基于串联战斗部前级发火信号的引信起爆识别电路

李晓晨，张志远，李存利，李 仿，吴 奇

(1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065；2.西北工业集团，陕西 西安 710043)

0 引言

一、二级战斗部均为破甲战斗部的破-破方案战斗部是打击装甲目标的重要手段[1]。破-破战斗部主装药引信的延迟发火时间[2]是保证串联战斗部两级匹配、控制炸高[3]、高效毁伤装甲目标的必要条件[4]，主装药引信的延时起爆控制技术是此类战斗部的关键技术之一[5]。主装药引信延时起爆的时间零点为前级战斗部起爆，因此，可靠识别前级战斗部起爆是主装药引信发火的关键。目前单兵反坦克火箭破甲弹引信识别前级战斗部起爆的方法为基于介质开关，利用前级引信雷管爆炸产生的电离效应使介质开关导通。主装药引信延时电路识别到介质开关导通后启动延时。基于介质开关的起爆信号识别方法存在前级引信雷管瞎火主装药引信必然瞎火和介质开关导通时间极短的缺点。破甲弹引信前级起爆信号识别依赖介质开关导致的瞎火故障，其失效机理是介质开关导通时间过短导致引信识别电路漏采信号。本文针对上述问题，提出基于前级发火信号的起爆识别电路。

1 基于介质开关的起爆识别方法

1.1 介质开关组成

介质开关由上金属片、下金属片及中间绝缘片三部分组成，结构如图1所示。上下金属片为铝片，并各有一根引线连接到主装药引信延时电路。绝缘片为塑料，使上下金属片绝缘。为了使介质开关不损耗雷管的输出能量，金属片和绝缘片一般为0.1 mm厚。

图1 介质开关结构图Fig.1 Structural drawing of dielectric switching

1.2 基于介质开关的起爆识别方法工作原理

当破甲弹碰目标时头部开关闭合导通，前级引信发火电容通过头部开关向前级雷管放电，前级雷管起爆。雷管起爆时将介质开关击穿，在绝缘片中间产生一个圆形缺口，然后产生高压、高速等离子体[6]。等离子体通过介质开关中心的圆形缺口时产生电离效应，将上、下金属片导通。主装药引信延时电路识别到介质开关导通信号后启动延时，延时到时后输出主装药引信发火信号，实现主装药引信延时起爆。电路原理框图如图2所示。

图2 基于介质开关的起爆识别方法原理框图Fig.2 Principle block diagram of initiation recognition method based on dielectric switching

由图2可知基于介质开关的起爆识别方法，介质开关导通的必要条件是前级雷管的起爆。目前两级串联破甲弹引信大部分采用隔离雷管型安保机构，如果前级引信未能解除保险，雷管则不能接入发火回路，在破甲弹碰目标后前级引信雷管不能发火，导致介质开关不能导通。主装药引信延时电路失去延时发火的启动信号，从而导致主装药引信瞎火。

介质开关导通的时间为等离子体的持续时间。雷管起爆1 μs后产生电离，形成高浓度的等离子体，等离子体的持续时间约为 2 μs[6]。因此，主装药引信延时电路识别介质开关导通的时间窗口极短，严重影响主装药引信作用的可靠性。

2 基于前级发火信号的起爆识别电路

基于前级发火信号的起爆识别电路原理框图如图3所示，电路由三阶低通滤波器和光电耦合识别与调理电路组成。与图2相比，基于前级发火信号的起爆识别电路通过识别前级引信的发火信号作为主装药引信延时电路的启动信号。以前级发火信号作为启动信号，能够避免前级引信未解除保险导致主装药引信瞎火的缺点。基于前级发火信号的起爆识别电路通过三阶低通滤波器抑制外界电磁干扰信号；通过光电耦合识别与调理电路对引信发火的能量回路和控制回路进行光电隔离，避免不同信号之间的串扰，并将高电压、瞬态大功率和持续时间短的发火信号调理成为电压低、持续时间长的TTL电平信号，以方便主装药引信延时电路采集与识别。

图3 基于前级发火信号的起爆识别电路原理框图Fig.3 Principle block diagram of initiation recognition circuit based on firing signal of front charge

2.1 三阶低通滤波器

基于前级发火信号的起爆识别电路采用了三阶低通滤波器。为了有效抑制前级战斗部爆炸时产生的高频电磁干扰信号，三阶低通滤波器采用LC低通滤波器和RC低通滤波器的组合方式，电路模型如图4所示。LC滤波器中将L1串联在回路中，应用电感中的电流不能突变的特点，使前级发火信号的电流分量较为平滑，避免瞬态大电流对电路的浪涌冲击。LC滤波器对高频交流信号阻抗大具有较好的滤波效果，而对直流信号阻抗小，发火信号通过LC滤波器滤波后，能量损耗较小，有利于后续光电耦合识别与调理电路的可靠工作。RC滤波器放置在LC滤波器之后，可以对高频信号进行二次滤波，并通过电阻R1对发火信号进行限流，保护光电耦合识别与调理电路。LC滤波器和RC滤波器均为由分立元器件组成的无源滤波器，具有体积小、抗过载能力强、成本低、电路简单等优点。

根据图4模型，三阶低通滤波器的传递函数表示为：

(1)

(2)

如文献[7]所述，前级战斗部爆炸产生的电磁信号频段为20～100 MHz。由此，三阶低通滤波器的fP设计为小于10 MHz，可以有效抑制高频的干扰信号，并通过低频的发火信号。

