机电侵彻引信目标基短路抗电磁干扰方法

马 兵,李朝阳,张 康,黄惠东

(西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065)

0 引言

目前,许多国家的军事力量日渐强大,各种作战武器的作战能力以及防御体系也愈发完善,重要军事目标都转移到地下,并采取了坚硬的防护措施[1]。侵彻弹药能够有效摧毁具有多层、深层坚固防护的目标,成为各大军事强国武器装备竞相发展的重要方向。机电侵彻引信是侵彻弹药实现作战功能的“控制中枢”,引信的性能直接决定侵彻弹药能否对既定目标进行精确毁伤。随着日益复杂的战场电磁环境以及弹药系统频繁控制信号产生的强电磁干扰,机电侵彻引信抗电磁干扰成为亟需解决的问题。目前在引信抗电磁干扰方面已有大量成果。文献[2]研究了齐射高炮引信实弹射击时由于引信间电磁互扰引起早炸率提高的原因,分析了实效机理并给出了应用建议。文献[3]对超宽带无线电引信抗干扰性能进行了研究,定量分析了无线电引信的抗干扰性能,为无线电引信的抗干扰设计提供了理论依据。文献[4]分析了电和电磁环境对引信全电子安全系统的影响,建立了在电路不同节点引入静电,电流注入和电源线传导等激励与高压电容、雷管电压的传递函数,说明了这些激励下安全失效率的计算方法。这些研究针对的大都是无线电引信和电子引信的抗电磁干扰,而关于机电侵彻引信抗电磁干扰性能的研究却鲜有报道。工程上机电侵彻引信抗电磁干扰采取的主要措施包括:引信电路抗干扰设计,全金属壳体屏蔽抗电磁干扰,在引控器与引信之间电缆增加金属屏蔽网以及在引控器与引信之间增加无源滤波器等方式,以此提高引信的抗电磁干扰能力。但是,采取上述措施后引信意外作用引起弹药早炸的现象时有发生,为提高机电侵彻引信抗电磁干扰性能,提出一种机电侵彻引信目标基短路抗电磁干扰方法。

1 机电侵彻引信及电磁干扰原理

1.1 机电侵彻引信

机电侵彻引信配用于侵彻爆破战斗部,其工作流程:当弹药飞出安全距离之后,机电侵彻引信按时序解除隔离,内部隔爆机构处于对正状态,同时起爆控制电路上电并处于待发状态;碰目标后,引信按照装定的起爆参数在预定时刻起爆战斗部。机电侵彻引信工作流程见图1。其中,引信解除隔离并上电处于待发状态至碰目标还有数秒时间,该时间窗为侵彻引信易受电磁干扰影响阶段,意外干扰可能造成引信早炸。

图1 机电侵彻引信工作流程图Fig.1 Block diagram of fixed delayed initiation control module

1.2 传导耦合电磁干扰原理

机电侵彻引信一般通过电缆与引控系统连接,从而获取能量和信息指令。电缆是效率很高的电磁波接收天线,电磁干扰往往首先被电缆接收到[5],通过电缆传导至引信中,造成电路误动作。电缆中的导线都是平行的,且平行走线距离较长,信号串扰十分严重,即使不是同一根电缆中的导线,相互串扰也会影响引信的性能,因此通过电缆的传导耦合是引信电磁干扰的重要方式。传导耦合包括导体间的电容及互感形成的干扰耦合。引信电缆中两根导线之间即构成了寄生电容,干扰源可以通过寄生电容将能量耦合在敏感电路上,产生电容耦合;干扰源电流发生变化时,会引起周围磁场变化,在变化磁场中的敏感电路会产生感应电动势,产生电感耦合。图2为综合考虑电容耦合和电感耦合电路示意图和等效电路图。干扰源通过电容和电感耦合作用在敏感电路的感应电压为

图2 传导耦合电路示意图和等效电路图Fig.2 Circuit and equivalent diagram for conduction coupling

(1)

