提高引信延期起爆可靠性的传感器弱防护方法

张 康，李文龙，张海涛，李朝阳

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

提高引信延期起爆可靠性的传感器弱防护方法

张 康，李文龙，张海涛，李朝阳

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

针对战斗部的舱罩影响引信延期起爆可靠性的问题，提出了提高引信延期起爆可靠性的传感器弱防护方法。该方法是在引信结构设计时把传感器与电路分级防护，特意不消减应力波对传感器的影响，传感器弱防护使其感知加速度因加速度真值与应力波扰动复合而增大，用于确定延期起点的预设加速度阈值、时间窗、占比等特征更显著，从而提高了引信延期起爆可靠性。仿真及试验结果表明：传感器与电路分级防护后，电路抗冲击性能不变，用于确定延期起点的加速度特征更清晰，实现引信延期起爆可靠性的提高。

引信；延期起爆；延期起点；传感器；防护

0 引言

现代战争中，打击机库、舰船、地下指挥中心一般使用高价值精确制导弹药，为保证起爆可靠性，引信一般采取冗余发火设计，除了卸载起爆、计层起爆等外，还设置固定延期起爆。但是导弹战斗部前面一般还有制导舱等，舱罩相对薄弱，影响延期的延期精度和延期起点确定的快速性，对延期起爆的炸点精度和目标的毁伤效果造成影响。

引信在弹体的安装位置、传感器的安装位置及防护形式不同，测试到的弹体过载特征有很大不同。文献[1]研究了侵彻过载测量装置在弹体轴向安装位置对测量结果的影响。弹载测量装置安装在弹体的重心部位时，所测得的加速度变化较小。越靠近弹体头部，所测得的过载越大，越靠近弹体底部，过载扰动越大。文献[2]研究传感器安装位置对高应变打桩监测结果影响，指出传感器安装在不同位置时，由于应力波的影响，监测结果差异很大。综上文献，可以看出传感器安装在不同位置，所测试到的过载特性也不同，加速度信号中所含的应力波成分也不同。文献[3]提出一种基于加速度传感器和MEMS开关信号卷积加权融合的计层算法，消除应力波等干扰影响造成分层特性不明显或信号异常带来的计层误差，以提高对多层硬目标的识别能力。针对战斗部的舱罩影响引信延期起爆可靠性的问题，提出了提高引信延期起爆可靠性的传感器弱防护方法。

1 引信抗冲击原理及现有延期起爆起点确定方法

1.1 引信抗冲击原理

战斗部侵彻硬目标过程中，侵彻体头部受到强烈冲击，冲击沿侵彻体、炸药、转接盘、引信外壳传入引信内部，引信要在这种强烈冲击环境中生存并正常工作。抗冲击措施应用中采取电路灌封加固防护、不同模块之间设置机械滤波垫片、选用低密度高强度材料，使用抗冲击的塑封元器件等措施对电路部件和传感器进行防护[4]。传感器与电路同级防护结构如图1。防护原理是将电路部件和传感器用环氧树脂灌封到本体内，把本体底部用聚四氟乙烯上垫片和铝合金下垫片进行防护。引信的这种抗冲击机理是机械滤波，依靠引信内部填充的力学特性差异材料介质形成的界面，降低应力波在介质界面处传递效率，实现应力波反射和透射衰减，提高引信的抗冲击能力[5-6]。

图1 传感器与电路同级防护结构Fig.1 Sensor circuit with the same level of protection structure

1.2 现有延期起爆确定延期起点方法

目前引信延期起爆中确定延期起点的方法主要有两种，一种是利用机械开关，另一种是利用加速度传感器。机械开关确定延期起点的原理是在复合战斗部风帽内与制导舱连接处安装一个或并联多个机械开关结构，战斗部首次碰靶后，机械开关瞬间挤压破坏实现内外极闭合，判定战斗部碰到首层硬目标，确定延期起点[7]。这种机械开关通电后相当于一个射频天线，由于对周围设备造成干扰，应用范围受到限制，目前在炮弹引信中采用较多。机械开关闭合即认为碰靶，十分可靠，但只能应用在碰撞到首层硬目标场合确定延期起点。

