尾翼弹与近炸引信弹道匹配性及可靠性增长设计*

朴哲镐,刘 戈,韩 玉,崔 平,仲伟君

(1 驻724厂军事代表室,沈阳 110045; 2 沈阳军事代表局,沈阳 110001;3 解放军军械工程学院,石家庄 050003)

尾翼弹与近炸引信弹道匹配性及可靠性增长设计*

朴哲镐1,刘 戈2,韩 玉2,崔 平3,仲伟君3

(1 驻724厂军事代表室,沈阳 110045; 2 沈阳军事代表局,沈阳 110001;3 解放军军械工程学院,石家庄 050003)

文中针对尾翼弹与近炸引信匹配导致弹道早炸几率高的问题及解决措施开展研究。在分析尾翼稳定装置结构特点及作用原理,以及飞行弹道中引信受非预期信号影响引起早炸机理的基础上,找出可控制、可改进的因素,进而提出不改变功能特性情况下,通过改进设计个别零件相互间接口关系进而改善引信弹道环境的技术方案,实现可靠性增长。风洞试验结果表明,消除尾翼销轴装配间隙,能够有效降低因翼片振动造成的弹道早炸几率。

尾翼稳定装置;近炸引信;尾翼振动;早炸

0 引言

为拓展坦克炮杀伤爆破榴弹的用途,增加毁伤武装直升机的功能,设计研制了具有毁伤轻型装甲的战斗部、配用高灵敏度近炸引信的多用途弹药。出现的问题之一是配用对空目标的无线电近炸引信时,出现弹道早炸的几率较高,直接影响装备使用效能甚至安全。通过分析尾翼稳定装置结构及作用机理、近炸引信作用原理,发现尾翼随空气动力矢量的大小和方向不断变化,加剧振动从而产生物理场变化,对采用感应方式探测目标的近炸引信构成非预期干扰信号源。原制式弹尾翼采用铆接连接方式,在研究识别干扰源信号特性的基础上,提出改进设计尾翼座和销轴局部结构及连接方式、减小弹体振动的技术方案,通过模拟试验验证了改进方案的正确性。改进设计方案有效降低了引信早炸几率,实现了引战系统的可靠性增长。

1 引战系统分析

发射装药、弹丸外形结构、稳定装置与制式弹相同。文中仅就与弹道早炸相关的问题进行分析,包括与之有关的部件、结构、特性以及外弹道特定时段的特征分析等。

1.1 尾翼稳定装置结构及作用原理

该型榴弹采用前张式尾翼稳定装置,由尾翼座和4组尾翼片、销轴、固定销等组成,如图1所示。

图1 尾翼稳定装置结构

从装配关系来看,销轴以铆接方式连接尾翼座和尾翼片,固定销以螺纹方式连接尾翼座和尾翼片。固定销的功能是满足勤务处理需要,与外弹道无关,此处不作具体分析。为便于叙述,将稳定装置零部件的结构和装配关系定义为结构要素。结构要素共有4种配合关系:销轴与尾翼座径向配合(简称“接口1”)、销轴与尾翼片的轴配合(简称“接口2”)、尾翼片与尾翼座之间的横向配合(简称“接口3”)、销轴与尾翼座端面的轴向配合(简称“接口4”)。

尾翼座设计为气室结构,尾翼片采用斜切面结构。弹丸出炮口后,通过气室效应,尾翼片以销轴为轴旋转至完全张开,继而作用于尾翼片上的空气动力赋予弹体静稳定贮备,同时空气动力通过翼片斜切面产生旋转力,实现弹丸旋转,减少因某些不对称干扰因素引起的散布[1]提高弹丸密集度。

1.2 近炸引信与制式弹引信差异性分析

制式弹引信采用机械触发引信,近炸引信除具有触发功能以外,还具有感应发火功能。近炸引信通过探测目标的各种信号来确定目标的存在和方位,以控制引信适时作用。当引信接近目标时,振荡器天线接收到回波信号,通过检波获得多普勒信号,再经过放大电路进行处理,当信号达到预定值时,发火电路给出发火脉冲,电雷管起爆,引爆爆炸序列并使整个弹丸爆炸[2]。与触发引信的相同之处是具有各种保险机构、隔爆机构和爆炸序列等装置;不同之处是,近炸引信有一套实现近炸功能的近感装置。近感装置由敏感装置、信号处理装置、执行装置、电源等组成。

