引信对极薄弱目标的动态发火测试方法

魏峥嵘,姚宝珍,冉雪磊,陈剑文,张雪梅,周诗健

(1.陆装驻白银地区军事代表室， 甘肃 白银 730900；2.湖北三江航天红林探控有限公司， 湖北 孝感 432000)

高价值弹药的打靶飞行试验成本极高，一般需要弹药在地面进行各功能部件的充分试验验证后才能进行飞行试验。火炮试验具有成本较低、试验实施方便等特点，能使大质量的弹丸达到每秒千米以上的初速度，获得很高的动能载荷，因此在战略武器和常规战斗部的研制中，特别是常规半穿甲战斗部、动能弹侵彻战斗部、智能侵彻弹药引信的研制中，火炮试验方法发挥了极其重要的作用[1]。

当弹丸以低速度打击类似1 mm厚度极薄弱目标时，撞靶冲击过载对弹丸的动态响应特性较难达到引信目标敏感装置的响应阈值，很容易造成弹药的瞎火或穿过目标后触地、触水面作用，使得弹药的毁伤效能大大降低甚至任务的失败。为了提高引信对极薄弱目标发火的可靠性，设计引信的惯性发火开关时，一般情况会将惯性开关的闭合阈值降低，提高其灵敏度。但闭合阈值的取值较低时，引信的膛内安全性和弹道安全性将较难保证，很容易造成弹药的膛炸或在飞行弹道上早炸[2-3]。

参阅国内外文献资料，对于正式交付的全备弹药，极薄弱目标的引信安全管控措施比较成熟。对于打击极薄弱目标的发火测试，如何以较为可靠、低成本的方式保证火炮试验时测试引信的膛内发射安全性和飞行弹道安全，防止早炸的发生，使得试验弹丸能够安全到达靶标进行弹目交会时引信发火性能的考核，查阅文献资料是当前需要解决的问题。本文以打击极薄弱目标发火的测试引信为研究对象，研极究薄弱目标的引信动态火炮试验方法。

1 测试引信原理及试验流程

智能侵彻弹药对硬目标实施精确毁伤的起爆控制方式主要有4 种:计时起爆、计层/计空穴起爆、计行程起爆和介质识别起爆[4]。引信的智能发火控制模块是智能侵彻引信的核心部件，其采集和处理高g值加速度传感器的过载信号，控制战斗部在预定的炸点起爆。引信火炮动态试验的目的只考核终点弹道时刻引信发火控制模块的炸点控制能力。因此，测试引信的保险不需要严格遵守GJB373A《引信安全性设计准则》[5]的要求，只需保证勤务处理及装弹发射时的安全即可，一般由勤务保险和炮口保险组成。

对于导弹等全备弹药，弹上一般能够为引信提供工作的电能源，对于试验弹，弹上一般不具备电能源。因此，测试引信需自己具备能源部件，本试验引信中能源部件为24V锂电池组。炮口保险是测试引信除勤务保险之外的另一道保险，其主要包括惯性体和接电开关等组成。在勤务处理阶段及炮膛内发射时，将能源(电池组)与发火控制模块物理隔断，防止动态发火测试引信在勤务处理阶段误发火或在炮膛内早炸。在弹丸出炮口解除保险后，接电开关接通，发火控制模块的电容才能充上电，使测试引信处于待发状态。

曳光药主要作用是指示试验过程中测试引信的发火炸点，以便于试验结果的判定。

开展薄弱目标的引信动态发火试验时，试验弹丸一般速度较低，弹丸及引信获得的膛内过载较小，炮口保险为了可靠解保，其解保过载条件会设计更低阈值，解保阈值条件越低其炮口安全性和勤务安全性越低。因此仅炮口保险较难保证勤务跌落安全，需要增加勤务保险对隔爆机构进行安全管制。

测试引信与正式全备引信相比，设计异同如下:保留引信结构外形不变；两级保险更换为一级勤务保险和炮口保险；引信增加能源部件，为动态发火测试引信的工作提供电能源；引信输出末级药柱由钝感猛炸药改为曳光药剂，用于炸点指示。针对后效期干扰,增加延期供电电路避开后效期干扰，提高试验弹的弹道安全性。测试引信原理见图1。

图1 测试引信原理框图

以打击目标为钢筋混凝土靶标，靶标面与弹道线夹角为60°为例,火炮动态发火试验现场布置(俯向剖视)如图2所示。引信的操作及试验流程如图3所示。

图2 试验布置示意图

图3 测试引信试验流程框图

2 炮口保险技术

2.1 炮口保险设计

为了试验弹丸的膛内及出炮口后效期安全，测试引信需有保证膛内安全且出炮口后延期解除保险的炮口保险[6]。

本文设计了一种炮口保险如图4所示，该保险件为直线运动式双行程后坐保险机构[7-8]。试验弹发射前惯性体处于原始位置(图4(a))，试验弹发射时火药推力建立，弹丸承受后坐过载，炮口保险的惯性体沿-X向(图4中向下)运动一端距离后，上钢球也随之下移(图4(b))。当后坐过载小于弹簧推力时，炮口保险的惯性体在弹簧推力的作用下沿X向运动，直至保险解除位置(图4(c))。

