滿曉飛,張合,馬少杰,王曉鋒

（南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210094）

侵徹引信計(jì)層起爆炸點(diǎn)控制實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)方法研究

滿曉飛,張合,馬少杰,王曉鋒

（南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210094）

針對(duì)硬目標(biāo)侵徹引信實(shí)驗(yàn)室實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn),提出了利用多次沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)硬目標(biāo)侵徹過程進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)方法的研究。介紹了硬目標(biāo)侵徹引信的計(jì)層數(shù)策略,討論利用沖擊過程模擬侵徹過程加速度信號(hào)的可行性,設(shè)計(jì)了模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并針對(duì)某型號(hào)侵徹引信進(jìn)行計(jì)層數(shù)起爆模擬實(shí)驗(yàn)。通過與靶場(chǎng)試驗(yàn)曲線的對(duì)比,驗(yàn)證了該模擬實(shí)驗(yàn)方法的可行性,可較全面地檢測(cè)引信起爆控制算法的準(zhǔn)確性,以及引信活動(dòng)部件動(dòng)作的可靠性；但沖擊峰值較低,沖擊間隔較長(zhǎng),需要做進(jìn)一步的研究和完善。

兵器科學(xué)與技術(shù)；侵徹引信；沖擊試驗(yàn)；模擬實(shí)驗(yàn)；計(jì)層數(shù)

0 引言

硬目標(biāo)侵徹引信是侵徹彈藥實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)功能的“控制中樞”,引信的性能直接決定侵徹彈藥能否有效對(duì)既定目標(biāo)進(jìn)行精確打擊[1]。因此,硬目標(biāo)侵徹引信的研制是目前侵徹彈藥研制過程中的重點(diǎn)。

侵徹引信的研制與檢測(cè)手段目前主要有靶場(chǎng)試驗(yàn)與半實(shí)物仿真。靶場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確、真實(shí)地使侵徹引信完整經(jīng)歷整個(gè)工作過程,是侵徹引信研制與檢測(cè)的有效手段,但靶場(chǎng)試驗(yàn)往往試驗(yàn)周期長(zhǎng)、試驗(yàn)成本高,并且彈藥回收存在一定的不確定性。半實(shí)物仿真是利用靶場(chǎng)回收數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)來模擬引信工作情況,在模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的仿真回路中接入部分實(shí)物[2-3],這種方法對(duì)計(jì)層方法的考核更接近于真實(shí)情況,能夠得到較為可靠的結(jié)果,并且實(shí)驗(yàn)周期短、成本低,但實(shí)驗(yàn)中采用的加速度信息均為硬件靜態(tài)下產(chǎn)生后輸入到引信電路里[4],因此無法檢測(cè)具有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的引信,無法對(duì)加速度傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)考核,應(yīng)用上具有一定的局限性。

針對(duì)侵徹引信檢測(cè)手段的新需求,設(shè)計(jì)了模擬實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)是一種利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)手段來模擬真實(shí)情況的實(shí)驗(yàn)方法,與半實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)不同之處在于,模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來源并非是模擬電路,而是來自于其他形式的物理過程,比如撞擊過程,因此模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴贡粶y(cè)引信真實(shí)地承受到加速度沖擊,因此能夠用于檢測(cè)具有活動(dòng)部件引信的起爆策略。同時(shí)模擬實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)成本低、周期短、可重復(fù)性好、實(shí)驗(yàn)參數(shù)可隨時(shí)優(yōu)化和修改等特點(diǎn),具有較好的靈活性,可以提供引信技術(shù)論證、研制和性能評(píng)定所用的各種模型,與實(shí)際靶場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合,在降低試驗(yàn)成本的同時(shí)可縮短試驗(yàn)周期,并且能夠得到極為可靠的結(jié)果。

1 硬目標(biāo)侵徹引信計(jì)層數(shù)起爆策略

1.1 硬目標(biāo)侵徹策略

硬目標(biāo)侵徹彈藥根據(jù)情報(bào)所描述的要打擊目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征、材料特征等參數(shù),要求引信能夠利用加速度傳感器等作為環(huán)境信息的敏感元件,能夠識(shí)別出彈體著靶、侵入、穿透硬目標(biāo)過程的環(huán)境特征信號(hào),判斷出彈體當(dāng)前所處的位置,并在達(dá)到預(yù)定位置處引爆彈藥戰(zhàn)斗部,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高效毀傷。硬目標(biāo)侵徹引信炸點(diǎn)控制策略主要有：計(jì)時(shí)起爆,計(jì)行程起爆,計(jì)層數(shù)起爆,介質(zhì)識(shí)別起爆等。

