一种引信系统火工品解保通路精确计算方法

孙倩华，王俊林，高 宗，王 丰

(北京航天长征飞行器研究所，北京 100076)

0 引言

引信系统作为武器系统中弹药毁伤的关键子系统，需完成对目标攻击的最佳时机选择和起爆控制[1]，除此之外，还需要根据武器系统的工作时序，分时引爆引信内的保险火工品，火工品是否能正常起爆决定了引信系统保险能否解除，直接关系到武器系统作战任务的成败，因此引信系统火工品解保通路的理论计算和试验验证的方法成为引信系统设计中的一项重要内容。

以往，引信系统火工品解保通路设计主要根据某条通路上火工品的阻值范围及线阻，结合电池提供的电压值范围粗略地估算限流电阻的阻值，使起爆电流在火工品的额定范围内[2]。由于冗余设计在引信安全系统中的广泛应用[3-4]，在工作时序上存在多个火工品在某一时间段内同时作用的情况，会造成不同段的线阻产生串并联的现象，以至于真实的发火电流与理论计算存在一定的偏差，从而影响引信系统解除保险的可靠性。针对该问题，本文通过建立引信系统解保通路的等效模型，表征出解保通路的各种串并联关系，通过对模型的推导给出限流电阻与通路电流的关系，从而提出一种引信系统火工品解保通路电流的精确计算方法，并经过模拟试验和发火试验验证了理论计算的正确性。

1 引信系统解保通路组成及工作时序分析

1.1 引信系统解保通路组成

某引信系统的解保通路涉及到的单机包含供电电池、控制器和两枚引信。供电电池为解保通路提供能源，控制器为引信提供解保信号。引信的保险机构由两个互相独立的保险件组成：第一级保险件为电磁拔销器[5]，第二级为火药拔销器[6]。其解保通路分为两级，分别为电磁拔销器通路和火药拔销器通路，按要求时间发出时序控制指令使两级保险机构作用，负载是电磁拔销器和火药拔销器的脚-脚电阻。典型引信系统火工品解保通路从功能上由供电电池、控制器指令控制及指令分配、引信指令控制、负载五部分组成，如图1所示。

供电电池一般为热电池，作为引信系统的工作电源以及提供引爆火工品所需的能量。电池的电压及电流根据实际负载情况来确定，控制器及引信的控制通过继电器实现。两级负载中，电磁拔销器线圈阻值为8～10 Ω，动作电压为15～23 V，二级为钝感火药拔销器，桥丝阻值为0.8～1.2 Ω，起爆电流为5～10 A。

1.2 引信系统工作时序

典型引信系统的工作时序为系统感受到第一道环境力后，控制器向两枚引信发送电磁拔销器信号，感受到第二道环境力后向两枚引信发送火药拔销器信号，之后引信先打开电磁拔销器通路，持续一段时间后打开火药拔销器通路，持续一段时间后先关闭火药拔销器通路再关闭电磁拔销器通路。负载的工作时序如图2所示。

图2 引信系统负载工作时序Fig.2 Working sequence

由引信系统的工作时序可以看出，引信的两个火工品起爆时两个电磁拔销器仍处于工作状态，此时系统电流最大。

2 解保通路精确计算方法

2.1 解保通路的等效模型

根据引信系统解保通路的基本构成，建立解保通路的等效模型，如图3所示。

图3 解保通路等效模型Fig.3 The equivalent model

图3中，R1为“电池+”到控制器的线阻，R2为“控制器+”到引信的线阻，R3为“引信+”到保险机构的线阻，R4为限流电阻，R5为保险机构内阻，其中RX-1、RX-2为引信1、引信2的电磁拔销器通路，RX-3、RX-4为引信1、引信2的火药拔销器通路，R′1、R′2、R′3为回线线阻。

引信系统的工作时序映射到图3即分为六步：一是K1闭合，二是K2闭合，三是K1-1、K1-2闭合，四是K2-1、K2-2闭合，五是K2-1、K2-2断开，六是K1-1、K1-2断开。当K1-1、K1-2、K2-1、K2-2闭合时所需电流最大，图3可变化为图4。

图4 简化模型Fig.4 The simplified model

由图4可以看出，A、B两点处构成典型的“Y”型电路，利用基尔霍夫定律，所有进入某节点的电流的总和等于所有离开该节点的电流的总和[7]，可以实现“Y”型电路向“△”型电路的转化，如图5所示。

图5 “Y” 向 “△”型电路转化示意图Fig.5 The schematic of “Y” to “△”

“Y”型电路向“△”型电路的电阻转化公式为

(1)

因此，图5转化为“△”型电路，如图6所示。

图6 “Y”型向“△”型电路转化模型Fig.6 The conversion model of “Y” to “△”

根据式(1)，转化后的电阻阻值的计算公式为

(2)

图7 电路简化模型Fig.7 The simplified model

图7中，i1、i2分别为引信1电磁拔销器、火药拔销器的电流，i3、i4分别为引信2电磁拔销器、火药拔销器的电流，电阻阻值的计算公式为

(3)

因此，电磁拔销器、火药拔销器的电流计算公式为

(4)

2.2 模型分析

由式(4)及图3可知，电磁拔销器、火药拔销器的电流可以表征为自变量R1、R2-1、R2-2、R3-1～R3-4、R4-1～R4-4、R5-1～R5-4、R′1、R′2、R′3的函数，以单一自变量增加1%，计算火药拔销器通路电流的变化情况来研究各参数的权重，计算结果见表1。

