带加重柱的轴向安装惯性触发开关

房春虎,贾 瑾,陈智锋,周守锋

(西安机电信息研究所,陕西西安 710065)

0 引言

惯性开关是引信中常用的一种重要部件,主要用于控制引信爆炸序列中第一级电火工品电路的工作状态[1]。惯性触发开关最早见于上世纪50年代苏、美导弹机电引信和炮弹无线电引信。目前,国内多种引信使用的惯性触发开关,虽然尺寸参数各有不同,但大体都采用美国军用手册[2-3]中炮弹PF1无线电引信的结构形式。这些开关最低闭合阈值为70 g,最高的达到几百g,均用作引信近炸功能失效、落地后备发火的导通件。这种惯性触发开关结构简单,安装方便,装配前可以在离心试验装置上测试闭合力[4]。但是该开关灵敏度与弹道安全性之间矛盾比较尖锐,近几年已在多种引信研制中出现过灵敏度、瞬发度不足,炸坑过深的问题,并且解决过程中又可能发生早炸(触发引信弹道炸);在惯性触发开关用于大口径杀伤爆破火箭弹引信的应用研究中,同样出现过早炸与炸坑过深的问题。为解决惯性触发开关灵敏度与弹道安全性之间的矛盾,设计了带加重柱的轴向安装惯性触发开关。

1 原惯性触发开关及使用中的问题

1.1 开关基本结构

原惯性触发开关基本结构如图1所示[4]。开关闭合阈值为60～140 g,闭合行程0.4 mm。

1.2 开关在引信上的安装方式

所研究的火箭弹引信惯性触发开关轴线与弹轴垂直,在弹的横截面上120°均布并联安装三个惯性触发开关。

火箭弹以正常姿态落地时,惯性触发开关触杆沿开关径向倾倒闭合。若弹以非正常姿态落地,例如横向落地,至少有一组开关可以沿其轴线前冲闭合,导通起爆电路。

图1 原惯性触发开关基本结构Fig.1 The basic structure of the original inertial impact switch

1.3 故障现象

在实弹射击飞行试验时,出现早炸现象。早炸发生在弹箭分离后,战斗部在目标区上空下降过程中。迹象表明,早炸是由于引信惯性触发开关提前闭合造成的[5]。

为解决惯性触发开关在弹道意外闭合,将开关径向闭合行程由0.4 mm增加到0.8 mm,离心试验不闭合值由60 g提高到100 g,闭合值由140 g提高到160 g(由于阈值范围缩小,成品率由75%左右降至50%左右)。

经200～2 000 Hz的扫频振动试验和实弹射击飞行试验未再发生早炸。但是有一发由于落点土质较松软,战斗部钻地爆炸,产生较深的爆坑。

1.4 原因分析

问题首先出自开关径向安装。在旋转弹中,径向安装触发开关是有道理的。因为如果轴向安装,开关轴与弹轴重合尚可,如果不重合,离心力有使触杆翻倒的趋势,会使引信径向灵敏度变得不均匀,甚至引起早炸。并且实际安装中,两轴线不重合是不可避免的。

但是,大口径火箭弹不存在这样大的离心力,径向安装,反而导致引信的径向灵敏度不均匀,是不合理的。即使配置3个开关在横截面上均布,甚至再并联一组,6个均布,正好在开关方位碰击的几率仍然不大,加之每个开关轴向闭合阈值不同,冗余再多也难均匀。此外,长细比很大的火箭弹横向振动最强烈,为了防止横向振动在最灵敏的开关方向引起早炸,就需要降低所有开关的轴向闭合阈值。

由结构显而易见,开关闭合阈值的可调整的因素包括弹簧抗力、触杆质量与质心、径向闭合行程与轴向闭合行程。其中轴向闭合行程仅仅影响轴向闭合阈值,径向闭合行程和触杆质心仅仅影响径向闭合阈值,而弹簧抗力和触杆质量对二者都有影响。但是,加大开关径向行程降低的却是开关径向闭合阈值,降低了引信的轴向灵敏度和瞬发度,所以导致炸坑深。