侵徹不同目標(biāo),采取不同的起爆策略,有利于充分發(fā)揮戰(zhàn)斗部毀傷效能,在戰(zhàn)爭(zhēng)中處于有利地位。

1.2 計(jì)層數(shù)起爆策略

針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多層目標(biāo),引信計(jì)層數(shù)起爆將會(huì)提高對(duì)目標(biāo)的定點(diǎn)殺傷力,提高打擊任務(wù)成功率。如圖1所示為計(jì)層起爆模式的工作過程示意圖[5]。按照工作流程所述,彈體穿透預(yù)設(shè)第N層靶板后,引信給出發(fā)火信號(hào),引爆彈藥戰(zhàn)斗部。

在侵徹過程中,每層靶板侵徹過程信號(hào)的下降沿與上升沿較寬,容易識(shí)別與判斷,因此可以用來作為彈體侵入靶體與出靶的標(biāo)志,并且硬件電路實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)容易,可以采用全硬件比較電路或軟件編程控制實(shí)現(xiàn),運(yùn)算速度高,電路功耗較低,靈活性較好[5]。

由于以邊沿特征作為判斷依據(jù)的計(jì)層數(shù)算法對(duì)侵徹信號(hào)較為敏感,所以在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)目標(biāo)樓層間距信息,添加適當(dāng)?shù)难訒r(shí),以屏蔽過短時(shí)間間隔內(nèi)的加速度信息,達(dá)到屏蔽復(fù)雜震蕩信號(hào)的目的。

2 計(jì)層數(shù)起爆炸點(diǎn)控制模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

多層侵徹引信計(jì)層數(shù)炸點(diǎn)控制模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：侵徹引信控制器,使用與待測(cè)引信匹配的接口,給待測(cè)引信供電、閉鎖充電、解除保險(xiǎn)指令,與待測(cè)引信裝定通信,告知引信目標(biāo)特性,預(yù)先設(shè)定起爆方式[6]；某實(shí)驗(yàn)引信,作為被檢測(cè)對(duì)象；多次沖擊裝置,用于對(duì)引信進(jìn)行沖擊；上位機(jī),通過PXI采集卡采集模擬侵徹過程的加速度信號(hào)以及引信的發(fā)火信號(hào),用于檢測(cè)和驗(yàn)證。

2.2 系統(tǒng)工作流程

模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作框圖如圖2所示,其基本工作原理是利用連續(xù)沖擊裝置在短時(shí)間內(nèi)（毫秒級(jí)）連續(xù)沖擊待測(cè)引信,模擬引信在侵徹多層靶板時(shí)受到的沖擊加速度過載,引信在識(shí)別出指定次數(shù)的沖擊過程（模擬指定層數(shù)的靶板）后發(fā)出發(fā)火信號(hào)。

圖1 計(jì)層起爆控制流程圖Fig.1 Flow diagram of layer-count detonation control

圖2 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of simulation system

工作過程如下：侵徹引信控制器發(fā)出啟動(dòng)與初始化指令,并對(duì)引信完成工作模式以及關(guān)鍵參數(shù)裝定,然后引信被多次沖擊裝置在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行沖擊,以模擬多層侵徹過程的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),此過程中引信受到類似于多層侵徹過程加速度特征的沖擊,這對(duì)于含有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件（如慣性開關(guān)）的引信是極為重要的。引信傳感器采集到的加速度信號(hào)會(huì)被PXI采集卡實(shí)時(shí)采集下來,發(fā)火信號(hào)會(huì)在模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過回讀裝置上傳到上位機(jī)中進(jìn)行分析。

3 多層侵徹過程加速度過載模擬

3.1 多層侵徹過程加速度信號(hào)分析

在多層侵徹過程中,比如侵徹樓層時(shí),多層目標(biāo)中每一層的厚度相對(duì)于侵徹機(jī)場(chǎng)跑道等單層目標(biāo)（半無限厚目標(biāo)）的厚度來說較薄,一般只有200～300 mm[7]。按照經(jīng)驗(yàn)公式,彈體侵徹多層目標(biāo)時(shí)承受到的加速度大小與彈丸的質(zhì)量呈反比,與彈丸的直徑平方呈正比,與彈丸的速度平方呈正比。彈體侵徹單層靶板加速度過載峰值大小范圍約為20 000～50 000 g,持續(xù)時(shí)間通常在300 μs左右。圖3所示為某次靶場(chǎng)試驗(yàn)回收所得引信侵徹3層混凝土靶板的加速度數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)條件為C30混凝土,彈體質(zhì)量50 kg,彈速800 m/s.第1個(gè)平緩波形為發(fā)射過載,后面依次是3層靶板侵徹過載以及回收靶侵徹過載。

放大后的彈體侵徹3層靶板過程加速度曲線如圖4所示。觀察圖4可以得到,多層侵徹過程的加速度曲線特征為：可明顯觀察到若干個(gè)（3個(gè)）曲線尖峰,峰值大小呈降低趨勢(shì),曲線尖峰間的間隔時(shí)間呈增大的趨勢(shì).圖4中間隔時(shí)間為4.2 ms和4.7 ms.

