引信的过去、现在与未来

2023-11-07张合

探测与控制学报 2023年5期

张合

(南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094)

0 引言

引信是集通信交互、传感探测、信息处理等诸多功能于一体的高密度集成小型光机电系统,是武器弹药的“大脑”,是决定弹药毁伤效果的关键。

为厘清引信的基本概念与发展历史,探讨引信未来的发展方向,本文揭示了先进引信的内涵,提出了先进引信必须具备的能力,探讨了先进引信发展中必须解决的问题。根据引信发展的内在规律,建立了支撑引信发展的四梁八柱,为加速发展智能引信打下了坚实基础。在回顾引信从仿苏、跟美到自研的发展历史下,创新性地提出了先进引信未来发展的系列方向,为先进引信设计理论的建立奠定了坚实基础。

1 先进引信的基本概念

引信是控制弹药起爆、开仓、分离与点火的重要系统,其技术水平是决定弹药精准毁伤的关键因素,一直是发达国家重点发展的核心技术。引信理论与技术涉及学科门类多、范围广,是多学科融合的结晶。先进引信指灵巧引信与智能引信,灵巧引信是智能引信的初级阶段,其特点是具有引战信息交联、环境与目标探测、信息快速处理与瞬态精准控制功能。灵巧引信的发展目前分机电、近炸与侵彻三大类,其控制子系统必须具备：在战场环境下,多域使用的瞬态探测能力[1]、多种类目标的精准状态识别能力[2]、选择打击特定目标的起爆控制能力[3]。现代战争模式推动引信向着信息化、灵巧化与智能化方向发展,其作战对象从单域、单种类目标向多域、多种类目标转换,其飞行速度提升到超高音速状态,导致引信在跨域飞行时的各类环境噪声与探测信号耦合干扰,弹药/目标高速交汇下状态与界面瞬态变化,高速侵彻过程多场耦合振荡与时延漂移等严重非线性效应。在复杂环境下具有多源信息获取与解耦、多种类目标属性认知、时延补偿瞬态精准起爆控制是灵巧引信必须发展的重要方向。为此,经过国防学科重点实验室灵巧与智能弹药引信创新团队多年的潜心研究、另辟蹊径,首次从环境属性辨识与适应、状态函数构建与时延表征、目标属性认知与攻防博弈等科学问题入手,在引信硬件与软件开发、仿真与靶场试验验证的基础上,建立了灵巧引信近程探测、状态与起爆三类控制器的数学模型[4],创建了灵巧引信设计理论[5],发明了灵巧引信三元级联控制器非线性过程控制方法[6],为灵巧引信瞬态精准起爆控制学科领域发展贡献了一个可参考的方向。

2 支撑引信发展的四梁八柱

引信的发展具有其内在的客观规律,随着自然、人为与战场环境的复杂性与强隐身、超高速与小型目标的抗打击性,构成引信的器件技术不断进步和设计者对出现问题的认知水平不断提高,引信已经不单纯是具有保证武器平台的安全和起爆控制功能,其能力提升到全寿命安全与瞬态精准起爆控制,促使建立了引信新的设计理论以适应现在与未来发展需要。支撑新理论的核心是引信技术的四梁八柱,四梁为全寿命安全性、高作用可靠性、融合探测与识别、瞬态精准控制;八柱为安全机构、传爆序列、环境与目标、交联与器件、传感与探测、目标识别与引战配合、距离与方位控制、试验与评估。在四梁中,前两者是引信的根本任务属性：全寿命安全性统筹考量了引信全生命周期各个环境的安全性影响因素和耦合关系,破除了传统设计方法中所存在的安全隐患;高作用可靠性突破了传统设计中单任务单作用模式的限制,从面向一般性复杂环境和多样化目标的实战角度更全面地考量引信毁伤控制的作用可靠性。后两者是引信过程控制中的两大关键步骤：融合探测与识别从体制上弥补了传统引信单体制探测识别的缺陷,为全寿命安全性和高作用可靠性拓展了关键信息源;瞬态精准起爆控制兼具开环控制的实时性优势和闭环控制的精准性优势,为充分综合利用多源信息实现全寿命安全性和高作用可靠性控制提供了技术手段。引信四梁八柱技术的发展与进步,将极大地支撑引信从能量流与信息流两个维度设计引信的硬件与软件,加快引信灵巧化朝智能化方向快速发展,实现智能引信的自动信息交联、自动探测识别、自主选择目标、最佳起爆控制四个能力,控制弹药实现精准毁伤,毁伤效能达到最大化。

