电子安全系统在舰载水声对抗器材引信中的应用

庞 博,郑 松

(1.海军装备部驻上海地区军事代表局驻上海地区第七军事代表室，上海 201108；2.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

水声对抗器材作为一种舰船防御武器，起到诱骗、摧毁敌方鱼雷保护己方舰船的作用[1]。基于电子安全与解除保险装置的水声对抗器材已经广泛应用于反鱼雷等武器中[2]。早期的水声对抗器材主要采用“软”模式即通过模拟舰船水声信息，诱骗、干扰敌方鱼雷[3]；新型的水声对抗器材兼顾“软、硬”模式，一方面通过模拟舰船水声信息，诱骗、干扰敌方鱼雷，实现“软”模式；另一方面，通过近距探测鱼雷信息，适时完成起爆输出摧毁鱼雷，实现“软、硬结合”攻击方式[4]。由于水声对抗器材在使用过程中需要经历弱弹道环境、水深环境信息、强电磁辐射等特殊环境，且出于安全性考虑引信必须具备恢复保险功能，传统的机械式、机电式引信无法满足设计要求，因此电子安全系统成为该类型引信设计的合适的可选对象。

1 引信电子安全系统的特点及发展现状

1.1 引信电子安全系统的特点

引信电子安全系统是继机械式、机电式之后发展起来的第三代引信安全系统，由于其自身具有良好的安全性、可靠性近年来备受引信行业关注[5]。

传统机械式和机电式引信安全系统采用桥丝、桥带雷管作为初级发火元件，该类型火工品为敏感火工品，静电、雷电、电磁干扰均可能造成意外引爆。为了保证引信的安全性，必须采用错位式机械隔爆装置将雷管和导爆药隔开。由于错位式机械隔爆装置有机械运动，且机械运动不可恢复，因此产品总装前不能检查，故其工作可靠性较低。

为了提高引信安全系统的安全性、可靠性和可测试性，常规武器系统的引信安全系统逐渐采用全电子安全系统、直列式爆炸序列[6]。相对与传统的隔爆型安全系统，全电子引信安全系统有以下优点[7]：

1) 极好的安全性。冲击片雷管中不含任何敏感药剂，而且药剂不与换能元件直接接触，引爆冲击片雷管的高能脉冲在自然界中是不存在的。全电子引信安全系统容易实现恢复保险功能，因此可以保证在研制、试验、生产、储存、使用以及未来战场恶劣电磁环境下的高安全性。

2) 高可靠性。全电子引信安全系统主要由起爆控制部件和传爆序列组成。起爆控制部件由硬件处理电路和逻辑控制软件组成，在软硬件方面采用了光电隔离技术、RAM 数据保护技术、监视定时器、程序地址监控技术、硬件冗余技术、软件冗余技术等一系列技术措施来提高可靠性。传爆序列由冲击片雷管和传爆药组成，经过大量试验可以发现冲击片雷管在高脉冲电流作用下能够可靠发火。

3) 可测试性。全电子引信安全系统不存在机械结构部件，传统的机电和机械引信存在机械运动结构其保险具有不可恢复性在装配完成后无法全部功能测试，不利于系统排故和总装前测试；而全电子引信安全系统其保险具有可恢复性，能进行反复全功能测试(除火工品外)有利于配合弹上电气系统进行调试和测试。

1.2 引信电子安全系统发展现状

20世纪70年代引信电子安全系统率先在美国开展研究，经过二十余年的发展，20世纪90年代美国已开展工程化研究，1997年据报道美军已要求所有在研的高价值导弹引信必须采用电子安全系统设计方案，并逐渐向常规弹药推广。截止目前美军引信电子安全系统已形成三代系列化产品，广泛应用于导弹、火箭弹、制导炮弹、炸弹引信设计中，涉及主要产品包括AIM-9X、爱国者系列导弹、神剑制导炮弹、陶式反坦克导弹等主战装备弹药。2013年后据资料显示美军已开展榴弹、迫击炮等压制弹药用引信电子系统产品研制工作，电子安全系统已成为引信安全技术发展的重要方向之一。

国内电子安全系统发展较国外先进水平有近二十年差距，20世纪80年代开始进行研究，但碍于当时国内元器件性能限制，更多的是开展控制方式、环境信息辨识、安全失效等方面的理论研究，直到本世纪初方开展工程研制工作。截止目前国内电子安全系统还主要应用于高价值弹药引信设计中，但随着机载、舰载武器安全性要求的提升，近年来电子安全系统的需求逐年增加，整体设计、工艺、生产水平已较先前大幅提升[8]。