2 带加重柱的轴向安装惯性触发开关原理

2.1 轴向安装

首要的改进措施是惯性开关轴向安装,即开关轴线与弹轴平行。这样,只要一个开关即可完成径向敏感,不像径向安装那样不同方向的灵敏度由不同传感器体现,从而降低了引信径向灵敏度散布。为了提高可靠性,可以并联冗余。并且,在没有高速旋转的条件下,与安装位置无关,只要轴线与弹轴平行,安装在哪里都可以。不管轴向受力还是径向受力,所有并联的开关闭合的机会均等,并且真正起作用的只有一个,即其中阈值最低的一个。这样,并联冗余实际上又一次降低了闭合阈值散布,轴向和径向均如此。

2.2 加重柱

开关轴向安装后,引信的轴向灵敏度取决于开关的轴向闭合阈值。并且不论并联多少,起作用的只是其中闭合阈值最低的一个。但是,该惯性开关的轴向闭合阈值散布比径向大,靠调试、筛选,可以控制阈值散布范围,却又会增加成本。为了解决惯性开关轴向闭合阈值散布的问题,在触杆下面增加了加重柱。当惯性开关径向受力时,触杆质量与质心都无变化,加重柱不起作用。但是当弹头受阻,惯性开关轴向受力时,加重柱会与触杆一同压缩弹簧,向前运动,相当于加大了触杆质量。可以显著减小开关轴向闭合阈值散布,并且同时也使闭合阈值降低,与径向闭合阈值拉开差距。开关轴向闭合阈值可以通过轴向闭合行程调整,并且对散布影响不大(也可以通过加重柱质量微调,但质量减小时,散布会加大)。

实际测试,当径向闭合阈值为80～140 g时,带加重柱的开关轴向闭合阈值可以达到50～70 g。显著减小了轴向闭合阈值,同时较容易地拉开了轴向与径向灵敏度的差距,使引信径向灵敏度降低,防止早炸;轴向灵敏度提高,防止炸坑过深,有效解决了二者的矛盾。

3 验证试验

3.1 火箭撬试验

用原惯性触发开关和带加重柱的敏感惯性触发开关,按径向和轴向两种安装方式,装入火箭弹战斗部引信部位,搭载火箭撬进行了验证试验。试验模拟战斗部落地,碰击软土和中等硬度土壤目标,测试出侵彻过载及开关响应过载的闭合情况。

对软土与中等硬度土地各试验一次,每次两组,一组轴向安装的带加重柱开关;另一组是径向安装的对照组。每组各14个不同参数的开关。

当目标靶是软土时(土壤硬度圆锥指数2.0～3.0 kg/cm2),触地瞬时速度96 m/s。测试的轴向侵彻过载曲线如图2所示,在弹尖触地6 ms后达到50 g,超过50 g的持续时间约60 ms,最大值在67 g左右。试验结果见表1。

图2 碰击软土目标靶轴向侵彻过载曲线Fig.2 Axial penetration overload curve for soft soil target impact

表1 碰击软土目标靶试验结果Tab.1 Test results of soft soil target impact

第1组轴向安装,全部带加重柱,标定的轴向闭合阈值为54～124 g。闭合的开关有4个,标定的轴向闭合阈值均不超过67 g;未闭合的开关有10个,标定的轴向闭合阈值均大于67 g。

第2组为径向安装,6个原开关,8个带加重柱。标定的径向闭合阈值为60～148 g。未闭合的3个,标定径向闭合阈值全部超过67 g;闭合的开关有11个。标定径向闭合阈值不超过67 g的4个全部闭合;但是有7个标定径向闭合阈值大于67 g的也闭合了,其中标定径向闭合阈值最大的121 g。

当目标靶是中等硬度土壤时(土壤硬度圆锥指数4.5～5.5 kg/cm2),触地瞬时速度 91 m/s。测试的轴向侵彻过载曲线如图3所示,在弹尖触地6 ms后过载值达到50 g,超过50 g的持续时间约140 ms,最大过载值约108 g。试验结果见表2。

图3 碰击中等硬土目标靶轴向侵彻过载曲线Fig.3 Axial penetration overload curve for medium hard soil target impact

表2 碰击中等硬土目标靶试验结果Tab.2 Test results of medium hard soil target impact

第3组轴向安装,全部带加重柱,标定的轴向闭合阈值为63～162 g。闭合的开关有9个,标定的轴向闭合阈值均不超过108 g;未闭合的开关有5个,标定的轴向闭合阈值均大于108 g。

第4组径向安装,6个原开关,8个带加重柱。标定的径向闭合阈值为78～165 g。有1个开关未闭合,标定的径向闭合阈值大于108 g;闭合的开关有13个,标定的径向闭合阈值小于108 g的9个全部闭合,但是有4个标定的径向闭合阈值大于108 g的也闭合了,其中标定径向闭合阈值最大的130 g。

