引信与环境

张 合

(南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210094)

0 引言

引信是弹药起爆控制的“大脑”，是保证武器装备和弹药安全与完成毁伤的关键核心部件。从机械引信、机电引信、近炸引信与灵巧引信发展到现在，引信随着技术的进步出现过多个定义。从历史发展的过程来看[1-2]，最初的机械引信可通俗和肤浅理解为“开关”，是受时间、安全性与可靠性约束下的开关[3-4]。机电引信与近炸引信的出现，引信的定义上升为起爆控制装置，即引信是利用目标信息和环境信息，在预定条件下引爆或引燃战斗部装药的控制装置或系统[5]。把引信与控制联系起来是武器系统发展对引信要求的必然，也是技术进步的推动。我国引信技术近30年快速发展的主要引领人马宝华教授给出以上定义中指出了引信功能扩展的方向，即随着信息化的发展，多功能战斗部的出现，引信定义再次扩展为：引信是利用目标、环境、平台和网络等信息，按预定策略起爆或引燃战斗部装药，并可选择起爆点，给出续航或增程发动机点火指令以及毁伤效果信息的控制系统[6]。

灵巧引信指的是通过对发射前或发射过程中的装定信息，采用单一或复合探测手段获取环境与目标信息，通过单片机、可编程控制器或DSP处理器等进行起爆控制的引信(可装定、可探测、可处理、可控制)。大数据、网络化的发展助推，弹药组网的需求，引信作为控制系统的概念存在进一步扩展的需求，即引信是在多约束与多任务条件下，按预定策略、规划，起爆或引燃战斗部或多个战斗部装药，可进行时空识别与过程控制的动态控制系统。这一定义保持了引信依然是一个控制系统，存在输入、输出和内部结构问题，有构成引信结构材料与缓冲材料的本构关系、传感器获取的信号处理与引信起爆的控制策略，如图1所示。引信的控制有很多不同于经典与现代控制论的要点，首先它是不可逆控制系统，有传感器探测功能，但没有反馈和闭环控制的时间[7]。受到的约束条件多，如四大环境约束(见图2)、安全性与可靠性约束、目标约束，还受小尺度与载体接口等约束[8-10]。另外飞行时间上限与下限差大且控制时间短、控制精度要求高，控制策略与规划以软件控制方式实现，并受多次、多点与组网选择控制点与时机等约束。多任务条件指的是时域跨界长，从微秒到分钟；空域覆盖宽，从水下到太空；目标种类多，有软、硬、高速、隐身等；使用范围广，从陆、海、空、火箭军弹药到民用增雨弹等。其控制的动作表象为开仓、点火、分离、起爆等。输入存在边值问题，输出为毁伤效能的表征[6]。

图1 引信系统Fig.1 Fuze system

多约束指的是：

1)环境约束——四大环境；

2)安全性约束——百万分之一;

3)可靠性约束——0.9，0.95;

4)目标约束——毁伤效能。

引信作为一种功能复杂的机电系统，仍然服从牛顿第二定律，从动力学角度看，引信的数学模型可以表达为：

y=R(S(m,e,o,ls),D(e,o,ld,us),lr,t)

(1)

式(1)中，y为引信输出结果，R(·)为过程控制函数，S(·)为信息交联函数，D(·)为探测与识别函数，m为任务信息，e为环境信息，o为目标信息，us=S(·)为装定信息，ls、ld和lr分别为信息交联、探测与识别和过程控制中存在的约束信息，t为过程控制中的时间信息，所有的信息均为时变量。对不同的引信，由于任务不同、约束条件不同、控制方式不同，其函数的表达式不同。

多任务指的是：

1)时域跨界长——从微秒到分钟；

2)空域覆盖宽——从水下到太空；

3)目标种类多——软、硬、高速、隐身等;

4)使用范围广——陆、海、空、火、民。

多任务函数是一个非连续与可选择函数，其表达式为：

R(t)=f[M(t)、T(t)、K(t)]

(2)

式(2)中，R(t)为引信完成的任务选择函数，M(t)为目标种类选择函数，T(t)为使用时间与内外弹道分配时间函数，K(t)为使用空域与范围选择函数。

引信在多任务与多约束的条件下，由于安全解保时间朝目标基发展，在到达目标前控制时间短，难以进行可逆控制，因此不可逆控制是引信的一个特点。对于巡飞弹药使用的引信，其安全解保的可逆设计在一次攻击任务更改后恢复到安全状态十分重要。

1 引信经历的环境

引信产品生产后经历的环境从全寿命过程可分为四大类，分别为勤务处理环境、发射环境、弹道飞行环境和终点环境，如图2所示。勤务处理环境与发射环境，主要涉及到引信的安全性；飞行环境与终点目标环境，涉及到引信的安全性和可靠性(置信度0.9，可靠性下限0.95是基本要求)，所经历的环境都与引信的安全性相关[6]。各种武器平台可提供的环境见表1。

