定距起爆引信弹出探杆加大长径比方法

张 岍，谷雨桐

(西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065)

杀伤爆破弹采用定高起爆可以大幅提高杀伤效率。破甲、爆炸成型和云爆等战斗部要求引信距目标一定距离作用，才可能发挥毁伤效果。目前，引信定距主要途径有无线电近炸引信定距、激光定距和探杆定距。

探杆定距实质为触发，炸距由探杆的长度决定，其最突出的优点是抗干扰能力强，不受电磁和光电环境干扰影响，也不受恶劣气候条件影响。探杆有固定探杆和弹出探杆2类：固定探杆装在弹的前端，长度约为200 mm，其简单、可靠，但由于探杆暴露在外面，其稳定性受弹丸飞行影响；对于弹出探杆，国内以往只能做到弹出长度≤1 m的弹簧杆，用于云爆弹炸高偏低，不满足使用要求。为此，本文对弹出探杆加大长径比的方法进行了研究。

1 弹出探杆工作原理和组成

弹出探杆作用原理是将弹簧压缩到壳体内并锁定，在接到解锁指令后，在内贮能力的作用下自动向外弹出，形成弹簧杆。若要增加探杆的长径比，提高炸高范围，就要求弹簧杆弯曲变形小，否则无法实现定距要求；因此，弹出形成一定长度的弹簧杆应能承受冲击载荷，且弯曲变形小、回弹小，这样才能实现引信定距起爆[1]。

弹出探杆主要由弹簧杆、敏感装置、控制机构、储线筒和壳体等部分组成(见图1)。

图1 弹出探杆组成示意图

弹簧杆制作是弹出探杆中的关键技术，其工艺决定着弹簧的刚度及弹出时间。

弹簧的种类复杂多样，要实现弹出探杆的功能应选择涡卷弹簧。涡卷弹簧分为平面涡卷弹簧和截锥涡卷弹簧：平面涡卷弹簧即为发条簧，主要应用于钟表、记录仪器和卷尺等，无法形成杆状，不满足探杆要求；截锥涡卷弹簧又名宝塔弹簧，外形呈空间截锥状，由加工成扁薄的弹簧钢板热卷成形，主要应用于外形尺寸受限制而又需要吸收巨大冲击能量的机械上，其刚度是变化的，在刚接触负载时刚度较低，继而转强，这一特性正好缓解了物体碰撞瞬间所产生的强烈冲击作用，因而广泛应用于重型机械上因工作载荷范围大、振动冲击较强、安装空间又受限制的减振装置上[2]。利用截锥涡卷弹簧特性可以形成弹簧杆，完成起爆功能。用有较大长径比的弹出探杆来实现定距高度，这一特性在国外武器系统中已经应用。

2 加大长径比方法

2.1 弹簧杆的选材

由于弹簧杆是非等节距、非线性特性的螺旋弹簧，设计计算非常繁琐，目前没有较成熟和准确的计算方法[3]。要达到引信弹出探杆的要求应有足够的圈数与材料宽度，然而随着圈数的增加，材料宽度增加的计算更为复杂；因此，应从弹出探杆的使用设计要求，即依据弹出探杆弹射时间和弹射长度、引信定距、触发的指标来确定弹簧杆的技术参数(如抗力、刚度等)。

依据截锥涡卷弹簧一般材料要求和引信产品要求，确定材料牌号、状态。通过对国内不锈钢弹簧钢带材料进行研究分析，确定弹簧杆选用硬度值470 ～ 490 HV的不锈钢弹簧钢带。根据引信要求指标，确定弹出探杆弹射长度为1.8 m，压缩后直径<34 mm，弹射时间≤250 ms。

2.2 弹簧杆的绕制及热处理

弹簧杆绕制成型、热处理是弹簧杆加工的关键工艺。由于长度1.8 m 以上的弹簧杆绕制过程中钢带经常会出现褶皱、边缘撕裂等现象，因此应采用热成型制造工艺。对截锥涡卷弹簧绕制成型的机理、方法进行反复试验发现，绕制速度、进料速度以及进料方向变化等工艺参数影响着弹簧杆的制作尺寸及绕制的表面质量，因此，应采用通用设备+专用工装来实现较长弹簧杆的绕制成型。