3.2 试验结果分析

1)轴向安装时,离心机标定轴向闭合阈值与碰击试验实测加速度吻合,与理论分析一致。

2)径向安装时,离心机标定径向闭合阈值与碰击试验实测加速度有系统性差异,第2组离心机标定径向闭合阈值73～121 g的7个开关在实测67 g的径向过载下闭合;第4组离心机标定径向闭合阈值117～130 g的4个开关在实测108 g的径向过载下闭合。这一结果出乎预料之外,说明径向安装时标定值不足为凭,使用时需要加安全系数,从另一角度表现出轴向安装的优越性。

3)闭合与否与闭合阈值相关,与闭合间隙没有直接关系。

4)径向安装时,带与不带加重柱看不出差异。与理论分析一致。

5)第3组实验结果表明,轴向安装时,闭合延迟时间与标定闭合阈值大体相关,但在与实测过载相近时可能异常延长。

6)径向安装时闭合延迟时间与标定闭合阈值不相关,散布较大,并且闭合时间多数比轴向安装略短。

7)未发现弹道上闭合现象,但火箭撬试验振动情况与实弹飞行不同,不足为凭。

3.3 径向安装实测闭合值与离心机标定值不同的原因分析

开关的径向闭合与轴向闭合原理不同:轴向闭合时,触杆的惯性力压缩弹簧,超过预压值后开始运动,行程与受力线性相关。而径向闭合,触杆仅靠法兰外缘挤压弹簧的一侧,运动与受力不是线性关系。这就带来两个问题:

1)冲击与缓慢加力效果不同。如果这一分析成立,则开关的径向闭合阈值不宜使用离心机标定,应考虑用冲击试验台标定。

2)开关径向灵敏度的各向异性。在端面一侧受力的条件下,圆柱弹簧与橡胶缓冲垫不同,随受力点与弹簧丝位置关系变化,抗力会变化。实际安装与离心试验位置不同,阈值也不同。如果这一分析成立,标定开关径向灵敏度时需要多方位测试,并且筛选时还应剔除阈值各向异性散布大的开关。

此外,碰击目标时会引起弹体振动,实测径向加速度分量峰值竟然大于轴向加速度,达到300 g左右,见图4和图5。但是第1和第3组标定值与实测值的良好对应,以及第 2组和第4组标定小于 300 g(104～165 g)的4个开关没有闭合,已经表明,径向振动微秒级的持续时间不足以引起开关响应。

图4 碰击软土目标靶径向振动过载曲线Fig.4 Radial vibration overload curve for soft soil target impact

图5 碰击中等硬土目标靶径向振动过载曲线Fig.5 Radial vibration overload curve for medium hard soil target impact

3.4 射击试验

带加重柱的敏感惯性触发开关轴向安装于引信电路中,进行了火箭弹飞行试验。弹道安全,在松软耕地和沙石地面全部正常爆炸,炸坑很小。

4 结论

本文提出了带加重柱的轴向安装惯性触发开关。该开关在原惯性触杆下方增加了加重柱,并且轴向安装(轴线与弹轴平行)。测试、验证试验及分析表明:加重柱及轴向安装可以使开关实际闭合加速度与标定值吻合、引信轴向和径向灵敏度散布都显著减小、减少了开关冗余数量,并且使引信轴向灵敏度与径向灵敏度拉开差距,解决早炸和炸坑过深的矛盾,适用于火箭弹和其他非旋、低旋弹药。对于惯性开关径向灵敏度的冲击与缓慢加载下的响应,以及惯性开关的径向各向异性等课题,可以进行深入研究。

[1]尚雅玲,马宝华.基于计算机仿真的引信惯性开关结构设计[J].探测与控制学报,2004,26(2):44-46.SHANG Yaling,MA Baohua.An inertia switch structure design based on the computer simulation[J].Journal of Detection&Control,2004,26(2):44-46.

[2]美国军用手册引信[S].北京:全国引信标准化技术委员会,1998.

[3]美国军用手册现役引信概览[Z].西安:中国兵工学会引信专业委员会,2007.

[4]GJB/Z 135-2002引信工程设计手册[S].北京:总装备部军标出版发行部,2003.

[5]谭惠民.引信开关装置及其试验[M].北京:北京理工大学出版社,1990.