带电磁锁定功能的弱发射环境后坐保险

刘小岗，邓震峰，雷军命

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

单自由度弹性后坐保险(以下简称后坐保险)是机电引信安全系统应用最广泛、最直接的保险形式。其作为识别发射环境的一道保险，机构简单，作用可靠，一般应用在发射后坐过载比较大的场合[1-2]。反坦克导弹的发射一般采用发射发动机和续航发动机两级发射。发射及续航过载均属于弱发射环境，发射过载一般为几十g，但持续时间仅在几十毫秒左右，不便于被后坐保险利用；续航过载持续时间较长，量值一般在10g以内。反坦克导弹机电引信的后坐保险大多利用续航过载解除保险。目前，大量应用的轻型反坦克导弹或巡飞弹的续航过载甚至不足3g，这样的弹道环境给引信后坐保险的设计带来了很大的困难。文献[3]提出一种可识别6g低发射过载的后坐保险机构，但参数不易调整，适应性不强。如果通过机构设计来区分发射环境和勤务处理环境将使得机构变得复杂甚至无法实现，可靠性更无从谈起。采用其他环境的保险形式在成熟度、可靠性、体积及成本等方面均不及后坐保险。为解决弱发射环境引信后坐保险对武器平台超低续航过载环境的识别困难，本文提出带电磁锁定功能的后坐保险。

1 后坐保险

1.1 后坐保险模型

反坦克导弹引信后坐保险一般利用导弹续航过载解除保险，后坐保险模型如图1所示。在实际应用中可在后坐保险筒侧向加限位，发射程序开始时解除限位。本文仅讨论后坐保险筒的动作过程，续航过载持续时间较长，量值一般在10g左右。后坐保险体积小、可靠性高，是首选的保险形式。在续航过载持续期间，后坐保险筒保持在解保位置，续航过载消失，后坐保险筒恢复原位。

图1 后坐保险模型Fig.1 Model of setback arming device

1.2 后坐保险筒受力分析

根据使用要求，后坐保险可靠解除保险过载系数为6,可靠保险过载系数为4。后坐保险模型参数如表1所示，后坐保险筒的受力图如图2所示。m为保险筒质量，弹簧质量仅为后坐保险筒质量的1%，并且系统工作在非谐振模式，弹簧的等效质量可忽略不计。

表1 后坐保险模型参数Tab.1 Model parameter of setback arming device

图2 后坐保险筒受力图Fig.2 Force diagram of setback arming device

从开始至t0时刻，位移x=0，后坐力F、引信体对后坐保险筒的反作用力F1与弹簧抗力N平衡，即0≤t≤t0时，位移x=0。在t0时刻，后坐保险筒开始启动。此时，F=N，

ma(t)=k(λ0+x)

(1)

(2)

当t>t0时：

(3)

(4)

对式(4)求解即可得到位移响应解析解。后坐保险筒位移x的解析表达式较为复杂，难以直观看出后坐过载环境参数周期T和过载系数K1的影响规律[4]。但对于弱发射环境后坐保险来说，动作过程已限定在发射周期，主要用途不是区分跌落过载与发射过载，而是响应最低发射过载，是解除第一道保险的基本条件。

2 带电磁锁定功能的后坐保险

导弹、巡飞弹等武器弹药续航/巡航过载极低，传统后坐保险无法适用。但在体积、质量及可靠性等方面要求极为严格的情况下，后坐保险具有很大的优势，要优先考虑。如果不用极低的续航过载而使用量值相对较大的发射过载是一种可行的解决办法，但必须克服过载持续时间短的弊端。带电磁锁定功能的后坐保险基于单自由度弹性后坐保险，可以感应量值相对较大的发射过载，又具备瞬时动作能力，满足对短时较大过载利用的条件。该后坐保险在解除侧向约束后为可恢复式保险，并作为副保险，保证平时及发射周期的安全。该保险同时具备对系统电源和环境力的逻辑识别。