3 引信的过去回顾

我国从20世纪60年代初,初步实现了引信产品制式化,从前苏联引进十多型引信并进行改进设计,基本满足了我军的装备需要。在安全性设计方面,沿用苏联的设计思想,对保险件进行双环境利用与保险,对隔离件进行单环境保险,采用火药药盘进行时间延期,针刺火帽传递能量,火焰雷管起爆传爆药,传爆药嵌入在主装药内(见航引-1、炮引系列等)。苏联的设计思想依据是：1) 底事件有较低的失效率;2) 引信所受的环境力较弱和电磁力基本不存在;3) 药剂之间的相容性好;4) 药盘时间精度满足使用要求。经过对前苏联仿研产品的分析可知,其设计思想表现为：简单的机械结构,可大批量生产且成本低廉,能经受恶劣环境与特殊条件下的考验。

20世纪80年代初,我国成立了引信专业组。80年代末我国同美国关系缓和,引进美国两型机械引信和一型近炸引信,在专业组的引领下,重点关注了美国在引信军标方面的发展(如1316B等),提出引信安全性设计必须采用两个独立保险件对隔离机构进行保险,可利用发射或弹道上两个独立环境分别解除隔离保险件,小口径弹药保险距离大于20 m,中大口径弹药保险距离大于60～200 m等,保证武器平台与人员安全。以马宝华教授为代表的科学家为此倾注了大量心血,在数十年时间创新性地研制了系列子弹引信[7]、迫弹引信[8]与中大口径榴弹引信[9]系列化安全系统等,目前已基本实现了保证武器平台安全的目标。另一方面,1962年7月与1964年1月,引信老专家胡凤年研究员分别组织召开了两次引信系列化会议[10],明确了引信“三化”的重要意义,为引信的发展奠定了坚实的基础。

4 引信的现在发展

目前引信的发展以先进引信的发展内涵为主线,以全寿命安全与瞬态精准起爆控制为理论基础,原创性的发展中国引信的设计方法、设计标准与规范、试验方法与评估体系。以四梁八柱的技术为突破点：安全机构需突破小型化、系列化与环境可利用等技术难点;传爆序列需突破小型化、各药剂适配性与传爆可靠性等技术难点;环境与目标需突破数据库的数学表征、特征分类与多变量可用因素快速提取方法等技术难点;交联与器件需突破武器平台与引信瞬态信息传输方式、自适应解调与抗干扰、能量流与信息流传输中抗干扰器件设计等技术难点;传感与探测需突破多源传感器集成、多源探测信息融合抗干扰与探测系统小型化等技术难点;目标识别与引战配合需突破多种类目标属性认知与建模、目标特征快速识别与时延补偿精准起爆控制等技术难点;距离与方位控制需突破弹目快速交汇时延控制、多源信息瞬态获取、目标方位与目标薄弱部位识别等技术难点;试验与评估需突破先进引信性能的实验室验证平台设计、引信综合性能靶场验证方法与性能评估数学模型建立等技术难点。在四梁八柱技术难点突破的基础上,引信的发展有望再上一个台阶,为智能引信的发展铺平道路。

图3 先进引信：智能引信的发展Fig.3 Advanced fuzes： the development of smart fuzes

5 引信的未来发展

引信产品作为武器系统的一个重要组成部分,集声、光、机、电、磁于一身,引信的发展主要依靠新的设计理论支撑,新的弹药发展需求牵引,同时需突破新型材料、各类新型传感器与探测方法、新集成探测与处理器件、微加工工艺、新传爆与起爆序列、新试验方法等关键技术,成体系与成系统发展先进引信设计理论、验证方法与评估体系。引信的发展应重点关注以下几个方面.

