随机起爆子弹引信空气动力保险机构设计

彭志凌,孙 健,赵河明

(中北大学机电工程学院,太原 030051)



随机起爆子弹引信空气动力保险机构设计

彭志凌,孙 健,赵河明

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

在有限的子弹空间内布置各引信机构是随机起爆子弹引信设计的关键和难点,根据某随机起爆子弹药的工作要求,在研究引信工作过程的基础上,设计了由降落伞、保险筒、尾翼、扭转体和扭转簧组成的空气动力保险机构,并对扭转簧8个参数进行了理论计算,结合工程实际,得出了扭转体解除保险时间。结果表明,所设计的随机起爆子弹引信空气动力保险机构科学合理。

空气动力保险机构;子弹引信;随机起爆;扭转簧

0 引言

随机起爆子母弹药主要用于机场跑道设障、迟滞敌方的作战速度、清除敌方所设障碍和对敌目标实行封锁等方面[1-3]。

不同的应用场合对此类弹药引信工作要求不同。为了使随机起爆时间可控的子弹群具有能适应各种场合的战场需要，要求随机起爆子弹药的时间段可以按要求重新设定。因此，控制起爆时间的子弹引信是此类弹药的核心，其性能直接决定了弹药的效能。在引信尺寸严格控制的情况下，合理布置各零部组件是引信设计的关键和难点[2-4]。

文中通过研究随机起爆子弹引信工作过程，根据某随机起爆子弹药的实际工作要求，设计了由降落伞单元、 保险筒组件、尾翼部分、扭转体和扭转簧等零部组件组成的随机起爆子弹药空气动力保险机构。按照《引信设计手册》对决定扭转簧特性的八个参数进行了详细理论计算，结合实战情况，给出了扭转体解除保险时间。

1 随机起爆子弹引信工作过程

随机起爆子弹药仓储和勤务过程中，必须保证绝对安全。在开仓抛撒之前，引信处于未解保状态。抛撒后，子弹以较高的速度攻击目标，要求有稳定装置提供合适的空气阻力，使子弹速度调整到预定范围。引信工作流程如图1所示。母弹开仓之前，无线数据接受模块通过电磁感应原理获得电能并对数据进行接收与存储；子弹从母弹体中抛撒后，引信的伞盖机构将保险桶拉出，被释放的扭转体旋转，尾翼伸出，引信滑块的第一道保险解除。碰撞目标时，滑块剪切销被剪断，解除第二道保险。

2 引信空气动力保险机构设计

空气动力保险机构将空气动力作为解除保险的原动力，保险解除过程如图2所示。利用降落伞的空气阻力将保险套筒拉出，解除对扭转体的限制，扭转体在扭力簧的作用下旋转90°运动到位，滑块的第一道保险解除，尾翼伸出。

2.1 降落伞的设计

降落伞是空气动力保险机构的重要组成部分,它的设计主要是确定降落伞的外形与面积,降落伞在母弹中的位置如图3所示。

随机起爆子弹药抛撒将进行一个非常复杂的伞-弹系统运动过程，其受力状态、环境参数、系统外形与姿态等都不是恒量，很难建立精确的数学模型，因此在实际设计时都需要对伞-弹系统的模型进行简化，文中进行如下假设为：不考虑系统的扭转，降落伞的阻力与速度方向在同一直线上，忽略弹丸的空气阻力对降落伞的影响。

图1 引信工作流程图

由于设计降落伞的目的是为了将保险桶可靠地拉出,因此可以先求得保证保险桶刚好被拉出时的降落伞的面积,而后再进行放大来确定最终的降落伞的面积。

图2 空气动力解除保险过程示意图

同时,由于圆形伞比条形伞和十字形伞有更好的阻力效果,因此选用圆形伞。

图3 子母弹装配状态示意图

由空气动力学的知识可知:当伞-弹系统处于稳态下降时,若其速度为v,那么该回收系统的阻力为:

F=0.5×ρ×v2×(CDS)

(1)