圖3 實(shí)測(cè)侵徹加速度曲線Fig.3 Measured penetration acceleration curve

圖4 侵徹3層靶板加速度曲線Fig.4 Acceleration curve of penetration into a three-layer target

針對(duì)第1層靶板侵徹過程的加速度信號(hào),設(shè)計(jì)了侵徹策略判斷分析實(shí)驗(yàn),采用入靶、出靶閾值-4 000 g作為觸發(fā)閾值,按照侵徹策略對(duì)侵徹第1層靶板所產(chǎn)生的加速度信號(hào)進(jìn)行入靶、出靶判斷,如圖5所示。達(dá)到觸發(fā)閾值后連續(xù)5個(gè)采樣周期均滿足觸發(fā)條件則判斷為入靶/出靶。

觀察圖5,提取加速度曲線特征為：曲線變化趨勢(shì)為下凹形式,峰值為-2.4×104g,曲線半峰值寬度約為200 μs,過零寬度為300 μs,下降沿/上升沿相對(duì)較寬,約達(dá)到100 μs,且波動(dòng)不明顯。分析入靶/出靶判斷策略,侵徹狀態(tài)的識(shí)別只與加速度曲線下降沿/上升沿的很小一段有關(guān)（長(zhǎng)度與引信采樣周期大小以及判斷策略所需周期數(shù)有關(guān)）,寬度約為30 μs,而與加速度曲線的峰值、以及曲線峰值附近的部分無關(guān)。

總結(jié)以上分析可得：計(jì)層數(shù)起爆控制策略所關(guān)注的加速度信號(hào)是具有連續(xù)多個(gè)尖峰,曲線下降沿與上升沿寬度達(dá)到一定寬度（約為30 μs）,且此有效寬度波動(dòng)變化較為平緩特征的信號(hào)。

圖5 實(shí)測(cè)加速度曲線侵徹狀態(tài)判斷Fig.5 Determination of penetration status from measured acceleration curve

3.2 多次沖擊過程加速度過載獲取

利用沖擊過程模擬侵徹加速度特征,可作為一種有效的實(shí)驗(yàn)手段,主要用于檢驗(yàn)引信零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,常見的設(shè)備主要有空氣擊錘、馬希特?fù)翦N、霍普金森桿實(shí)驗(yàn)機(jī)等。但這些儀器均無法產(chǎn)生短間隔的多次沖擊。

本模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲得的連續(xù)沖擊信號(hào)由多次沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生。多次沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)是針對(duì)某型號(hào)多層侵徹引信專門設(shè)計(jì)、自制的,基本原理是利用短時(shí)間內(nèi)的多次沖擊過程模擬多層侵徹過程的加速度過載特征,能夠在5～20 ms間隔內(nèi)對(duì)質(zhì)量1 kg引信體產(chǎn)生4 000～15 000 g加速度大小的連續(xù)沖擊,利用PXI高速采集卡實(shí)時(shí)對(duì)引信的加速度信號(hào)采集到的多次沖擊加速度信號(hào)如圖6所示。

圖6 多次沖擊信號(hào)Fig.6 Repeated impulse signal

圖6所示情況為實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)引信體進(jìn)行了3次沖擊,產(chǎn)生較多波形起伏的原因是引信裝夾裝置在撞擊過程中的振蕩所致。振蕩所產(chǎn)生的加速度曲線波動(dòng)與引信質(zhì)量大小、沖擊速度大小以及緩沖措施有關(guān)。

將圖6所示的連續(xù)沖擊過程中的第2次沖擊峰值放大后顯示如圖7,結(jié)合數(shù)據(jù)文件可以看出,采用撞擊形式,產(chǎn)生的加速度信號(hào),峰值達(dá)到10 000 g,脈寬達(dá)到200 μs.