图4 炮口保险

后坐保险机构的可靠解保设计，应以最小发射速度情况下最小膛内过载为参考，炮口保险后坐到位过载也要考虑勤务及弹丸的装填安全性。

2.2 炮口保险简化力学模型

假设在后效期结束后炮口保险的惯性体开始向前动作。惯性体运动至炮口保险解保时间为T，对惯性体的运动过程进行简化，不计摩擦力和重力，惯性体见图5[8]。

图5 惯性体示意图

对惯性体进行受力分析，可得下式：

(1)

式(1)中：m为惯性体质量；k为弹簧的弹性系数；λ为弹簧的原始压缩量；x为惯性体的位移；t为惯性体位移x时的运动时间。

式(1)的起始条件为：t=0、x=0、dx/dt=0、d2x/dt2=0，将起始条件代入式1中，得惯性体从后坐位置运动到保险解除的运动时间表达式见式(2)：

(2)

将炮口保险设计参数代入式(2)可以计算出炮口保险运动至炮口保险解保时间的T。

2.3 炮口保险运动仿真

利用ADAMS软件对炮口保险进行了刚体动力学仿真分析。将试验所得160 m/s发射的试验弹丸炮膛过载曲线(图6)施加到设计的炮口保险。进行惯性体的运动学仿真，仿真结果如图7所示。

图6 加速度时间曲线

图7 仿真曲线

从图7仿真结果可以看出：炮口保险的惯性体感受过载，在3.6 ms时刻运动到位，在84 ms时刻开始向前运动，在131 ms时刻运动到位保险解除。

3 低成本延时充电技术[9]

从图1可以看出：试验弹丸出炮口后，未到达目标在飞行弹道上引信提前作用。分析结果认定为：测试引信在膛内已启动解保或未出后效期就解保完成，炮口保险解除后，火炮后效期仍然对测试引信存在较大影响，后效期的干扰过载达到测试引信惯性开关的闭合阈，使得测试引信提前发火作用。因此，仅使用炮口保险的延期解保功能无法有效彻底摆脱后效期对测试引信的影响。

因此，需要对测试引信给发火控制模块的开始供电时间点进行延时，在远离后效期后对测试引信的发火电容进行充电。电路延时可采用的办法有继电器延时、微控制器延时和RC模拟电路延时等措施。其中继电器结构体积较大、成本高；微控制器虽然延时精度高但成本也较高，同时需要增加软件控制；RC模拟延时电路成本低，体积小。在本方案中RC模拟延时电路具有一定的应用优势。设计的一种RC模拟延时电路如图8所示。

图8 测试引信电路图

图8中:E为24 V锂电池组，为电路提供电能源条件。K为接电开关，炮口保险解除后接通。N1为5 V固定电压三端集成稳压器。

V1为可控硅,当C3充电的电压达到V1的导通电压时V1导通，当弹丸发射出炮口后效期结束后，炮口保险解除，接电开关接通，R3两端的24 V电压才能供给引信智能发火控制模块中的二次电源。

R1和C3构成RC延时电路的核心器件。C3的充电过程为一阶电路的零状态响应，其数学表达式为

(3)

式中:u为任意时刻t,电容器C3两端电压；ut为电容器C3充满终止电压；u0为电容器C3初始电压；R1为电容器C3充电电阻阻值；C为电容器C3容值。

此电路中，电容器C3两端的初始电压u0为0，故上式可简化为

(4)

式(4)中：τ=RC时间常数。

C3的充电电压波形为如图9所示。

图9 充电电压波形

可控硅V1的导通电压根据器件手册查得其范围为0.62～0.8 V,取其中值0.7 V，则延时导通时间t为

(5)

从充电电压波形图和式(5)中可见，当充电时间为0.154倍的τ时，电容器C3两端的电压u已达可控硅V1的平均导通电压，此时可有效导通V1。

4 试验验证

引信的动态发火试验采用155滑膛炮作为加载设备，试验时弹丸为惰性弹丸。测试引信设置为计时起爆模式，计时起爆时间为7 ms，引信在靶后发火作用。测试引信炮口保险解除后的延时充电时间为30 ms。不同靶标标下的引信发火情况如表1所示。

表1 引信发火情况

表1中，序号1为引信提前发火的试验情况，如图10所示，测试引信在弹丸发射后距炮口4 m位置提前发火。由于弹丸未到达目标靶，因此试验未能考核到终点弹道时刻引信智能发火控制模块的炸点控制能力。经增加30 ms延时充电功能后，测试引信未出现弹道提前发火作用情况。

图10 引信提前发火景象

序号5的弹丸速度160 m/s，落角90°，打击1 mm厚Q235钢板时的试验发火景象，如图11所示。

图11 160 m/s发火景象

序号6为导弹速度280 m/s，落角90°，打300 mm厚钢混靶时的试验发火景象，如图12所示。

图12 280 m/s发火景象

通过对10发火炮动态发火试验数据进行总结分析，结果表明，第1发测试引信因受后效期影响提前发火之外，经增加延时充电功能后的其余试验方法可行，试验均取得智能发火模块对炸点的考核数据。

5 结论

针对智能侵彻引信工程研制阶段对薄弱目标进行动态发火火炮试验时，因后效期的干扰影响，测试引信的惯性开关在弹道上提前闭合引起早炸，设计了引信动态发火测试的试验方案，解决了引信的炮口保险和延时充电。试验结果表明：该方法可以保证试验时引信的炮口安全和弹道安全，用于对薄弱目标的引信研制试验，具有工程应用价值。