弹簧杆绕制成型后应进行热处理，使弹簧杆几何尺寸稳定，并消除内应力。为了提高弹簧杆的弹射速度，即减少弹簧圈与圈之间的摩擦，在热处理加热时应保证弹簧杆表面无氧化与脱碳，因此应在盐浴热处理炉或真空热处理加热炉中进行加热。

3 弹簧杆性能评价

截锥涡卷弹簧用作长径比较大的弹出探杆(轴向接近2 m)，其刚度及作用时的抗力是否满足定距起爆要求是实现探杆功能的关键；因此，提出用挠度比与抗力比来评价弹簧杆的性能，即通过对弹簧杆的挠度比与抗力比进行试验验证来判断弹簧杆性能。

挠度比是指弹簧杆在1 kg重力作用下，弹簧杆向下弯曲的距离与被测弹簧杆两支点之间距离的比值，用λn表示。该比值反映了弹簧杆刚度，λn越小，弹簧杆弯曲越小，抗冲击能力越强。抗力比是指弹簧杆分别在静载荷或动载荷作用下压缩量与原长度的比值，分别用λj和λd来表示。该值体现了弹簧杆承受抗力的能力，λj或λd值越小，可承受的抗力越强。

3.1 挠度试验

对绕制成型的弹簧杆(长1 825～1 835 mm，大端φ32.8 mm，小端φ22 mm)进行挠度试验，在1 kg重力作用下，当两支点之间距离为1 600 mm时，测量其弯曲量。试验方法如图2所示，试验及计算结果见表1。

图2 挠度试验装置

件号弹簧杆绕制长度/mm试验前距基准之间距离/mm加载后测量距离/mm挠度比/λn11825413410.50.0015621832413410.00.0018731835413411.00.00125

3.2 抗力试验

3.2.1 静载荷检测

在弹簧杆上端加载30 kg力，试验装置如图3所示。试验后,测量弹簧杆长度压缩量，计算出λj，结果见表2。

图3 静载荷试验装置

件号试验前长度/mm加载30kg力测量长度/mm压缩长度/mm抗力比/λj118251802230.0126218321808240.0131318351825200.0101

3.2.2 动载荷检测

直立弹簧杆，在其上端安装直径为7 mm的导向杆；采用1 kg重带孔砝码沿导向杆从0.5 m高自由下落撞击弹簧杆，试验装置如图4所示。试验后，测量弹簧杆长度压缩量，计算出λd，结果见表3。

图4 动载荷试验装置

件号试验前长度/mm1kg冲击力撞击后长度/mm压缩长度/mm抗力比/λd118251795300.0167218321798340.0189318351806290.0158

经过试验表明，用挠度比与抗力比评定弹簧杆是一种可行的方法。由于样品数量有限，与引信配合的试验没有进行，没有取得定距起爆的效果数据。笔者认为：在挠度比(在1 kg重力作用下)≤0.002，静载荷(在30 kg静力作用下)弹簧杆抗力比≤0.015，动载荷(1 kg砝码从高500 mm自由下落撞击弹簧杆)抗力比≤0.02的条件下，可以实现弹出探杆的作用功能。

4 结语

本文提出了定距起爆引信弹出探杆截锥涡卷弹簧加大长径比方法，包括弹簧杆的选材、绕制和热处理等关键技术，同时采用挠度比与抗力比来评价弹簧杆的性能。制作出直径<34 mm、长度为2 m的弹簧杆，弹出探杆弹出后可达到1.8 m，长径比可以提高80%。试验表明，在1 kg重力作用下，挠度比≤0.002，在30 kg静力作用下弹簧杆静载荷抗力比≤0.015，1 kg砝码从高500 mm自由下落撞击弹簧杆的动载荷抗力比≤0.02，可以实现弹出探杆的作用功能，满足云爆弹等引信的定距起爆需求，为引信提供了一种体积小、可伸缩、较为经济的弹出探杆。虽然以挠度比与抗力比间接描述弹出探杆的相对变量可以保证定距要求，但是尚未进行动态定距起爆试验，希望今后有合适平台得到应用。

[1] 李守义，张岍.控制弹丸炸高的引信用弹性伸缩探杆：中国，200610119640.X[P].2010-12-15.

[2] 陶隆棋.非接触平面涡卷与截锥螺旋弹簧优化设计[D].秦皇岛：燕山大学,2012.

[3] 颜纯.截锥涡卷弹簧的实用设计计算[J].机械设计,1990(4):13-16.