图4 三阶低通滤波器电路模型Fig.4 Model for third order low-pass filter

2.2 光电耦合识别与调理电路

基于前级发火信号的起爆识别电路采用了光电耦合识别与调理电路。光电耦合器选用直流输入、NPN三极管输出型光耦，在电路中对前级发火信号进行隔离和放大。光电耦合识别与调理电路将幅值高、时间短的前级发火信号转换为主装药引信延时电路能够识别的电压低、时间长的TTL信号。电路模型如图5所示。

图5 光电耦合识别与调理电路模型Fig.5 Model for identification and conditioning circuit based on optocoupler

图5中，光电耦合识别与调理电路的输入端与输出端完全实现了电气隔离，输入信号对输出信号具有高隔离度，避免了瞬间大电流的前级引信发火信号对主装药引信延时电路的干扰。光耦原边输入信号UI，将产生输入电流If；副边在If驱动下光敏三极管导通，产生电流Ic，Ic通过R2产生输出电压Uo；Uo的变化，直接反映了前级发火信号的电压变化情况；延时电路通过判断Uo的上升沿确定前级发火信号的到来，并启动延时。

前级发火信号是具有直流特征的大电流功率信号，能够使光敏三极管瞬间饱和导通。光耦导通后，光敏三极管基区会超量存储电荷，超量电荷的消散需要一定时间，光敏三极管在此消散时间内仍能维持饱和导通。光耦的这种特性在Uo上表现为Uo高电平的维持时间大于前级发火信号的脉宽。即使前级发火信号很快消失，Uo高电平仍能持续一段时间，使延时电路信号识别的时间窗口延长，提高了主装药引信延时电路的作用可靠性。

3 仿真及实验验证

依据上述对基于前级发火信号的起爆识别电路的设计，制作了基于前级发火信号的起爆识别电路原理样机，对电路的幅频响应进行仿真分析，对电路的电性能和抗爆性进行测试。

3.1 幅频响应仿真分析

按照图4模型，L1设置为1 μH，C1设置为4.7 pF，R1设置为1 kΩ，C2设置为1 000 pF，使用MULTISIM的交流分析功能对三阶低通滤波器的幅频特性进行仿真计算，如图6所示。

图6 三阶低通滤波器的幅频特性曲线Fig.6 Mplitude frequency characteristic curve of third order low-pass filter

由图6可以看出，三阶低通滤波器的截至频率为1.5 kHz，对频率在20～100 MHz内的信号衰减180～240 dB，并且对频率在16.5～355.3 MHz内的信号出现陷波，对爆轰产生的高频信号抑制迅速增大。通过仿真分析，发现三阶低通滤波器可以通过频率小于1.5 kHz的低频信号，对频率大于50 kHz的信号衰减大于50 dB，对频率在20～100 MHz范围内的爆轰干扰信号出现陷波，抑制效果加强。

3.2 静态实验

采用电容向电阻放电的方法，产生不同幅值和宽度的脉冲信号，模拟前级引信发火信号，并施加到基于前级发火信号的起爆识别电路的输入端。光电耦合识别与调理电路工作电压为5.0 V，用示波器监测电路输出端，测试电路对发火信号的调理后的幅值与宽度。实验数据如表1所示。

表1 静态测试数据表

由表1可以看出，电路能够将10～100 V，脉宽大于5 μs的发火信号调理成4.4～4.6 V的TTL电平信号，并将信号宽度延展约30 μs。与基于介质开关的起爆识别方法相比，基于前级发火信号的起爆识别电路可以可靠识别不同幅度和脉宽的前级引信发火信号，并将主装药引信延时电路信号识别的时间窗口由2 μs提高到30 μs。

静态实验表明，基于前级发火信号的起爆识别电路可以将主装药引信延时电路信号识别的时间窗口提高一个数量级，可以适应低电压、小脉宽和高电压、长脉宽的输入信号。

3.3 抗爆性及动态实验

基于前级发火信号的起爆识别电路应用到某串联破甲弹引信中，引信抗爆性实验数据如表2所示，动态发火实验数据如表3所示。

表2 引信抗爆性实验数据表

由表2可以看出，电路在不同炸药类型和不同药量的爆轰环境下，能够可靠识别前级发火信号，完成主装药引信延时发火功能，延时发火时间均在设计范围内。抗爆性实验表明，基于前级发火信号的起爆识别电路抗干扰能力强，能够经受200 g聚奥8战斗部爆炸产生的爆轰和电磁干扰，并可靠识别前级发火信号。

表3 引信动态发火实验数据表

由表3可以看出，在配用弹种相同、实验温度相同、实验海拔高度提高、实验样本量增加的条件下，使用基于前级发火信号的起爆识别电路的引信比使用基于介质开关的引信作用率提高6%。基于前级发火信号的起爆识别电路能够在海拔5 000 m和-40～+50 ℃范围内可靠工作，具有较好的环境适应性。

动态发火实验表明，基于前级发火信号的起爆识别电路环境适应性强、工作可靠性高，能够可靠为主装药引信延时电路提供启动信号，显著提高了主装药引信的作用可靠性。

4 结论

本文提出了基于前级发火信号的起爆识别电路。该电路通过以前级发火信号取代以介质开关导通作为启动信号。通过设计三阶低通滤波器和光电耦合识别与调理电路等措施，延长了信号识别的时间窗口，提高了主装药引信延时电路的抗干扰性和作用可靠性。仿真和实验验证结果表明，该电路抗干扰能力强、可靠性高。基于前级发火信号的起爆识别电路为单兵反坦克火箭破甲弹引信的前级起爆识别提供了新的技术途径。