圖7 單次沖擊信號(hào)Fig.7 Single impulse signal

3.3 沖擊過程加速度侵徹狀態(tài)判斷

針對(duì)圖7所示單次沖擊過程的加速度信號(hào),根據(jù)多層侵徹起爆控制的層數(shù)識(shí)別策略,設(shè)計(jì)了侵徹策略判斷分析過程,采用入靶、出靶閾值-4 000 g作為觸發(fā)閾值,按照侵徹策略進(jìn)行入靶、出靶判斷,如圖8所示。達(dá)到觸發(fā)閾值后連續(xù)5個(gè)采樣周期均滿足觸發(fā)條件則判斷為入靶/出靶。

觀察圖8,提取加速度曲線的特征為：曲線變化趨勢(shì)為下凹形式,峰值為10 000 g,曲線半峰值寬度約為200 μs,過零寬度為300 μs,下降沿/上升沿相對(duì)較寬,約達(dá)到100 μs,且波動(dòng)變化不明顯。

通過對(duì)加速度曲線特征參數(shù)的分析,撞擊過程的加速度曲線的變化趨勢(shì)與實(shí)際侵徹過程是近似的,在多層侵徹計(jì)層數(shù)策略中,對(duì)于采用下降沿和上升沿形式判斷入靶與出靶的引信來說,撞擊過程的加速度曲線變化趨勢(shì)是可以被識(shí)別出來的,因此,撞擊過程是模擬侵徹過載過程比較有效的實(shí)驗(yàn)辦法。

經(jīng)過同樣的分析,振蕩波形也滿足計(jì)層算法所要求層數(shù)識(shí)別特征,也可以用來模擬層數(shù)信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)

圖8 實(shí)驗(yàn)曲線侵徹狀態(tài)判斷Fig.8 Determination of penetration status from experimental acceleration curve

采用某多層侵徹引信進(jìn)行了計(jì)層數(shù)炸點(diǎn)實(shí)物模擬發(fā)火起爆實(shí)驗(yàn)。將引信內(nèi)部的加速度傳感器信號(hào)以及發(fā)火信號(hào)引出,使用PXI采集卡采集。實(shí)驗(yàn)設(shè)定入靶、出靶閾值設(shè)定為-4 000 g,穿透第5層靶板后,延遲2 ms引信發(fā)出發(fā)火信號(hào)。實(shí)驗(yàn)采集到的曲線如圖9所示。圖中一共進(jìn)行了7次沖擊過程,其中每次沖擊過程包含3次加速度峰值（第1次沖擊過程的加速度信號(hào)由于信號(hào)采集過程中設(shè)置了正延時(shí)觸發(fā)的原因沒有被采集下來）。

圖9 實(shí)驗(yàn)曲線Fig.9 Experimental curve

5 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)裝置最大的特色是可將引信按照實(shí)彈打靶的形式進(jìn)行檢測(cè),無需對(duì)引信進(jìn)行拆解（為保證安全起見,雷管等爆炸物會(huì)被拆除,替換成相應(yīng)的電阻以及配重）以及信號(hào)注入（模擬侵徹信號(hào)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)）,實(shí)驗(yàn)步驟也完全按照引信實(shí)際工作過程進(jìn)行,可較全面地檢測(cè)引信起爆控制算法的準(zhǔn)確性、機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性、工作時(shí)序的正確性等。

作為一種新型的實(shí)驗(yàn)手段,模擬實(shí)驗(yàn)還存在一定不足,如過載峰值不夠高（實(shí)測(cè)侵徹加速度的峰值為30 000～50 000 g,而模擬實(shí)驗(yàn)裝置目前只能產(chǎn)生最大15 000 g的加速度）,無法模擬侵徹多層靶板信號(hào)的黏連現(xiàn)象以及侵徹過程中彈體的振蕩對(duì)引信實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的影響等,還需要進(jìn)一步的研究以及試驗(yàn)論證。

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Study of Physical Simulation Experiment of Penetration Fuze Layer-count Burst Point Control

MAN Xiao-fei,ZHANG He,MA Shao-jie,WANG Xiao-feng
（ZNDY of Ministerial Key Laboratory,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China）

A method of using the repeated impact machine to simulate the process of hard target penetration is proposed for the physical simulation experiment of hard target penetration fuze.The layer-count algorithm of hard target penetration fuze is introduced.The feasibility of simulating the penetration acceleration signal by use of the impact process is discussed.A simulation experimental system is designed,and a layer-count detonating experiment is done using a certain type of penetration fuze.The result is compared with shooting range test curve,proving the feasibility of the simulation experimental methods.The accuracy of fuze burst point control method can be comprehensively tested.The reliability of fuze moving parts can be testified.Further research is needed as the shock acceleration peak is low and the shock interval is long.

ordnance science and technology；penetration fuze；shock experiment；simulation experiment；layer-count

TJ430.6

A

1000-1093（2014）10-1556-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.10.006

2013-10-13

武器裝備預(yù)先研究項(xiàng)目（51305060203）

滿曉飛（1986—）,男,博士研究生。E-mail：manxiaofei@163.com；張合（1957—）,男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail：hezhangz@mail.njust.edu.cn