带电磁锁定功能的后坐保险在经典后坐保险筒的下方设置了一个圆环形的电磁铁， 带电磁锁定功能的后坐保险模型见图3，后坐保险筒的材料必须为软磁材料。

图3 电磁锁定后坐保险模型Fig.3 Model of setback arming device with electromagnetic lock

平时，无过载、未通电时(参见图3(a))，在后坐保险簧的抗力作用下，后坐保险筒处于高位保险位置；发射前给侧向限位及电磁铁线圈通电，解除限位，但此时不能影响后坐保险筒的保险状态。发射时后坐保险筒在短时较大发射过载作用下克服后坐保险簧的抗力向下运动与铁芯上端面接触，电磁铁将后坐保险筒瞬间牢靠锁定，锁定持续时间根据系统需要设定。

断电后，线圈中的电励磁消失，铁芯无外加磁场，不再对后坐保险筒产生吸力，后坐保险筒在后坐保险簧抗力的作用下向上运动，恢复到初始位置，适用于失去作战时机，需要恢复保险的场合。工作过程中预定过载和持续加电缺一不可。

后坐系统的动力学运动过程(忽略空气阻力和摩擦阻力)如下：

(5)

式(5)中，k为弹簧系数；λ0为预压缩量，m；x为位移，m；F为电磁吸力，kg，其余参数同式(1)。

电磁铁铁芯结构示意图如图4所示。

图4 圆环形电磁铁铁芯结构示意图Fig.4 Sketch map of ring electromagnet

其吸力的大小可按电磁铁吸力公式[5]进行计算：

(6)

式(6)中，F为电磁吸力，kg；I为线圈电流，A；W为线圈匝数；δ为空气气隙长度，cm。

将式(6)代入式(5)即为后坐保险筒的位移与受力关系。

3 系统仿真及验证

系统仿真包括质量-弹簧系统和电磁系统混合仿真。由式(6)可知，电磁吸力F在接触瞬间才会急剧增大，系统可以简化为动力学过程和接触瞬间的磁力学过程并分别进行分析。动力学过程根据式(4)即可得到运动过程参数。本节主要进行磁力学(吸合力)仿真计算。经典设计方法在计算电磁铁吸合力时只考虑了线圈的电气参数及磁隙的影响，不考虑电磁铁结构布局对吸合力的影响[6]。有限元计算可以基于电磁铁的结构关系及电气特性对其吸合力进行分析，为电磁铁的结构设计及优化提供数据支撑。

电磁吸力的基本公式为[7-8]：

(7)

式(7)中，F为电磁力，J/cm；B为磁感应强度，Wb/cm2；S为磁极表面总面积，cm2；μ0为空气磁导系数，为1.25×10-8H/cm。

有限元计算的核心是求得所需计算气隙处的磁感应强度B的分布，根据式(7)采用单元积分求和计算气隙处的电磁力，从而求得整个保险筒所受的电磁吸力。

3.1 吸合力大小仿真计算

按设计结构给出线圈线径0.05 mm、匝数为1 350，线圈内阻为260 Ω，磁筒材料为工业纯铁DT4E。利用有限元分析软件Ansoft进行磁力学仿真计算，在求解器中定义气隙进行变参分析,并选择电磁力作为求解对象。图5为电磁锁定装置吸力与磁气隙的关系曲线，图6为电磁锁定装置吸合力与线圈输入电压的关系曲线。

图5 电磁锁定装置吸合力大小与磁气隙的关系曲线Fig.5 Relationship between electromagnetic force and distance

从图5可以看出，当后坐保险筒与磁筒之间的磁气隙为0时，20 V输入电压时的吸合力为10 N，30 V输入电压时的吸合力为13 N，大于后坐保险筒受到的极限外力6.14 N(150g近似半正弦波冲击)，此状态为工作状态，在工作电压范围内，吸合力满足要求。随着后坐保险筒与磁筒之间磁气隙的增大，其吸合力急剧减小，在0.2 mm时，吸合力已经很小，在1 mm时，吸合力基本为0，在后坐保险簧的作用下很快恢复至安全状态。

