机场跑道侵彻弹随机装定与延时起爆系统设计

乔相信，卞友才，姜 飞

(1.沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳110159;2.空军驻吉林地区军事代表室，吉林吉林132021)

现代战争中，制空权的争夺越来越重要，毁伤敌机场跑道可有效遏制其空军力量的发挥，一旦跑道被破坏和封锁，可降低敌空军的活动频率。反机场跑道弹药的设计目的是尽可能长时间地封锁跑道，采用随机延时侵彻子弹药，可将起爆时间控制在从子弹药落地的一定时间范围内，从而有效地遏制敌机的起降。

针对国外最先进的机场反封锁弹药和技术存在的延时时间短的缺点［1］，采用带有破坏作用和延迟修复作用的封锁机场弹药与引信，对敌方机场跑道实施攻击，是一个切实可行的手段。本弹药引信系统与以往的封锁机场炮弹不同:采用两级串联战斗部，考虑发射和运动过程中的高过载对电子产品的冲击;将起爆数据装入PIC12C508，节省大量体积，使系统体积控制在较小范围;PIC的CMOS设计结合诸多节电特性，其功耗较低;采用激活的化学电源为系统供电，保证低功耗和较长时间的供电能力;起爆电源采用随机时间装定，起爆时间完全随机，可阻止敌方维修机械和人员接近跑道，延长封锁跑道的时间。

1 反跑道侵彻弹结构

由于反跑道侵彻弹的着速不高，在机场跑道非常坚固的情况下，弹头未必能顺利侵彻地表到合适的起爆深度，且在引信延迟起爆过程中，可能被敌方拆除，故提出具有串联战斗部的反跑道子母弹设计，在其前级有预制聚能装药，预先在目标上开辟一定孔径的弹坑，确保后级爆炸战斗部能侵彻到跑道内部，在引信延迟起爆过程中设置了防拆反排功能。反跑道侵彻弹结构如图1所示。

图1 反跑道侵彻弹结构

当母弹在一定高度开仓释放子弹，子弹借降落伞作用下落。子弹风帽的长度实现对炸高的控制，当弹体头部碰到目标时，发动机开始工作，推动侵彻战斗部向前运动，致发火机构触发前置引信，引爆前级预制聚能装药爆炸形成射流;在目标上开辟一定孔径的通道，同时引燃弹底推进装药，爆炸所产生的高压气流将侵彻战斗部推到前级装药爆炸开辟的通道底部，触发延时引信(即主引信);弹头在冲击地面时激活延迟引信倒计时，预设秒数走完时引爆弹头，这时弹头已经侵彻地表，并在地表下进行爆破，产生一定深浅的主弹坑和四周被耸动破坏的铺设面。

2 技术方案选择

对引信总体设计与技术方案选择时要考虑弹药总体性能及参数［2］。随机装定与延时起爆控制系统控制侵彻战斗部能按照预先装定的起爆模式起爆，瞬时起爆模式则引信立即起爆，延时模式则按照装定的延时时间起爆，延时时间随机定时。引信延时起爆过程中，具有防拆反排的能力。为使引信具备防排反拆功能，在延时过程中不断检测防排开关的状态，如果防拆开关闭合，立即起爆，否则继续延时程序。

随机延时起爆电路技术关键在于延时方式的选择和延时参数的装定以及起爆模式的装定［1－3］。从实现角度分析，可选择由程序控制的单片机实现，也可设计专用集成电路来实现。

1)延时方式的选择

单片机方式下，程序通过固定的延时程序实现计时;全数字电路方式下，通过多级计数器对时钟信号分频并计数完成计时功能，但电路设计较前者复杂，相当于由硬件实现软件的功能，集成后的芯片工作功耗大，体积也略大于前者。

2)工作模式和参数的装定方法

单片机电路可采用节省端口线的串行Flash ROM或EEPROM存储装定参数和模式，装定时对该芯片独立供电并进行数据写入。全数字电路可采用并行ROM以方便数据的读写。

文中综合考虑体积和功耗等问题，采用程序控制的单片机实现随机延时起爆功能。

3 随机延时起爆控制系统设计

随机延时起爆控制系统主要由外部装定电路和起爆系统内部控制电路组成，包括存储器模块、起爆电路模块、装定电路控制器、弹上控制器等。系统框图如图2所示。

图2 随机装定与延时起爆控制系统框图

工作流程为:装定系统初始化后，装定控制器把起爆模式和控制器中软件产生的随机数写入存储器，完成装定，由装定电路的电源为EEPROM存储器供电。当弹丸发射后，引信的化学电源激活为系统供电，此时弹上控制器把存储器中的起爆模式和随机数读出，当弹丸撞击目标产生过载信号后，根据读取到的起爆模式，立即起爆，或根据读取的随机延期时间进行延时，延时结束后输出起爆信号。

