黃殿升 張福欣 陳 凱 杜光偉

(中國電子科技集團公司 第27研究所，河南 鄭州 450000)

1 概述

制導炮彈是在制導技術(shù)、控制技術(shù)、微型機電技術(shù)基礎(chǔ)上誕生的，可以彌補普通炮彈射程近、精度低的缺陷。與導彈攻擊方式相比，制導炮彈具有攜彈量大、使用靈活、價格低廉等優(yōu)點。特別在用以打擊陸上目標、提供火力支援、應付恐怖主義及非對稱威脅的情況下，對制導炮彈的軍事需求顯得更為迫切[1]。

當前圖像制導以紅外成像或電視成像方式為主要的發(fā)展方向，其被動工作、制導精度高、抗干擾能力強，具有實現(xiàn)“發(fā)射后不管”的能力，符合現(xiàn)代戰(zhàn)爭對武器高精度、智能化的要求。

紅外圖像制導炮彈是未來發(fā)展趨勢。為了滿足軍事應用需求以及開拓潛在的巨大市場，各工業(yè)部門已經(jīng)圍繞炮彈圖像制導技術(shù)先期開展了相關(guān)論證和基礎(chǔ)技術(shù)研究工作，諸如大規(guī)模集成電路微封裝技術(shù)、旋轉(zhuǎn)圖像處理技術(shù)、紅外探測技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的不斷進步，都為制導炮彈成像制導開展成體系的研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

對于紅外圖像制導炮彈，其在制式火炮系統(tǒng)發(fā)射的過程中，在炮膛內(nèi)火藥燃燒壓力的作用下，炮彈將產(chǎn)生很大的加速度，使炮彈內(nèi)的各組件在發(fā)射瞬間承受最大到上萬個g左右的短時高過載，這種載荷環(huán)境給紅外成像系統(tǒng)的工作帶來很大的不良影響，尤其是其中的光學探測成像組件，甚至會因為結(jié)構(gòu)件的破壞而不能正常工作[2]。因此紅外圖像制導炮彈中，紅外成像系統(tǒng)是整個指導炮彈中最為關(guān)鍵和核心的部分。

其關(guān)鍵的核心技術(shù)難點是：

(1)紅外光學組件抗過載設(shè)計;(2)探測器抗過載防護;(3)核心電子電路的抗過載設(shè)計。

抗過載技術(shù)的理論分析和實現(xiàn)途徑是選擇合適的減振參數(shù)、設(shè)計合理的減振系統(tǒng)、采取特殊的封裝與集成工藝來突破抗高過載的技術(shù)難題，使紅外圖像成像系統(tǒng)能滿足指導炮彈發(fā)射的實際應用環(huán)境要求。

3 系統(tǒng)設(shè)計

紅外成像系統(tǒng)由紅外光學鏡頭組件、紅外成像探測器、驅(qū)動時序及讀出電路、實時信號處理電路、視頻輸出接口等組成，如1所示。

圖1 紅外成像系統(tǒng)成原框圖

3.1 紅外光學鏡頭的抗過載設(shè)計

對紅外成像系統(tǒng)而言，光學部分是抗高過載的薄弱環(huán)節(jié)之一，必須從紅外材料的選用和結(jié)構(gòu)設(shè)計上入手加以考慮[3]。

考慮到探測器靶面大小、目標的大小及視場等因素，本系統(tǒng)焦距f取45mm。根據(jù)紅外目標的輻射特性，探測器的靈敏度，以及彈體的結(jié)構(gòu)總體要求，主鏡口徑D1取45mm。該系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是如何在保證成像質(zhì)量的條件下，盡量減小體積滿足系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)要求。由于是要承受高過載的要求，考慮反射系統(tǒng)不產(chǎn)生色差，易于輕量化，通過使用非球面來校正像差可以使結(jié)構(gòu)簡單，像質(zhì)優(yōu)良的特點，采用了全反射式R2C光學系統(tǒng)。基于幾何光學理論，該系統(tǒng)設(shè)計了筒長較短，軸外像差小，像面照度均勻，滿足彈載要求的適于紅外探測器的光學系統(tǒng)，給出了設(shè)計結(jié)果。在滿足高過載方面，采用了全金屬雙反結(jié)構(gòu)，且與彈頭成統(tǒng)一的整體的設(shè)計措施。選擇的合金材料的形變系數(shù)與紅外玻璃形變系數(shù)接近，在他們的連接部位采用能夠吸能且形變小的特殊結(jié)構(gòu)，保證他們在受到高沖擊時有一致的形變，從而達到保護紅外玻璃而且不影響成像質(zhì)量的目的。