图6 电磁锁定装置吸合力大小与线圈输入电压的关系曲线Fig.6 Relationship between electromagnetic force and input voltage

从图6可以看出，电磁锁定装置的吸合力总体随着输入电压的增大而增大。20 V输入电压时的吸合力为10 N，有较大的余量。此后，随着输入电压的增大，吸合力持续增大。

3.2 断电后的磁吸力计算

根据后坐保险的使用要求，电磁锁定装置在断电后，线圈中的电励磁消失，铁芯无外加磁场，不应对后坐保险筒产生吸力，后坐保险筒在弹簧抗力的作用下向上运动恢复到初始位置。该要求可以确保后坐保险在总装测试过程中不会因为加电测试产生的剩磁对后坐保险筒产生影响，同时也保证了特定场合可恢复功能的实现。

断电后的磁吸力由材料的剩磁产生，DT4E材料的饱和剩余磁通密度为1 Gs，磁路截面积0.25 cm2， 代入式(8)[5]：

(8)

从计算结果可知，铁芯断电后由于剩磁产生的磁吸力远远小于弹簧力，因此后坐保险在电磁铁线圈通电后不会对后坐险筒的保险状态产生影响，只有后坐保险筒与电磁铁接触后，才会产生足够的吸合力。发射过载和正常工作电压必须同时具备才能维持在解除保险状态。电磁锁定装置在断电后，剩磁引起的吸力不影响后坐保险筒复位。

3.3 实验验证分析

根据带电磁锁定功能的后坐保险的应用特点，选取两种典型的环境条件对后坐保险进行考核验证，主要考核吸合状态的后坐保险在弹道环境下的吸合可靠性。

1) 随机振动过载

对后坐保险装置(吸合状态)施加如图7所示的随机振动，来考核装置的锁定可靠性。W1=0.04g2/Hz，振动时间为轴向30 min，供电电压20 V，以考核弹道飞行过载对吸合可靠性的影响。该条件下的峰值加速度按25g计算，抗力约为1.2 N，远小于吸合力，试验过程中全程吸合可靠，断电后可靠复位。

图7 随机振动曲线Fig.7 Random vibration curve

2) 冲击过载

冲击过载考核装置在发射时可靠吸合和弹道中保持锁定状态的能力。在12g发射环境，脉冲持续时间50 ms。根据式(2)，代入参数得t0=4.63 ms。对a(t)等效处理后可以得到位移与时间的函数，K为等效过载系数。

(9)

(10)

后坐保险筒到达底部吸合位置时，x=4.5 mm，t=16 ms，总时间为20.63 ms，在50 ms脉冲持续期间可以完成吸合动作，保险筒可被过载和吸合力可靠锁定在吸合状态。

对后坐保险装置(吸合状态)施加加速度峰值150g的近似半正弦波冲击，脉冲持续时间3 ms，供电电压20 V。在吸合位置，后坐保险筒受到的外力由两部分组成，一个是因冲击过载产生的惯性力，另一个是受到的弹簧抗力。考虑最严厉方向，后坐保险筒所受的冲击力与所受弹簧抗力方向一致，后坐保险筒所受的力F为二者之合(忽略摩擦力及弹簧等效质量)。

F=K1mg+N

(11)

式(11)中，K1取150，其余参数同式(1)。

F=150×4×10-3×9.8+0.26=6.14 N，峰值抗力小于下限吸合力10 N。冲击过程中吸合可靠，断电后可靠复位。

4 结论

本文提出一种适用于弱发射环境的带电磁锁定功能的后坐保险，该后坐保险可实现对短时发射过载的识别并可靠锁定保险筒，在持续加电及规定发射过载作用下解除保险，断电后可恢复保险。仿真计算和冲击、振动试验表明，该后坐保险在给定条件下能可靠解除保险，弹道抗冲击能力满足使用要求。带电磁锁定功能的后坐保险在不增加体积的前提下，为弱发射环境弹药平台引信提供了可行的保险形式，拓展了后坐保险的应用范围。