2 电子安全系统应用于水声对抗器材引信设计中的优势

2.1 复杂电磁干扰下的安全性

2.1.1电子安全系统火工品安全性分析

水声对抗器材作为防御型武器工作于己方舰船较近区域，此时己方舰船雷达始终处于工作状态，因此器材使用过程中势必存在大量值电磁辐射，辐射量值最高可达数3～6 kV/m；作为防御性武器往往布置于核心位置，必须能够保证战场电磁脉冲、雷电、电磁干扰压制等特殊电磁干扰条件下的安全性以防止对己方舰船产生伤害。对引信安全系统而言必须保证在此种恶劣条件下的安全性，从火工品角度分析，电子安全系统采用的冲击片雷管安全性指标较传统火工品有大幅提升，提升主要体现在安全电压方面。传统火工品安全耐受电压不超过30 V，冲击片雷管安全耐受电压可以达到500 V，以某型火工品为例，火工品两引脚间距3 mm，方向正切于磁场方向，则耦合电压最大，最大耦合电压V=E×d，以电磁脉冲50 kV/m场强进行计算，最大耦合电压值150 V，大于常规火工品安全电压，在此电磁辐射条件下可能造成传统火工品意外引爆；冲击片雷管安全电压大于500 V，电磁脉冲条件下引脚间耦合电压远小于安全电压，因此能够保证雷管的安全性。表1为传统雷管与冲击片雷管的安全性指标对比。从表1可以看出冲击片雷管安全性指标明显优于传统雷管，冲击片雷管的使用能够提高引信的本征安全性。

表1 传统雷管与冲击片雷管的安全性指标对比Tab.1 Safety index of traditional detonator and slapper detonator

2.1.2电子安全系统电路控制技术的安全性、可靠性分析

电子安全系统在设计方面与传统引信安全系统最大的不同体现在控制方式的不同。传统的引信安全系统按组成分为机械引信安全系统和机电引信安全系统。机械引信安全系统，保险依靠机械零件感受特定的发射环境实现保险解除，由于不涉及电路控制，因此该类型引信安全系统功能相对简单、可靠性水平不高，更多的应用于炮弹等常规弹药引信设计中；机电引信安全系统是在机械引信安全系统基础上发展而来的，设计中采用了电子线路实现部分解除保险控制功能，因此控制更加方便，能够实现机电复合控制，可靠性较机械引信安全系统有较高提升。电子安全系统有别于传统引信安全系统全部采用电子线路实现保险解除控制功能，安全控制技术方面，采用了双控制器协同控制、多个保险开关组合形式、多种传感器融合识别技术，解决了硬件、软件、保险件单点失效，弱弹道多信息融合可信的问题；可靠性方面，电子元器件的可靠性可以按照GJB299C参照军用电子产品无故障累计时间可靠性预计方法进行可靠性预计，根据安全失效率计算，安全失效率可达2.07×10-7，根据可靠性预计可靠性可以达到0.999以上引信电子安全系统安全性和可靠性方面较传统机械式、机电式引信安全系统有较大幅度提升。

2.2 新型电子信息技术的综合应用

水声对抗器材作为特种装备，其工作环境、弹道条件与传统弹药有较大区别，如何选用合适的特征环境作为解除保险条件是安全性设计的关键。传统引信安全系统通常选取发射过载、弹道转速等常规的惯性力环境作为解除保险环境信息。随着电子信息技术的发展出现了越来越多类型的传感器，可以为全电子引信安全系统提供更多类型的解除保险条件，为电子安全系统在更多领域的应用奠定了基础。

分析水声对抗使用周期内可能选用的环境信息包括发射过载、转速信息、海水开关、水深信息、水下目标声信息等。其中发射过载和转速信息通常较弱、持续时间较短，传统的机械过载、离心过载开关很难精确区分勤务处理和使用过程，因此设计中可以选用高精度的惯性传感器、转速传感器对其过程进行识别；海水开关、水深信息、水下目标声信息可以利用压力传感器和声探测器进行识别。电子安全系统内部全部由电子线路构成，通过选用不同的传感器易于实现特征环境信息识别，同时内部硬件资源相对丰富，可以通过串口、CAN总线、1553B总线实现与弹上控制系统及发射架控制系统进行数据通信，能最大限度发挥电子安全系统信息化方面的优势。

综上所述，电子安全系统设计中可以选择发射、投放过载、转速作为解除一级保险的条件，水深信息、海水水压作为解除二级保险条件，被动敏感目标声信息作为解除三级保险条件。

2.3 保险可恢复

水声对抗器材作为防御性武器，通常在己方舰船周围按策略布放多枚器材以实现对来袭鱼雷的干扰、摧毁，一旦舰船脱离攻击，需要短时间内恢复保险保证己方舰船航路安全。传统的机械式、机电式引信安全系统保险解除后很难自动恢复安全状态，且一旦保险解除外界电磁辐射等干扰条件下可能造成意外引爆，造成己方舰船的误伤；电子安全系统具有可恢复保险特性，恢复保险的方式主要有两种方法：第一，能源耗尽或切断能源，使逻辑控制电路不再工作；第二，设定安全恢复模式，安全恢复模式可以采用定时、接收指定等多种方式，电子安全系统进入安全恢复模式逻辑控制电路锁定安全状态，关闭所有保险件，不再执行解除保险流程，高压电容器通过泄放回路进行能量释放，此时电路始终处于耗电状态，直到能源耗尽。