图2 环境信息及参数Fig.2 Environmental information and parameters

引信用在不同平台发射的弹药或战斗部所经受的后坐力从几十g到几万g,受力的跨度很大；旋转弹药受到的离心力从几百转到几万转；章动力一般在几十g到几百g范围；常规火箭弹常采用弹底引信，并把火箭发动机点火后气体作为一个环境力；空气动力与弹速相关；制导弹药的制导系统可提供临近目标的解保信息，作为一个环境力。

表1 各种武器平台可提供的环境

引信在飞行环境下，主要能够获取的信息量有气动力、地磁场与弹药姿态角的变化，涡轮电机或压力传感器可作为飞行时的第二环境力获取手段，另外，涡轮电机作为发电单元可作为引信主电源。

引信在终点目标环境下，能够获取的信息因引信不同和毁伤要求不同而不同，毁伤特性见表2。

表2 目标种类与毁伤

第二环境力如采用目标基解保，机械引信和机电引信可采用引信出膛时的电磁信号作为计时起点，目标前某一时间由制导舱给出解保信号，引信安全系统处于解保状态，也称闭锁解保。对于近炸或灵巧引信，可采用对目标前的适时探测与时间复合，作为解保信号，如无线电近炸和激光近炸探测，依据引信的飞行速度[2]，到目标前预留毫秒级的时间作为起爆毁伤用。本文给出一组典型弹药的全弹道加速度曲线，某坦克炮侵彻曲线、某平衡炮攻坚全弹道加速度曲线、某单兵攻坚火箭弹侵彻钢板与混凝土曲线、近程防护火箭弹弹道曲线，如图3—图7所示。发射与侵彻状态的环境特征可用于引信解除保险。

图3 某坦克炮膛内与侵彻2 m厚靶曲线与侵彻过程放大曲线(峰值4.2万g，1.6 ms)Fig.3 Curves of a tank’s gun bore and penetration into a 2 m thick target，enlargement curve of penetration process (peak 42,000 g, 1.6 ms)

图4 某平衡炮发射与侵彻曲线与侵彻过程放大曲线(峰值4.1万g，3.2 ms)Fig.4 Amplification curve of penetration process of a balanced gun’s launch and penetration curve (Peak 41,000 g, 3.2 ms)

图5 某单兵火箭发射膛内曲线(8 371 g)与钢板(192 400 g)侵彻试验曲线Fig.5 The in-bore curve (8 371 g) of a single rocket penetration test curve of steel plate (192 400 g)

图7 某近程防护火箭弹膛内及飞行加速曲线(加速时间71.3 ms，过载610 g)Fig.7 The in-bore and flight acceleration curves of a short-range protective rocket (acceleration time 71.3 ms, overload 610 g)

2 引信性能与环境

2.1 引信的安全性与环境关系

弹药在发射后安全距离内引信必须保持“开”的状态，即要求勤务处理环境与发射环境下引信的安全性指标不低于百万分之一。引信要达到如此高的指标，必须在不同环境力的作用下采取冗余保险设计。针对不同武器平台、不同弹药，设计者必须力求寻找两个或两个以上不同的环境力，表1给出的环境可供选择。切记同一环境下不同时间出现的物理状态仍是单一环境，不是冗余，否则安全性不能满足要求，将会产生重大安全性事故。

2.2 环境与引信约束的关系

引信是一个安全性要求很高的产品，对环境的敏感和选择要求甚之有甚，设计者要保持重视发射环境信息的获取，通过试验获取一定量的环境曲线，认真分析全寿命各环境下的阈值与经历的时间，保证安全系统一次设计成功。如能采取远距离接电，实现目标基解保，可使安全距离延伸到敌方目标前，应优先考虑。另一方面，引信又受到武器平台、弹药和安装位置、毁伤要求的约束，需综合考虑各种环境下对引信的约束关系实现最优设计和合理取舍。对于制导弹药配用的引信，如能把制导仓的性能利用与引信一体化设计，将会简化引信对环境利用付出的成本与空间代价，目前正在研制的弹道修正引信与多维坐标引信应尽可能采用这一设计思想。

3 结论

引信的发展在各种新技术的推动下进步迅速，对安全性的要求更加严格，环境的正确利用是保证安全性的前提。本文给出多种武器系统在不同发射环境下的加速度分布值，不同目标种类和毁伤特性，引信的数学模型和多任务函数仍需进一步研究。本文仅提供了少部分硬目标的发射与侵彻加速度曲线可供参考。任何一种新的武器系统与弹药，要求配用性能优良的引信，设计者必须向武器系统方要求提供全弹道环境三维加速度曲线，或设计者有能力测出曲线供设计时用，否则仅根据最大膛内加速度设计引信存在很大风险。另一方面，引信在各种约束条件下的最优设计仍有一定的发展空间，武器系统、弹药、引信与火工品的协调发展应是引信技术进步的主流。目前我国引信技术的基础研究在多个方面正在加大攻关，但在复杂环境下保证弹药的安全性依然是“一票否决”的基本要求。