加速度传感器确定延期起点的原理是，战斗部碰硬目标后，单片机以一定采样率实时采集加速度值，利用连续实时的采集多个加速度值，计算所测量的加速度绝对值超出预设加速度阈值部分的采样点数量与该时间窗内采样点总数量的比值(简称占比)，通过占比判定侵彻体是否侵入硬目标，确定引信的延期起点。这种方法的优点是能多次利用侵彻加速度确定延期起点、识别所侵入硬目标层次和弹体出入靶状态等。这种方法的缺点是，由于带舱罩的战斗部侵彻首层目标过程中伴随着舱罩破坏，可能会因为侵入层硬目标的厚薄或强度特性存在差异，出现的延期起点延后问题，引信错过起爆的最佳时机[7]。

1.3 传感器与电路同级防护的副作用

单片机实时采集的侵彻加速度值由两部分叠加而成，一部分是加速度真值，一部分是应力波扰动。加速度测量值是加速度真值与应力波扰动复合的结果，传感器布置位置或防护型式不同，所测试到的加速度值会有很大差异。侵彻钢筋混凝土或钢板等硬目标，加速度真值(或感知加速度)幅度已经很高，应力波扰动使复合加速度加倍，会加重电路或机构破坏，影响引信正常工作。

引信设计时采取传感器与电路同级防护措施如图1。虽然这些措施在一定程度上降低了应力波对引信的危害，提高了引信的抗冲击性能，但是也消减了部分本应该施加到传感器上的应力波，使传感器本应该感知的加速度幅值降低了，这对那些依靠预设加速度阈值确定延期起点的计时起爆引信产生副作用。在战斗部遇上较薄或强度偏弱的首层硬目标时，由于所确定延期起点延后，副作用的危害更严重，甚至会出现侵彻体穿出目标后引信发出起爆信号，引信错过起爆的最佳时机。

2 提高引信延期起爆可靠性的传感器弱防护方法

2.1 传感器与电路分级防护结构

引信结构设计时，传感器与电路采取分级防护结构，如图2所示。分级防护原理是将电路部件用环氧树脂灌封到上本体内，把上本体底部用聚四氟乙烯上垫片和铝合金下垫片进行防护，以保证电路部件的抗冲击性能。调整传感器的安装位置，传感器直接用环氧树脂灌封到下本体内，以弱化传感器的防护。上本体与下本体之间有合金钢隔板。由于下本体底部没有聚四氟乙烯上垫片和铝合金下垫片来缓解弹体与引信间应力波的传播，传递到加速度传感器上的应力波分量会增多，从而实现了传感器所感知的加速度增大。

图2 传感器与电路分级防护结构Fig.2 Sensors and circuit protection hierarchical structure

2.2 传感器弱防护提高延期起爆可靠性的机理

传感器的防护型式不同，所测试的加速度幅值会有很大差异。传感器与电路分级防护后，电路防护级别没有变化，其抗冲击性能不变，下传感器弱防护，其感知加速度会增大。战斗部碰目标后，单片机以一定时间间隔T实时采集加速度值，连续采集N个数据，如果N个加速度值中有多于M个高于预设加速度阈值as时，则判定侵彻体的侵入硬目标，确定延期起点。

由于传感器与电路分级防护后，与原来传感器与电路同级防护方案相比，下传感器弱防护后感知加速度由于应力波的影响而变大。碰硬目标后，在一定时间段内采集加速度，高于预设加速度阈值的部分在数量上会增多，时间窗变宽，占比增大，满足高于预设加速度阈值条件概率同样会增大。与传感器与电路同级防护相比，所确定的延期起点会更早、更准，延期起爆可靠性会提高。由于下传感器感知加速度因应力波的叠加影响，尤其是当战斗部遇上较薄或强度偏弱的首层硬目标时，因真实侵彻加速度变小，即时预设加速度阈值仍旧保持固定不变，引信的延期起点延后的风险会降低。