5.1 引信安全性设计理论的发展

引信经典安全性设计理论的发展经历了利用膛内发射环境的安全机构设计理论,保证了武器平台与发射人员的安全。随着战场环境的变化和对安全性认知的提高,平台安全距离外的弹道炸与瞎火弹处理从可靠性转化为安全性问题,要求全弹道安全或全寿命安全需求越来越迫切,全寿命安全设计理论是现在与未来发展的方向。其理论发展的中心思想是利用发射环境、弹道环境、引信与外部交联信息、可远距离探测目标与制导信息等,设置引信上电后电路稳定闭锁时间、同引信安全相关的状态检测等保证目标基解除隔离;引信的安全与起爆控制方法引入三元级联控制器,即探测控制器、状态控制器与起爆控制器。探测控制器获取各阶段的有用环境信息;状态控制器检测电路、拔销与控制器输出管脚等各主要与安全相关部位的工作状态;起爆控制器依据探测信息、状态信息与毁伤目标信息决策起爆时机;弹药一旦瞎火,引信在一定时间具有自毁和自失能功能,确保引信全寿命安全和瞎火弹安全处理。

图4 引信安全性设计发展Fig.4 Fuze safety design development

5.2 多源融合探测抗干扰技术的发展

近炸体制是我国中远程拦截弹药起爆使用的主要手段,传统设计方法中,缺乏复杂噪声工况下瞬态高效信息融合的理论支撑、多环境噪声耦合干扰下的基础数据,导致单一探测体制近程拦截效率低,给中远程防空反导与干扰防护带来重大隐患。针对目前复杂战场环境下的各类干扰现实,采用多源融合探测抗干扰技术是解决问题的方法之一;声、光、电、磁探测具有各自的优点和缺点,可根据弹药毁伤目标的需求,所处战场环境的态势,合理融合多种探测的方式;重点需突破瞬态多源信息融合探测建模、战场复杂多域环境数据库与属性分类集构建、云雾雨尘自然环境模拟探测试验方法等关键技术[11],建立多源信息最优融合解耦算法、抗干扰控制策略与引信非线性噪声干扰下多源探测器设计方法[12],创建探测控制器设计理论,解决目标近程瞬态探测与辨识重大难题。

图5 多源融合探测抗干扰技术的发展Fig.5 Development of multi-source fusion detection and anti-jamming techniques

5.3 瞬态精准起爆控制的发展

经典的开环控制无法解决接近目标时快速弹目信息匹配、侵彻目标过程精准探测、多目标分类与时间补偿等难题,只能采用固定参数延期起爆,毁伤效能低。针对缺乏对高音速侵彻过程中弹-目-引信结构体非线性力学传递认知、目标结构动态坍塌非线性界面效应、瞬态物理过程进行实时探测与识别的理论与方法,需突破侵彻过程引信瞬态力学传递建模、多传感器复合探测、单次与多次高冲击等效模拟试验、典型硬目标侵彻工况数据库构建等关键技术,建立线下虚拟闭环训练与线上动态匹配相结合的多目标属性认知方法、抗非线性干扰起爆过程控制策略,创建起爆控制器设计理论,解决侵彻多类硬目标引信可靠性不足、精度差等瞬态精准起爆控制重大难题。