式(1)中,UC为电容性耦合作用在敏感电路的干扰电压,UL为电感性耦合作用在敏感电路的干扰电压,U0为干扰电源电压,C为寄生电容容值,M为互感。

由式(1)可知,在干扰源电压U0,干扰电路阻抗R0和R1,敏感电路阻抗R2L,R2G一定的情况下,作用在敏感电路的感应电压U2L与寄生电容C、互感M直接相关。一般通过给引信电缆增加金属屏蔽网的方式改变寄生电容C和互感M,提高引信抗电磁干扰性能,但是上述措施并未完全解决引信受干扰后意外作用的问题。

2 机电侵彻引信目标基短路抗电磁干扰方法

本文提出的抗电磁干扰方法包含目标基短路机构设计、起爆电路参数匹配性设计以及起爆策略改进。

2.1 机电侵彻引信目标基短路机构

引信隔爆机构解除隔离前,短路机构处于图3(a)状态,此时短路机构由于转子的约束,使电雷管处于短路状态,战斗部运输、引信解除隔离前的过载不会导致短路机构断开。图3(b)为引信解除隔离后目标基短路机构状态示意图,此时转子转动一定角度,转子盲孔在短路机构的运动路径上,为其留出运动空间,但飞行中的振动载荷较小,短路机构的运动件不足以剪断短路丝,电雷管处于短路状态,外界电磁干扰导致引信起爆电路输出起爆信号,无法起爆电雷管,提高了引信的抗电磁干扰能力。在战斗部碰目标后,短路机构的运动件在前冲力作用下,剪断短路丝,进入转子盲孔中,短路机构处于图3(c)状态,此时电雷管解除短路,引信按装定的起爆模式和参数输出起爆信号,电雷管起爆后引爆整个传爆序列。

图3 目标基短路机构作用过程示意图Fig.3 Block diagram of target-based short-circuit mechanism

2.2 起爆电路参数匹配性设计

目标基短路抗电磁干扰方法是在起爆电路和电雷管之间接入了目标基短路机构,在引信解除隔离到碰目标之前的时间窗内,电雷管处于短路状态,确保碰目标之前任何电磁干扰不会导致电雷管意外起爆。同时,也要保证起爆系统在受电磁干扰作用后,还可以正常工作。因而电路硬件设计应考虑两方面:一是晶闸管V1受电磁干扰导通后,应恢复断开状态;二是起爆电容C1充电到雷管作用电压的时间应足够短。图4为起爆电路工作原理图。

图4 起爆电路工作原理图Fig.4 Block diagram of detonation circuit

一般在已知起爆电压U的情况下,根据晶闸管维持电流Ih可以计算出电阻R1范围为

(2)

同时,电阻R1影响起爆电容C1的充电时间,为保证C1迅速充电,应满足公式

(3)

式(3)中,ULG为雷管作用电压。

结合式(2)、式(3)计算合适的限流电阻R1,确保引信受干扰发火电容放电后,弹载电源可在几十毫秒内完成发火电容充电,避免引信瞎火。由于充电时间为毫秒级,受干扰时间窗为秒级,时间窗内可完成若干次充电,满足实时性要求。

同时,通过改进软件起爆策略,在起爆控制系统输出起爆指令后立即恢复待发状态,保证起爆控制系统在碰目标后按照既定策略起爆。

3 验证

3.1 目标基短路机构仿真

在解除隔离后至碰目标前的时间窗内,飞行振动下目标基短路机构意外断开会降低引信的抗电磁干扰性能;在碰目标后,目标基短路机构的断开时间会影响引信的起爆性能,利用ANSYS/LS-DYNA[6-7]对目标基短路机构动态响应特性进行仿真。

3.1.1有限元模型

目标基短路机构在飞行振动和侵彻过程中动力学仿真的主要差异在过载,数值模型和接触设置可以通用。根据实际短路机构外形,建立数值模型。数值模型由座体、运动销和金属丝组成,由于模型具有对称性,为了提高计算效率,采用1/2模型建模,如图5(a)。座体、运动销和金属丝之间接触选择AUTOMATIC接触方式,座体和金属丝两端均采用Bond固定,将实测飞行振动、侵彻过载曲线通过*LOAD_BODY关键字施加于运动销,网格均采用8节点6面体实体单元(SOLID164),如图5(b),用单点积分Lagrange算法[8]。对金属丝、座体和运动销中与金属丝接触区域网格进行加密,以提高计算的精度和效率[9]。