3 验证

3.1 仿真验证

3.1.1 传感器与电路分级防护结构冲击仿真

参照传感器与电路分级防护结构图2，忽略电路部件部分，零部件之间连接关系简化处理，模拟引信的马歇特捶击试验环境，建立仿真模型见图3。冲击载体和冲击台的30CrMnSi材料选用双线性随动硬化模型，二者间定义侵蚀接触。45钢作为载体的电源模块选用线弹性材料模型，与引信壳体间边界上设置为共节点以模拟连接螺纹。上垫片为聚四氟乙烯材料，下垫片、上本体和下本体为铝合金，上下传感器用环氧树脂灌封材料代替，材料模型均选用带失效应变的弹塑性随动硬化材料模型，彼此相邻的零件间定义自动接触。为验证引信传感器与电路分级防护，下传感器7感知加速度的增大效果，保留上传感器，以与下传感器的仿真结果对比。

图3 传感器分级防护仿真模型Fig.3 Protection classification sensor simulation model

3.1.2 加速度曲线特征提取原则

从预设加速度阈值、时间窗和占比三个方面统计分析仿真得到的加速度曲线结果，评价传感器与电路分级防护仿真模型对提高延期起爆可靠性的作用大小、有效性，加速度曲线特征提取原理见图4。

1)预设加速度阈值。即在冲击后，用预设加速度阈值as确定高于预设加速度阈值的时间窗。

2)时间窗。即在多次出现高于加速度阈值情况下，加速度a的绝对值超出预设加速度阈值as部分的持续时间为时间窗tM。

3)占比。即在持续时间窗tM内，时间窗tM内加速度绝对值超出预设加速度阈值部分的采样点数量M与该时间窗内采样点总数量N的比值M/N称为占比。

图4 加速度曲线特征提取原理图Fig.4 Acceleration curve feature extraction schematics

3.1.3 仿真结果分析

对同一仿真模型，分别在冲击速度为5 m/s、10 m/s、20 m/s条件下进行仿真，提取上传感器2、下传感器7在冲击方向的加速度，分析传感器感知加速度曲线特征差异。仿真结果如图5-图10所示。采集上下传感器的中心位置在冲击方向上加速度随时间变化规律，数据采样率为200 kHz。

上传感器仿真的加速度变化规律如图5、图7、图9。下传感器仿真的加速度变化规律如图6、图8、图10。可以看出在同一冲击速度条件下，上传感器与下传感器所仿真的加速度包络一致性良好，但加速度幅值特征差异明显，最直观的差异就是下传感器的加速度数据的幅值偏大。

图5 冲击速度5 m/s上传感器加速度曲线Fig.5 Impact velocity of 5 m/s upper acceleration sensor curve

图6 冲击速度5 m/s下传感器加速度曲线Fig.6 Impact velocity of 5 m/s under acceleration sensor curve

图7 冲击速度10 m/s上传感器加速度曲线Fig.7 Impact velocity of 10 m/s upper acceleration sensor curve

图8 冲击速度10 m/s下传感器加速度曲线Fig.8 Impact velocity of 10 m/s under acceleration sensor curve

图9 冲击速度20 m/s上传感器加速度曲线Fig.9 Impact velocity of 20 m/s upper acceleration sensor curve

图10 冲击速度20 m/s下传感器加速度曲线Fig.10 Impact velocity of 20 m/s under acceleration sensor curve

对上下传感器加速度数据进行深入分析，得到加速度曲线特征对比见表1，冲击速度和加速度阈值同见表1。在同一加速度阈值条件下，与上传感器相比较，下传感器感知加速度时间窗变宽，占比增大，冲击加速度特征更加清晰。增大冲击速度后，下传感器感知加速度幅度变化最为明显，时间窗变宽，占比增大，说明传感器与电路分级防护可以增强弱防护传感器的感知能力，用于快速确定延期起点。

表1 上下传感器感知加速度特征对比Tab.1 The vertical acceleration sensor sensing feature comparison

3.2 动态试验验证

3.2.1 试验方法

在火箭橇动态侵彻试验中，带舱罩的战斗部侵彻4层薄厚不一致的钢靶，首层钢靶强度相对第二层偏弱，靶板厚度依次为10 mm、16 mm、8 mm、8 mm，间隔2.8 m。碰靶前战斗部速度681 m/s，着角小于5°，加速度信号采样率为100 kHz。传感器与电路在测试引信中的布置形式如图11，起爆控制电路部件，数据采集存储电路部件与传感器分别灌封在不同的腔室，上传感器用环氧树脂灌封到上本体内，下传感器用环氧树脂灌封到下本体内，即传感器与电路采取分级防护结构。测试引信安装在弹底轴心位置，通过机芯壳体与转接盘螺纹连接。