3.2 探測器抗過載設(shè)計與防護

紅外探測器是該系統(tǒng)的核心部件，其是否能夠通過炮彈發(fā)射瞬間的高過載是成敗的關(guān)鍵。在彈藥發(fā)射時，慣性器件要經(jīng)受上萬個g的高過載環(huán)境，因此設(shè)計時需要考慮其抗高過載的能力，必須保證彈發(fā)射出后傳感器能夠可靠工作。首先要從理論上進行設(shè)計分析，找出薄弱環(huán)節(jié)并進行保護，確保探測器能夠有足夠高的抗過載能力;其次要在與印制板的連接上做到充分的減震，吸收和減弱瞬間的高過載對探測器帶來的沖擊。探測器的設(shè)計與封裝涉及到微電子技術(shù)及其他學科，是系統(tǒng)中最為復雜和脆弱的額環(huán)節(jié)。對紅外探測器而言，其薄弱環(huán)節(jié)是探測器的鍺窗和內(nèi)部的微成像單元，在高過載情況下易損壞。由于其是真空封裝，鍺窗內(nèi)外存在著一個大氣壓差，在過載情況下容易破裂，碎片從而砸壞微成像單元。在設(shè)計方面，一方面通過加厚鍺窗的厚度，同時再在鍺窗下面加上金屬骨架網(wǎng)，大大提高了鍺窗抗過載能力。在封裝技術(shù)上，采用對特殊元件進行定點固定的特種工藝，提高其抗沖擊的等級。結(jié)合國內(nèi)微電子封裝技術(shù)優(yōu)勢，對核心器件采用特殊工藝封裝，使之具備耐受高過載的能力。探測器與印制板的之間的連接，使用空心鋁加橡膠墊的組合方式，增強吸震能力。管腳與焊盤之間采用硅膠進行灌封，這些措施通過實驗證明，能有效提高探測器核心部件的整體抗過載沖擊的能力。

3.3 信號處理電路的抗過載設(shè)計與灌封

灌封材料除了要求機械強度好外，還必須對設(shè)備電性能指標影響小。通過多達幾十次實驗和幾十種材料的比較，我們選擇了硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡劑作為灌封材料。硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡劑為A、B雙組材料，該材料其絕緣性能優(yōu)異，機械強度高，可以通過改變A、B比例而制成不同密度、硬度硬泡制品。其中最為關(guān)鍵的是配好A、B材料的比例?；旌虾?，反應較慢，一般2～3min后開始發(fā)泡，發(fā)泡的過程中要按比例不斷添加催化劑，發(fā)泡后經(jīng)熟化形成硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料。硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡劑發(fā)泡過程中溫度高達180℃、會產(chǎn)生較大的壓力，因此模具設(shè)計應該具有一定的強度，在反應熱的情況下，不會變形，不影響零件尺寸，又便于拆摸。因此進料孔和出料孔的設(shè)置和大小需合理設(shè)計，保證既能順利灌料，又可以把多余的料排出，同時使其內(nèi)部的產(chǎn)生的壓力不至于太大，導致內(nèi)部電子元器件受到變形損壞，這就要進行理論計算和實驗。試驗證明，進口孔徑為4毫米，出口為3毫米時，且在同一平面時灌封效果最好，內(nèi)部灌封最為嚴實，而且表面光滑。灌封時必須遵照如下步驟進行：工裝及電路清洗→烘干→工裝涂抹凡士林→電路輸出接口保護→配膠→澆注→固化→整修→應力釋放。

4 高過載沖擊驗證試驗

4.1 試驗原理

實驗原理：采用空氣炮作為模擬過載的加載手段，將裝有光柵的測試裝置安裝在測試段(光柵作為激光多普勒干涉儀的合作目標)，在壓縮空氣的推動下使炮彈獲得一定的速度，在測試段與測試裝置發(fā)生碰撞后，使測試裝置獲得所需的加速度，同時由激光多普勒干涉儀記錄整個加速過程并將數(shù)據(jù)在邏輯分析儀上顯示。

試驗過程中，通過調(diào)節(jié)子彈與測試裝置上氈墊的厚度和氣體的壓力值可以實現(xiàn)對激勵加速度信號幅值與脈寬的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)考核被測裝置抗過載沖擊性能的作用[4]。

4.2 試驗結(jié)果及分析

空氣炮在壓力值：0.31MPa;子彈氈墊：0層;被撞紅外成像系統(tǒng)重量：6.4kg;被撞體氈墊：2厚+3薄情況下的位移、速度和加速度信號。從上可以看出，此次的試驗得到了加速度幅值：4600g，脈寬：700μs。

實驗表明，整個紅外成像系統(tǒng)中，最薄弱的環(huán)節(jié)出現(xiàn)在紅外成像探測器件部分，其次是紅外成像系統(tǒng)的光學組件，最為成功的部分是核心電路的保護設(shè)計，其最終通過了上萬g的高過載沖擊實驗。

5 結(jié)束語

通過對抗過載技術(shù)在理論上進行深入分析，研究了減振新方法、新工藝，增加可行的減振措施，通過減重、高強度材料、減振墊及對電子線路器件進行整體灌封加固等措施，提高了紅外成像系統(tǒng)的短時抗高過載的能力。

[1]吳杰，陳繼祥，陳鄧安，王子明.艦炮制導炮彈的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]兵工自動化，2011，(03).

[2]李世永，錢立志，王志剛.彈載偵察系統(tǒng)抗過載技術(shù)研究[J].彈道學報，2005，17(3)：31-35

[3]王家騏.光學儀器總體設(shè)計[M].長春：長春光學精密機械與物理研究所研究生教材，2003.

[4]徐鵬，范錦彪，祖靜.高g值沖擊下存儲測試電路模塊緩沖保護研究[J].實驗力學，2005，20(4)：610-613.