，并进行了试验验证。进行了10发装定射击回收试验，10发试验弹试验结果均正确装定，试验结果表明，经采取优化材料设计等措施，可解决弹底可编程时间引信炮口感应装定数据丢失的问题。

4　结论

本文针对弹底可编程时间引信体材料的不同，对引信感应接收信号进行仿真分析，对高磁导率钢材料引信体引起的装定数据位丢失现象进了准确问题定位，并提出了采用低磁导率铝材料引信体底部加装低磁导率钢材料进行引信结构设计的思路，解决了弹底可编程时间引信炮口感应装定数据丢失的问题，既保证了强度，又提高了该引信感应装定可靠性。

参考文献：

[1]曲秀杰,李杰.电子时间引信装定技术研究[J].探测控制学报，2001，23(3):21-24.

[2]董方晴.引信设计原理[M].北京:国防工业出版社,1973.

[3]谢处方.电磁场与电磁波[M].北京:高等教育出版社,2001:138-155.

[4]杨会军,丁立波.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]黄学功，赖百坛.炮口感应装定系统电磁场特性分析[J].弹道学报,2003(2):68-72.