2 弹道任务剖面环境应力与早炸致因分析

2.1 弹道环境与早炸

弹丸出炮口一定距离,引信解除保险且近感装置启动。之后的弹道中,近炸引信一直处于接收外界信号的状态。早炸意味着弹道任务剖面中接收到的外界信号中,除了目标信息之外,还有非目标信息。非目标信息成为干扰因子,信号强度足以使转换的电压值超过门限值时,导致早炸。在飞行过程中,未与目标交会情况下,引信近感装置接收的外界信号中,当物理特性及峰值超过引信作用的门限值时,引信就会作用导致弹道早炸。

引信设计时虽然考虑了通过频率、幅值、时间和波形等目标识别和处理信息,但在实际中由于不同信号的物理特性有相同之处,当多种条件达到敏感装置启动条件时,就会导致引信误作用。

2.2 引信早炸非目标信号源分析

从适配性层面研究早炸问题,首先分析非目标信号来源。弹丸飞行一直处于电磁环境中,空间电磁环境的变化势必对引信产生影响。这其中既有自然环境变化带来的信号源,也有通讯信号甚至人为干扰的信号,统一称之为环境信号。同时,弹丸飞行以及与介质相对运动产生的物理场变化,同样对引信产生影响,称之为介质信号。外弹道阶段是引信承载于弹丸空中飞行的过程,即引信相当于载体上的一种装置,受到弹丸飞行产生的应力作用,称之为载体信号。

通过上述分析,伴随弹道任务剖面同步存在的非目标信号源有环境信号、介质信号和载体信号,上述信号对触发引信的作用不会造成干扰,但对配用近炸引信的弹药则属于干扰信号。非目标信号的叠加效应可能会引起早炸,要降低早炸几率,需降低非目标信号的影响,识别可控性并采取措施。

2.3 可控制信号源分析

无论何种结构和原理的弹药,弹丸飞行过程中三种非目标信号是同步存在的。其中,环境信号是完全不可控的因素;介质信号和弹丸与介质的相对运动有关,对于不同类型的尾翼弹丸,其气动外形不同,介质信号的特性也是不确定的,所以介质信号也是不可控的因素。

载体信号与弹丸结构及作用机理有关,其影响取决于引信的作用原理。通过前面稳定装置结构和作用原理分析可以看出,尾翼在全弹道上始终受空气动力作用,并处于旋转状态,空气动力与速度矢量有关,尾翼所受空气动力大小、方向不断变化,导致尾翼产生变频随机振动。

可通过改进载体的结构要素,改变载体信号特性。该型弹通用制式弹内外弹道性能,所以不能改变弹丸基本结构。载体信号是振动产生的噪声信号,如果适当控制振动,则可以缓解噪声信号。振动特性除与所受载荷有关之外,还与其自身结构要素有关。

3 稳定装置结构要素分析与改进设计

3.1 稳定装置结构要素计算

外弹道阶段,尾翼片受空气动力作用而旋转,实现弹体飞行稳定。振动与尾翼片关联的结构要素间隙有关。制式弹靠销轴以铆接方式装配连接尾翼座、尾翼片,结构要素共有4种间隙,经尺寸链计算所得装配间隙极值见表1。

表1 尾翼稳定装置结构要素的装配间隙

3.2 可改善环节分析

稳定装置作用时,要求尾翼片以销轴为轴自由张开。因此,接口2、接口3设计为间隙配合;接口1、接口4对尾翼张开无直接影响。销轴功能为连接并起转轴作用,消除接口1、接口4间隙不影响功能实现,且有利于减少振动。

3.3 稳定装置改进设计方案

尾翼片与尾翼座之间选择的铆接连接方式使得接口1、接口4两类装配间隙在客观上必然存在。改进的方案是使这两类间隙处于非松动状态,即使其处于固定状态进而消除间隙。

可能的技术方案有两种:第一种是涂胶固定方式,防止松动。该方法在工艺上容易实现,但外露的涂胶受弹药长期储存环境应力和发射时火药燃气作用影响,难以保证固定可靠性和长储寿命。第二种是螺纹固定方式,即在保证功能特性不变的情况下,只改进局部的产品基线,是从设计上解决问题、实现可靠性增长的有效途径。