系统电路主要由弹下装定电路和弹上电路两部分组成。弹下装定电路把软件产生的随机数据和起爆模式的数据预置到EEPROM存储器中;弹上电路是在传感器碰撞目标获得信号后，从EEPROM存储器中读取预先装定的数据，按预定方式完成起爆。两部分电路都用单片机完成。

4 起爆控制电路设计

起爆控制电路如图3所示，主要由微控制器PIC12C508、二 极 管 4001、EEPROM 存 储 器AT24C02、模拟开关CD4016等组成。PIC12C508是一个8脚封装8位单片机，具有实用、低价、省电、高速和体积小等特点，其独特的RISC(精简指令集)结构，及独立分开的数据总线和哈佛总线(Harvard)结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位。PIC12C508的Harvard总线和RISC结构指令执行速度比一般单片机快4～5倍;

图中器件U1(PIC12C508)的VDD与引信电源的正极相连，管脚2和3连接数码显示模块的数据线和时钟线，管脚6和7通过4016与 U2(AT24C02)的数据线和时钟线相连，管脚6同时还是触发瞬爆或延时起爆的信号输入端，管脚5是瞬爆或延时起爆的信号输出端，管脚4接反拆开关。器件U2(AT24C02)在装定状态下，由外部电源供电，数据线和时钟线端口分别与装定器装定接口相连，去掉写保护，装定器向U2中写入装定数据。模拟开关的控制端CTRL被装定器强制接低电平，模拟开关未导通，存储器和微控制器未接通，在控制器一端呈现高阻态，故微控制器在装定模式下将不受影响。

图3 弹上电路原理图

电路的工作流程:引信正常工作状态下，EEPROM存储器由弹上电源供电，数据线和时钟线端口通过4016与器件U1(PIC12C508)相连。打开写保护以防装定数据被改写。控制开关控制端CTRL由上拉电阻拉高，控制开关导通，存储器到弹上控制器的数据传输通道形成，器件U1此时被启动正常工作，控制器可正常读出装定数据。传感器信号到来后，由软件读取数据，判断出装定的起爆模式，延期时间，触发起爆信号。

起爆电路的设计如图4所示。驱动及起爆电路由VMOS(Vertical Mos)管IRF540、RC充电电路和二极管构成。J5的管脚4接起爆电路的输入信号(PIC单片机的管脚5)，管脚3接地，管脚1接电源，管脚1和2之间接电雷管两端。VMOS管具有良好的性能，是电压控制型半导体器件，其输入阻抗极高，驱动电流在数百纳安数量级;开关速度高，高频特性好;具有负电流温度系数，热稳定性优良;没有"热崩"和"二次击穿"的问题，安全工作区域大，能避免传感器信号被干扰时错误起爆电雷管［4］。

图4 起爆电路原理图

图4中电阻和电容对平时干扰进行滤波，保护电雷管，二极管起到稳压作用。当起爆信号的电压值超过阈值电压时，VMOS管导通，引爆电雷管。

5 系统调试与试验验证

调试软件包括:MPLAB5.0、启东星光51单片机ICE16仿真器以及仿真程序。硬件包括:ICE16仿真器、RF810编程器、ROM紫外线擦除器、泰克220数字示波器等。将三个软件模块整合，形成装定器程序，编译后写入单片机，连接引信电路后加电，在主界面显示已有装定信息。通过多次装定不同的起爆模式并读出，认为装定和读取准确可靠，装定器调试完成。

该系统在某反跑道侵彻弹上进行了引信随机装定与延时起爆系统靶场实际试验。得到的技术指标为在0～48h内随机装定;作用可靠度达0.96，弹上电路尺寸小于φ20mm，延时过程中具有防拆反排功能，达到了预定的设计目标。

6 结束语

本文设计的随机装定与延时起爆控制系统试验结果表明，系统能很好的实现预期功能。引信电路能按照事先装定的起爆模式起爆，如果延时起爆，将在经过装定的时间长度后起爆，而且在延时过程中延时引信具有防拆反排能力。装定的数据是在一定范围内的一个随机时间值，这样引信何时起爆是一个未知数，使敌方对目标的修复困难，达到了有效破坏并较长时间封锁飞机跑道的目的。

［1］Rahdall D.Fuzing overview［C］.44th Annual Fuze Conference，2000，4.

［2］张清泰.无线电引信总体设计原理［M］.北京:国防工业出版社，1985.

［3］Frank Robbins.Fuzes for air force unguided and precision guided weapons［C］.46th Annual Fuze Conference，2002，4.

［4］刘靖，石庚辰.微机电系统(MEMS)技术及在引信中的应用［J］.现代引信，1997，(3):20 －26.