式中:F为降落伞的阻力;ρ为流体密度;(CDS)为降落伞阻力特征;CD为伞的阻力系数;S为伞衣的阻力面积。

由于保险桶的质量为m=0.02 kg,摩擦阻力为f=1.96 N,则:

F=mg+f=20×10-3×9.8+1.96=2.16 N

又因为v=200 m/s(这是取最小,而实际要远高于此值),ρ=1.1 kg/m3,CD=0.8,则可以求得:

这是保证保险桶能否分离的最小极限值,为了保证在较短时间将保险桶可靠的拉出,取S=1.0×10-2m2。

2.2 保险筒的设计

保险筒的外径与弹体相同,高度为16 mm,壁厚1 mm,顶部与降落伞相连接。保险筒的作用是通过约束尾翼的运动来限制扭转体的转动。当子弹被抛散以后利用降落伞的空气动力将其拉出来。装配时的状态如图4与图5所示。

图4 整体装配图

2.3 尾翼扭转体的设计[4-7]

为了使子弹垂直落向目标,采用了3个稳定翼片,相互成120°均匀分布于引信体周围。尾翼厚度为1 mm,宽度4 mm,扭转到位时伸出长度为10 mm。在保险状态时如图6所示,3个尾翼旋入引信体内;当保险套筒被拉出后,3个尾翼在扭力簧的作用下旋出时的状态如图7所示。

图5 保险筒

图6 尾翼未解除保险状态

图7 尾翼解除保险状态

扭转体有两个作用,一方面将尾翼伸出,另一方面作为保险件。当扭转体转过90°后其缺省平面与滑块侧面平行,进而解除对滑块的限制。如图8与图9所示,分别是未解除保险与解除保险后的状态。

图8 滑块未解除保险状态

图9 滑块解除保险状态

2.4 扭转簧的设计

扭转簧是引信中的储能部件,它的作用是:在扭转体的约束解除以后,驱动其转动到位,使尾翼伸出,同时解除对滑块的第一道保险。在转动到位后,扭转簧还要保持有一定的扭转力矩,防止扭转体恢复[8-10]。

根据《引信设计手册》中扭转弹簧的设计原则,设计过程如下:

1)已知扭力簧的初始参数如下:

a)最小扭矩M1=(1.0±0.2) kg·mm;

b)最小扭角φ1=90°;

c)最大扭矩M2=(2.0±0.4) kg·mm;

d)最小扭角φ2=180°;

e)芯杆最大直径D0=4.50 mm;

f)最大自由高度hmax≤4 mm;

g)最大外径D2≤8 mm;

h)工作扭角φ=φ2-φ1=180°-90°=90°。

2)初定扭力簧的中径为:

D=D0+1.5=6 mm

3)依据《引信设计手册》中扭簧的设计方法,并根据扭簧自由高度、稳定性、最大外径、最小内径等综合考虑,所设计扭簧的弹簧丝直径d=0.6+0.02mm,扭簧圈数n=4.5,扭簧中径公差ΔD=0.5 mm,各圈之间的间距为0.2 mm。

4)扭簧中径缩小量为:

上式算出的δ是中径的平均缩小量,为防止工作时扭簧卡紧芯杆,取δ=1.5 mm。

依据《引信设计手册》中扭簧中径的计算公式可得:

5)扭簧的最大外径:

扭簧的最小内径:

最大自由高度:

hmax=ntmax+dmax=3.76 mm

6)验算扭矩M1和M2

已知特殊用途碳素钢丝的E=2.1×104kg/mm2,则:

以上计算结果与设计条件基本相符。

7)强度校核

则此扭簧在最大载荷下的弯曲应力为:

所以:σmax=(1+0.204)σ=236 kg/mm2

材料采用甲组的特殊用途碳素弹簧钢丝,其σb=285～315 kg/mm2,则:

[σ]=0.81σb=243 kg/mm2

σmax<[σ]满足要求。

综上可知,此引信扭转弹簧的参数确定为:

a)最小扭矩M1=(1.0±0.2) kg·mm;

b)最小扭角φ1=90°;

c)最大扭矩M2=(2.0±0.4) kg·mm

d)最小扭角φ2=180°;

e)最小内径D1=6 mm;

g)最大外径D2=7.56mm;

h)扭簧圈数n=4.5圈。

3 扭转体解除保险时间计算

扭转体解除保险的时间是指从保险筒被拉出后到尾翼完全伸出所需要的时间。在只考虑滑块压力影响因素时扭转体的运动方程为:

(2)

其中:J0为扭转体组合件对其转轴的转动惯量,这里取转动到位时的最大值为3.197kg/mm2;β0为扭簧的预扭转角度,取180°;β为转子的扭转角度,初始值为0°,转正到位时为90°;M为扭簧的扭转刚度6.248N·mm/π;f1为滑块与扭转体轴的动摩擦系数,为0.17;f2为扭转体轴与引信体的动摩擦系数,为0.15;N1为滑块对扭转体轴的正压力,为7.39N;N2为引信体对扭转体轴的正压力,为7.39N。r为扭转体半径,为1.5mm。

代入数据,解上述扭转体的运动方程可得扭转体在理想条件下转正到位所用时间为25.4ms。

4 结论

文中通过研究随机起爆子弹引信工作过程,根据某随机起爆子弹药的实际工作要求,设计了由降落伞单元、保险筒组件、尾翼、扭转体和扭转簧组成的随机起爆子弹药空气动力保险机构。按照《引信设计手册》对对决定扭转簧特性的8个参数进行了详细的理论计算,结合实战情况,给出了扭转体解除保险时间。结果表明,所设计的空气动力保险机构性能特性符合随机起爆子弹引信实战需求。

[1] 郑荣跃, 秦子增. 子母弹研究进展 [J]. 国防科技大学学报, 1996, 18(1): 60-64.

[2] 马宝华. 现代引信的控制功能及特征 [J]. 探测与控制学报, 2008, 30(1): 1-5.

[3] 李炜. 基于弹体扰动的巡飞弹多模战斗部引战配合技术研究 [D]. 北京: 北京理工大学, 2008.

[4] David Gudjohnsen, Marc Worthington. Development of the XM982 excalibur fuzing system [C]∥ NIDA 49th Annual Fuze Conference，April 5-7，2005.

[5] Biao Huang, Guo-yu Wang, Hai-tao Yuan. A cavitation model for cavitating flow simulations [J]. Journal of Hydrodynamics, 2010, 22(5): 756-762.

[6] Chu P C, Bushnell Jillene M, Fan Chenwu, et al. Modeling of underwater bomb trajectory for mine clearance [J]. Journal of Defense Modeling and Simulation: Applications, Methodology, Techology, 2011, 8(1): 25-36.

[7] Anon. LOCAAS retargeted against a moving vehicle [J]. Jane’s Missiles and Rockets, 2005(11): 59-60.

[8] 李华, 石庚辰. M EMS平面微弹簧弹性系数的研究 [J]. 探测与控制学报, 2005, 27(4): 41-43.

[9] 唐克, 张罗政, 杜涛. 子母弹性能对装甲目标毁伤程度影响分析 [J]. 弹箭与制导学报, 2009, 29(1): 118-120.

[10] 周晓滨, 方洋旺. 导弹制导半实物仿真的工程化研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2006, 26(4): 40-42.

Design of Aerodynamic Insurance Components of Random Detonating Fuze

PENG Zhiling,SUN Jian,ZHAO Heming

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051)

Allocation of fuze mechanism in limited space is key and difficult point for design of random detonating fuze. According to work requirements of a certain random detonating submunition, working process of bomblet fuze was studied. Aerodynamic insurance mechanism composed of parachute, insurance tube, spoiler, reverse body and torsion spring was designed. Eight parameters of torsion spring were presented through rigorous theoretical. Based on engineering practice, the time when released from quarantine was given. The results show that the design of aerodynamic insurance mechanism is scientific and rational.

aerodynamic insurance mechanism; bomblet fuze; random detonation; torsion spring

2014-09-17

国家青年自然科学基金(51305409);山西省自然科学基金(2013021020-2)资助

彭志凌(1976-),男,山西兴县人,副教授,博士,研究方向:探测制导与控制技术。

TJ430.33

A