具体改进设计的措施是:销轴一段设计为外螺纹(销轴与尾翼片转轴的部分外径保持不变,螺纹外径与原销轴外径一致或略小),尾翼座一段设计为内螺纹,铆接连接改为螺纹连接,以一定的力矩拧紧并采取防松动措施,有效保证弹道环境中销轴处于紧固状态,消除接口1、接口4间隙。除此之外,以压缩公差的方法减小接口2、接口3的间隙量。

3.4 改进方案定性分析及试验验证

振动是由于尾翼片受变矢量、变频的空气动力作用产生,消除或减少装配间隙能够有效降低载荷强度,有利于改善弹道环境应力。弹丸设计时,主要关注质心运动和弹道飞行稳定性,一般通过试验确定其最佳结构尺寸[3]。目前尚难以定量计算制式弹状态、改进状态尾翼片振动的特征值;同样,改进设计的具体方案有待于动态试验验证确认。

为验证分析结果,借鉴GJB150.16A—2009、GJB 150.17A—2009军用装备实验室环境试验方法中振动试验、噪声试验要求模拟弹道环境[4-5],将改进设计后的尾翼稳定装置固定于振动台,施加稳态振动,并选择掠入式噪声类型,对弹丸无尾翼片、尾翼销轴螺纹紧固、尾翼销轴松动等3种不同状态进行风洞对比试验。

试验过程中采集到的近炸引信信号处理电路放大输出信号如图2所示。

图2 风动试验近炸引信放大输出信号

为便于表述,用V1、V2、V3分别表示三种状态下的信号波峰值,用G1、G2、G3分别表示三种状态下的信号差值。试验结果表明:1)无尾翼片状态下,信号放大曲线均匀,G1小,最大波峰值V1小于1 V;2)尾翼销轴处于松动状态下,信号放大曲线波动最大,G3大,最大波峰值V3接近V1的3倍;3)销轴螺纹紧固状态下,信号放大曲线波动相对较小,最大波峰值V2约为V1的1.7倍,仅为V3的57%。试验结果表明,减小或消除尾翼销轴装配间隙,可使引信信号处理电路放大输出信号趋于平稳,能够有效降低因翼片振动造成的弹道早炸几率。

4 结论

理论分析和试验结果均表明,设计采用的固定尾翼销轴的措施能有效减缓尾翼片振动,有利于提高近炸引信的适配性,降低早炸几率。其中,销轴与尾翼座采用螺纹连接方式是一种有效的可靠性增长设计方案,从结构要素采取措施,无长储后可靠性降低的风险。文中涉及的匹配性分析局限于定性层面且未涉及引信的改进,要大幅提高该型弹药的可靠性水平,应研发目标信息辨识度更高的近炸引信,并重视和加强近炸引信环境适应性技术标准的研究与制定工作。

[1] 魏惠之,朱鹤松,汪东晖,等.弹丸设计理论 [M].北京:国防工业出版社,1985:219.

[2] 曹红松,张亚,高跃飞.兵器概论 [M].北京:国防工业出版社,2008:257-258.

[3] 张合,李豪杰.引信机构学 [M].北京:北京理工大学出版社,2008:236.

[4] 马少杰.引信试验技术 [M].北京:国防工业出版社,2010:45.

[5] 张文娜,熊飞丽.计量技术基础 [M].北京:国防工业出版社,2009:175.

BallisticMatchingandReliabilityGrowthDesignofFin-stabilityProjectileandProximityFuze

PIAO Zhegao1,LIU Ge2,HAN Yu2,CUI Ping3,ZHONG Weijun3

(1 Military Representative Office in No.724 Factory,Shenyang 110045,China; 2 Shenyang Military Representative Bureau,Shenyang 110001,China; 3 Ordnance Engineering College of PLA,Shijiazhuang 050003,China)

The problem and solutions of high probability of trajectory early burst caused by tail bomb and proximity fuze matching were studied in this paper.On the basis of the analysis of the structure characteristics and working principle of fin stabilizer,and early explosion mechanism caused by the influence of unexpected signal on fuze in flight trajectory,controlled and improvable factors were found to propose the technical proposal that without changing the functional characteristics,fuze trajectory environment could be improved by improving the design of the interface relationship between individual parts,and the reliability growth was realized.The wind tunnel test results indicated that eliminating tail pin assembly clearance could effectively reduce the early burst probability in trajectory caused by fin vibration.

fin stabilizer; proximity fuze; fin vibration; early burst

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.015

2016-10-10

朴哲镐(1964-),男,吉林图们人,高级工程师,研究方向:弹药质量控制及检测技术应用。

TJ410.3

A