图5 短路机构仿真模型Fig.5 Simulation of the target-based short-circuit mechanism

3.1.2飞行振动仿真结果

图6为试验获取的飞行振动过载曲线。将过载曲线施加于有限元模型后得到了短路机构的动态响应过程如图7所示。第一行为短路机构整体的动态响应过程,第二行为省略部分运动销的动态响应过程,第三行为金属丝的动态响应过程。由图7可知:在飞行振动条件下,短路机构运动销相对座体处于上下震荡中,但是由于飞行振动过载较小,运动销不会剪断短路丝,电雷管保持短路。说明在引信解除隔离飞行振动过程中,可以保证电雷管短路。

图6 飞行振动过载曲线Fig.6 Vibration overload of flight

图7 飞行振动过载下短路机构的动态响应Fig.7 Dynamic response of short-circuit mechanism under flight

3.1.3侵彻过载下仿真结果

图8为试验获取的战斗部侵彻混凝土过载曲线。将过载曲线施加于有限元模型后得到的短路机构动态响应过程如图9所示。由图8可知:以战斗部碰目标瞬间为计时零点,在160 μs时短路机构运动销已经剪断短路丝,以800 m/s的着靶速度计,在侵入目标0.128 m时短路丝已剪断,可以满足侵彻引信可靠起爆的要求。

图8 侵彻过载曲线Fig.8 Vibration overload of penetration

图9 侵彻过载下短路机构的动态响应Fig.9 Dynamic response of short-circuit mechanism under penetration

飞行振动模拟解除隔离至碰目标前目标基短路机构的动态响应,在此阶段,短路机构的短路丝在飞行振动过载作用下不会被剪断,电雷管保持短路,保证了引信的抗电磁干扰性能;侵彻过载模拟碰目标后目标基短路机构的动态响应,短路机构的运动件在前冲力作用下,可以迅速剪断短路丝,电雷管解除短路,保证引信可靠起爆。

3.2 起爆电路试验验证

根据GJB 151B-2013完成电磁兼容试验[10],验证了本文方法的抗电磁干扰性能;同时,试验验证起爆控制电路受干扰作用后的二次起爆性能。

3.2.1试验方法

起爆控制电路装定计时+计层起爆模式,确保通过激励过载传感器,使MCU可输出两次起爆控制信号至闸流管门极,分别监测过载传感器输出电压、单片机输出的控制信号、电雷管处的起爆电压。第一次模拟飞行过程中电雷管短路,第二次模拟碰目标后电雷管断路。

3.2.2试验结果

首次激励过载传感器后,监测到过载信号,单片机识别有效后输出方波信号(计时起爆信号),控制晶闸管导通,起爆电压作用在短路丝两端,电雷管处未监测到起爆电压,如图10(a)。再次激励过载传感器,监测到过载信号,单片机处理后输出方波信号(计层起爆信号),控制晶闸管导通,此时雷管短路丝已经断开,起爆电压作用在电雷管两端,电雷管处监测到起爆电压曲线,如图10(b)。试验结果表明:起爆控制电路在首次作用后,可实现起爆电容二次充电,满足起爆系统在电磁干扰作用后,仍能正常作用的要求。

图10 起爆性能试验照片Fig.10 Photograph of detonation performance test

4 结论

本文提出一种机电侵彻引信目标基短路抗电磁干扰方法,该方法设计了一种目标基短路机构,开展了起爆电路参数匹配性计算并改进了软件起爆策略。利用仿真和试验对该方法的有效性进行了验证,结果表明,短路机构可适应飞行和着靶环境,发火电容受电磁干扰意外放电后可实现再次起爆,提高了侵彻引信弹道抗干扰能力和作用可靠性。后续将结合靶场试验对方法的可行性进一步考核。