表1 自变量权重Tab.1 The weight of arguments

由表1可以看出，R4-3火药拔销器限流电阻和R5-3火药拔销器内阻的权重最大，而线阻的阻值相对较小因此权重较低。

2.3 解保通路的设计

引信系统解保通路的设计，主要考量解保通路的电流是否在火药拔销器的电流范围。由图3可知，电池的电压由热电池本身特性决定，线阻在设计完成后即是固定的，其阻值较小。电磁拔销器、火药拔销器的阻值也由产品本身特性决定，因此，解保通路的设计主要是针对火药拔销器限流电阻的阻值，即在确定限流电阻阻值时，确保在极限条件下火药拔销器的电流在正常工作范围内。

以某引信系统为例，供电电池电压U为(28±4) V，电磁拔销器阻值R5-1、R5-2为(9±1) Ω，电磁拔销器限流电阻为(5.1±0.255) Ω，火药拔销器阻值R5-3、R5-4为(1±0.2) Ω。不考虑线阻的微小变化，线阻R1、R′1为0.1 Ω，R2-1、R2-2为0.21 Ω，R3-1、R3-2、R3-3、R3-4为0.08 Ω，R′2、R′3为0.29 Ω。由式(4)可知，在电池电压最小、电磁拔销器及其限流电阻取最小值、火药拔销器及其限流电阻取最大值时，火药拔销器的电流最小，火药拔销器电流为5 A时的限流电阻为2.2 Ω；在电池电压最大、电磁拔销器及其限流电阻取最大值、火药拔销器及其限流电阻取最小值时，火药拔销器的电流最大，火药拔销器电流为10 A时的限流电阻最小为1.1 Ω。通常，为兼顾可靠起爆和降低电池功耗的考虑，火药拔销器的电流应控制在5～8 A，此时限流电阻为1.9～2.2 Ω，因此，限流电阻设计值取2.0 Ω，此时火药拔销器的电流范围为5.29～7.72 A。

2.4 可靠性分析

火药拔销器内部火药作用的可靠性以及机构动作的可靠性相对较高，其综合作用可靠性很大程度上取决于火药拔销器的通路电流能否使桥丝正常作用，因此火药拔销器通路电流设计，也就是限流电阻的设计对火药拔销器作用乃至引信解保可靠性至关重要。

采用传统方法，根据火工品的阻值及线阻粗略地估算限流电阻的阻值，算法如下：

(5)

若要将该引信系统火药拔销器电流控制在5～8 A之间，利用式(5)计算可得限流电阻阻值为2.5～2.9 Ω，限流电阻通常取2.7 Ω。

按此限流电阻，用本文的方法即式(4)进行计算：当供电电压取下限24 V，电磁拔销器、火药拔销器阻值取上限时，火药拔销器通路电流最小，电流值为4.55 A；当供电电压取上限32 V，电磁拔销器、火药拔销器阻值取下限时，火药拔销器通路电流最大，电流值为6.55 A。由此可以看出，火药拔销器的下限电流4.55 A小于可靠发火电流下限5 A，存在火药拔销器不能正常作用的风险。

综上所述，采用本文所述的方法计算出的火工品限流电阻的阻值，相比传统方法更加精确、合理，可以提高引信系统解保的可靠性。

3 试验验证

3.1 模拟试验验证

由于火工品为一次性作用产品，风险高、费用大，并且短时间内无法进行多次试验。为了验证设计方法的正确性，通常在正式发火试验前进行模拟试验。模拟试验采用30 A直流稳压电源模拟控制电池，采用1 Ω、50 W的火工品电阻代替火药拔销器，利用VisionMR6000型存储记录仪以及3273型钳形探头对电流进行实时监测，存储记录仪采样频率设置为200 kHz，可以满足快速准确测量瞬态电流的需求，测试方案如图8所示。

图8 模拟试验示意图Fig.8 The simulation test

模拟试验的各个电阻实测值如表2所示，测试结果如表3所示。由表3可知，模拟试验测试结果与理论计算结果基本一致，满足火工品起爆电流要求的同时确保系统电流不超过20 A的指标，由此可知，引信系统火工品解保通路的设计合理。

表2 模拟试验阻值Tab.2 The value of resistance in the simulation test

表3 模拟试验测试结果Tab.3 The results of the simulation test

3.2 发火试验验证

正式发火试验时，采用热电池供电，引信安保机构与全备引信保持一致，传爆序列用惰性物代替，按照弹上工作时序控制火工品起爆，在控制器与引信连接电缆处进行电流监测。现场实测电阻如表4所示，其中火工品阻值为弹上实测数据[8-10]，电流测试结果如表5所示，理论计算结果与实测结果能够很好地吻合。

表4 发火试验阻值Tab.4 The value of resistance in the explosive initiator test

表5 发火试验测试结果Tab.5 The results of the simulation test

4 结论

引信系统解保通路是影响弹药安全性与可靠性的重要因素之一。本文针对以往粗略设计的不足，以典型引信系统为研究对象，结合引信系统的组成及工作时序，建立解保通路的等效模型，通过对模型的简化推导出限流电阻与通路电流的关系式，从而给出一种引信系统火工品保险通路的精确计算方法。通过模拟试验和发火试验验证了理论计算的正确性，为引信系统解保通路的工程设计提供了参考，提高了引信系统解保的可靠性。