图6 瞬态精准起爆控制的发展Fig.6 Development of transient precision detonation control

5.4 三元级联控制器集成技术的发展

引信实现弹药安全与起爆控制的核心是时空识别与过程控制,其中包含了状态控制器、探测控制器与起爆控制器三个主要控制单元。传统的引信开环控制设计方法中,三大控制器的信息通路相互隔绝、决策判断相互独立、控制误差相互叠加,其难以适配超高音速弹药、强干扰环境、多种类目标等复杂战场工况的根源。三元级联控制器集成设计理论从根本上突破探测控制、状态控制与起爆控制之间的信息壁垒,构建三大控制器之间的反馈关系和闭环回路。其中,在算法层面提出动态闭锁状态控制器、多源融合探测控制器、虚拟闭环起爆控制器的新控制构型,在硬件层面提出弱硬件资源下面向实时信息交互与轻量化智能识别的新运算构型,从而实现对控制时延的自补偿、对干扰环境的自适应、对多种类目标的自匹配,从根本上提升引信在复杂工况下的安全性水平和起爆控制精度。三元级联控制器方法作为本团队正在探索的新理论从理论上解决了控制器之间的信息壁垒,在实际应用层面还需进一步探索。

图7 三元级联控制器集成技术的发展Fig.7 Development of ternary cascade controller integration technology

5.5 能量流与信息流综合设计方法的发展

引信起爆控制系统主要由机械部件、电路部件与软件组成。机械部件的动作依靠外部能量和信息的获取进行工作;电路部件依靠电源激活或二次电源上电后开始工作,能量流的正确分配和流向直接关系到引信的安全性与作用可靠性;软件是引信信息流的控制中枢,是起爆控制策略的价值体现。在先进引信设计理论中,需进一步把独立的探测部件、信息交联部件、信息处理部件、目标识别部件、安全机构部件、传爆序列部件等能量流与信息流的输入与输出相关联起来,如电源或电池的选用、功率的匹配、电流与电压的大小、升降压的约束、光电隔离的限制、起爆裕度的设置等。能量流与硬件紧相关,信息流与软件紧相关,两者又不可分割。重点突破各类探测组件的集成与小型化、电路控制部件的集成与低功耗设计、安全系统的系列化与小型化、能量流与信息流一体化设计等关键技术,为发展多功能或多选择引信、智能引信打下坚实的基础。

图8 能量流与信息流综合设计方法的发展Fig.8 Development of an integrated design methodology for energy and information

5.6 微小型引信子系统集成设计的发展

引信微小型化是小口径引信发展的必然之路,也是各类引信发展的方向。我国开始关注引信微小型化设计起于20世纪90年代,目前安全子系统有两种生产方式,一种是采用体硅基微加工技术,另外一种是LIGA金属基微加工技术。由于抗高冲击的要求,2000年中期建立了LIGA集成生产线,出于多种原因如专业人才的缺乏、资金投入不足、设计水平偏低等,一直未形成引信制式产品,技术落后国外至少十年,需加快追赶步伐。目前可喜的是国内两种加工技术与生产线基本完备,有望在三到五年取得大的技术进步。引信探测与处理子系统的集成与加工已取得可喜的进步,8 mm波集成组件、激光收发一体集成组件正在工程化,极大地支撑了先进引信小型化、低功耗与低成本的发展。

5.7 先进引信数字化样机与性能试验验证的发展

先进引信数字化的发展需通过对所适应环境、打击目标等需求分析和指标验证分解,经过理论建模、数字化设计、数字化仿真、结构优化、数字化样机、虚拟试验、模块研制、半实物仿真与性能试验验证、原型样机等。其中,建模仿真及数字化部分由高校或研究所协助工厂完成,实物模块与样机部分可由工厂自身完成。先进引信在研制之初即对引信指标验证途径进行分解,并通过数学模型、软件仿真、数字化样机、模块及半实物仿真、性能验证试验、靶场试验逐级验证,根据每级验证结果不断修改完善和优化设计,将所有设计反复控制在每级验证的小循环内,替代传统引信“画+打”形式的大循环,大幅降低靶场试验次数和费用,加快研发周期,提升产品研制效费比。数字化样机跟随引信研发寿命的全周期,跟随所有设计改进不断迭代,与实物样机数字孪生,便于在产品研发的全寿命周期随时开展数字验证,并为后续产品设计提供基础模型,使引信研发进一步实现快速迭代。