图11 传感器与电路分级防护的测试引信Fig.11 Grade sensor and circuit protection test fuze

3.2.2 试验结果

由于两个记录器分别采集上、下两个传感器的加速度数据。上传感器与下传感器所测试结果如图12和图13，可以看出上传感器与下传感器所测试数据一致性良好，但加速度曲线特征存在差异，最直观的差异就是下两个传感器的加速度数据的幅值偏大。依据前文所述的加速度曲线特征提取原则，深入分析数据，以弹体每一次穿过一层钢靶的时间范围内的加速度数据为研究对象，预设一定的加速度阈值，分析高于预设加速度阈值的时间窗和占比。

图12 上传感器感知加速度曲线Fig.12 Upper sensor senses acceleration curve

图13 下传感器感知加速度曲线Fig.13 Under sensor senses acceleration curve

传感器与电路分级防护后，上、下传感器的加速度信号的包络一致性很好。上下传感器的加速度均成功采集存储，表明电路的抗冲击性能没有受影响。深入分析测试结果提取加速度曲线特征，上下传感器加速度曲线特征对比见表2。预设加速度阈值取5 000g时，在战斗部侵彻首层靶时间范围内，下传感器感知加速度时间窗2.13 ms和占比57.8%，均比上传感器感知加速度时间窗1.80 ms和占比40.0%，下传感器感知加速度幅值因为应力波影响而增大，时间窗变宽、占比增大。当预设加速度阈值取8 000g时，下传感器感知加速度时间窗2.05 ms和占比41.1%，而上传感器感知加速度时间窗1.78 ms和占比25.6%，时间窗变宽、占比增大，同时干扰特征更少，用于确定延期起点的目标特征更加清晰。

表2 首层靶上下传感器感知加速度特征对比Tab.2 The vertical acceleration sensor detects the first floor of the target feature comparison

3.3 延期起爆可靠性提高效果分析

带舱罩的战斗部遭遇首层硬目标存在强度或厚薄特性差异时，预设加速度阈值固定不变，传感器与电路采取分级防护措施后，下传感器感知加速度增大，从图13、图14和表2可以看出，高于预设加速度阈值的时间窗变宽、占比增大，用于确定延期起点的加速度特征更加清晰，满足预设加速度阈值条件概率会随着加速度幅值增大而增大，从而快速、准确地确定延期起点，降低因硬目标强度或厚薄差异造成的延期起点延后的风险，提高引信延期起爆炸点精度。

4 结论

本文提出了提高引信延期起爆可靠性的传感器弱防护方法。该方法是在引信结构设计时把传感器与电路分级防护，特意不消减应力波对传感器的影响，传感器弱防护使其感知加速度因加速度真值与应力波扰动复合而增大，用于确定延期起点的预设加速度阈值、时间窗、占比等特征更显著，从而提高了引信延期起爆可靠性。仿真及试验结果表明：传感器与电路分级防护后，电路抗冲击性能不变，用于确定延期起点的加速度特征更清晰，实现引信延期起爆可靠性的提高。至于通过传感器弱防护提高延期起爆的可靠性，对单片机和信号处理电路软硬件资源的影响，需要开展大量动态试验或者半实物仿真来验证，有待进一步研究。

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Sensor Weak Protection to Improve the Delay Initiation Fuze Reliability

ZHANG Kang, LI Wenlong, ZHANG Haitao, LI Zhaoyang

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Warhead detonating fuze canopy affects the starting time accuracy. A starting time to improve the accuracy of the sensor fuze weak protection method was put forward. The fuze rating circuit protection structural was designed, and not be deliberately cut on stress wave sensor, which was weak protected because of its perceived acceleration acceleration for rigid body with composite stress wave disturbance increases. The starting point for determined the timing of the preset acceleration threshold, time window, accounting and other characteristics. The simulation and test results showed that the sensor and circuit protection classification, impact resistance constant circuit for determining the starting time of acceleration characteristics realized high accuracy of the fuze explosion point.

fuze; delay initiation; start time; sensor; protection

2016-05-10

张康(1985—)，男，山东郓城人，硕士，工程师，研究方向：机电引信技术。E-mail:happyzhangkang@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)06-0035-06