3 引信电子安全系统在水声对抗器材中应用需要解决的设计问题

3.1 复杂电磁环境下的安全性、可靠性问题

引信电子安全系统本征上具有良好的安全性、可靠性，其工作采用硬件电路与软件逻辑控制相结合的方式，因此硬件电路和软件的可靠性直接决定安全系统的可靠性、安全性。

硬件电路方面，复杂电磁环境产生的耦合电压会造成硬件电路内部局部欠压、过压、尖峰脉冲，因此通常采用如下几种方式减小电磁干扰造成的影响。

1) 良好的屏蔽设计。首先是壳体材料方面，选择高导磁率材料或材料表面进行高导磁率材料涂敷；其次减少壳体开孔、缝隙；第三，开孔处、缝隙处进行必要屏蔽处理，减小外部电磁进入。

2) 电气隔离技术。电子安全系统通常采用弹上供电方式获取能源，弹上电池通常为多个设备供电，其中不乏舵机、分立火工品等易于产生电磁干扰的设备，为了减小弹上其他设备电磁串扰，电子安全系统可以采用电气隔离措施，对于电源部分采用直流电压隔离器进行隔离，对于数字信号采用磁隔离、光隔离，对于模拟信号采用光隔离、隔离放大等措施。

3) 硬件接口保护。为了防止电子安全系统静电、瞬间电气浪涌，设计中应考虑在必要接口增加接口保护器件，通常采用瞬态电压抑制器。

软件设计方面，复杂电磁环境下可能造成软件工作异常甚至跳飞，电子安全系统软件一旦出现工作异常或跳飞可能造成控制逻辑混乱引发安全性、可靠性故障，因此电子安全系统设计中需要着重考虑容错、防跳飞设计[9]。容错、防跳飞设计，主要利用看门狗、定时器等片上硬件资源中断实现，一旦软件未按流程执行，看门狗、定时器中断发生，软件跳转预定位置进行容错、跳飞处理，处理正常跳转正确位置，执行正确流程；其次在程序空白处填充固定位置跳转指令，一旦跳飞到空白区自动跳转固定位置处理。

3.2 自恢复保险可靠性问题

电子安全系统本征上具有高压充电结束，高压释放恢复保险特性(军标定义500 V以下为安全电压)，实现高压充电结束可以通过供电能源耗散、逻辑控制恢复保险、高压部件耗散等三方面设计保证系统可靠的在短时间内恢复保险，三者在设计上可以采用以下方法：

1) 供电能源的耗散设计方面

能源耗散设计方面，除了正常DC/DC电源转换等模块外，在输入电源端需要设计专用的耗散电路，以保证系统对电源持续处于消耗状态，解决电池长时间储能无法释放的问题，耗散电路设计采用的方法包括： a) 耗散功率计算，增加的耗散功率不能影响系统供电，同时又能保证短时间内能够将系统供电耗散完毕，通常情况下电源容量设计采用Ⅱ级降额设计，降额系数0.6，因此为了不影响系统可靠性，耗散设计应不大于原定功耗的10%～15%，采用耗散设计后降额系数达到0.7为Ⅲ降额；b) 耗散电路冗余设计，耗散电路需要具有极高的可靠性，因此为了保证可靠性可以采用两路泄放通道冗余设计保证耗散电路不出现问题。

2) 逻辑控制恢复保险设计

电子安全系统解除保险通过逻辑控制实现，通常采用三道保险设计，恢复保险同样可以通过设计合适的恢复保险逻辑实现，常规方法可以采用定时器、接收指令等各种措施，此种条件下不管安全系统是否已经解除一、二、三级保险，逻辑控制部件自动恢复三级保险，且自动锁定在保险位置不再执行解除保险流程，同时需要对内部解除保险标志寄存器进行清零处理，以防止程序意外执行。

3) 高压部件耗散设计

高压部件的耗散设计与供电能源的耗散设计如出一辙，均是通过设计外部耗散电路实现能量耗散功能，两者在设计上思路相同，区别在于高压部件耗散电路设计需要电压击穿、高压充电功率匹配。电压击穿设计方面，耗散电路设计通过选用高耐压电阻、二极管等高压电子元器件解决；高压充电功率匹配设计方面，通常高压变换器充电功率余量设计20%～30%，设计耗散选择为原定充电功率5%以下不会对高压变换器性能产生影响。

4 结论

本文开展了电子安全系统在水声对抗器材应用方面研究，重点分析了电子安全系统的优点和舰载水声对抗器材引信设计需要重点解决的设计问题。

分析表明采用电子安全系统的水声对抗器材引信能有效解决复杂电磁环境下的安全性、可靠性问题和自恢复保险可靠性的问题，同时针对设计中可能遇到的技术问题进行总结梳理，应用研究表明，电子安全系统能够满足水声对抗器材引信设计中安全性、可靠性和可恢复保险的使用要求，电子安全系统的使用将能够大幅提升该类型弹药的安全性、可靠性指标。