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(1.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.解放軍63961部隊(duì)，北京 100012；

3.軍械工程學(xué)院彈藥工程系，河北 石家莊 050003)

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引信體外射頻電源供電控制方法

常悅1，2，李杰1，周曉東3

(1.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.解放軍63961部隊(duì)，北京 100012；

3.軍械工程學(xué)院彈藥工程系，河北 石家莊 050003)

摘要:針對(duì)引信體外射頻電源的供電控制問(wèn)題，提出了基于發(fā)射后坐過(guò)載傳感器的引信體外射頻電源供電控制方法。該方法采用后坐過(guò)載傳感器，通過(guò)彈簧約束切刀并在后坐過(guò)載作用下切斷導(dǎo)體的方式識(shí)別發(fā)射環(huán)境，并控制供電電路通斷，實(shí)現(xiàn)引信體外射頻電源在出炮口附近對(duì)發(fā)火控制與起爆電路供電；在引信裝定時(shí)檢測(cè)傳感器導(dǎo)體的通斷，提高引信體外射頻電源供電安全性。原理樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠控制引信體外射頻電源僅在出炮口附近對(duì)發(fā)火控制與起爆電路供電，發(fā)射過(guò)載傳感器與上電控制電路簡(jiǎn)單、易于小型化。

關(guān)鍵詞:引信；體外射頻電源；供電控制；電磁感應(yīng)裝定

0引言

為提高小口徑武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能，小口徑彈藥引信向可編程、電子化、靈巧化方向迅速發(fā)展，迫切需要小型化、快激活、激活時(shí)間散布小的引信電源。

基于電磁感應(yīng)裝定的引信體外射頻供電技術(shù)為小口徑引信提供了一種新型電源系統(tǒng)[1-2]。引信體外射頻電源屬于內(nèi)儲(chǔ)能，在發(fā)射前通過(guò)裝定器為其感應(yīng)儲(chǔ)電；而引信發(fā)火控制與起爆電路需在發(fā)射后啟動(dòng)，即引信體外射頻電源必須在發(fā)射后才可為引信發(fā)火控制與起爆電路供電，否則存在安全性隱患[3]。因此，供電控制是引信體外射頻電源的關(guān)鍵技術(shù)。但是，目前引信體外射頻電源技術(shù)研究主要側(cè)重于提高儲(chǔ)能電容充電效率或工作效率，而未涉及上電控制[4-6]。本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了基于發(fā)射后坐過(guò)載傳感器的引信體外射頻電源上電控制方法。

1引信體外射頻電源

如圖1所示，發(fā)射前，裝定器通過(guò)DC/AC逆變電路，將直流電源逆變?yōu)楦哳l交流電，并驅(qū)動(dòng)裝定感應(yīng)線圈。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，引信感應(yīng)線圈端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)整流后感應(yīng)能量?jī)?chǔ)存至儲(chǔ)能電容。發(fā)射后，供電控制電路在發(fā)射環(huán)境激勵(lì)作用下啟動(dòng)，儲(chǔ)能電容與引信工作電路導(dǎo)通，經(jīng)穩(wěn)壓電路(DC/DC或LDO)后，為引信電路供電，包括發(fā)火控制系統(tǒng)的工作電能和第一級(jí)火工品的起爆能量。

圖1　引信體外射頻技術(shù)的工作原理Fig. 1　Schematic diagram of the fuze externally RF power

電源和裝定模塊均是現(xiàn)代電子引信不可或缺的功能部件，且引信體外射頻電源與感應(yīng)裝定系統(tǒng)均利用線圈間的電磁耦合實(shí)現(xiàn)能量和信息的非接觸傳輸，因此，兩者構(gòu)成了一個(gè)密不可分的整體，稱為引信體外射頻電源與感應(yīng)裝定系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　引信體外射頻電源與感應(yīng)裝定系統(tǒng)的原理圖Fig.2　Configuration of fuze inductive setting and externally RF power system

裝定過(guò)程中，儲(chǔ)能電路充電，并通過(guò)裝定穩(wěn)壓電路為引信裝定電路供電；引信裝定電路上電后，接收和存儲(chǔ)裝定數(shù)據(jù)，并向裝定器反饋裝定結(jié)果；但釋放機(jī)構(gòu)處于斷路狀態(tài)。發(fā)射后，供電控制電路在發(fā)射環(huán)境激勵(lì)作用下導(dǎo)通，儲(chǔ)能電路經(jīng)供電控制電路、穩(wěn)壓電路為引信發(fā)火控制與起爆電路供電；引信發(fā)火控制與起爆電路讀取引信裝定電路的裝定數(shù)據(jù)，并根據(jù)裝定數(shù)據(jù)選擇作用模式和起爆時(shí)間，適時(shí)起爆戰(zhàn)斗部。

2供電控制電路

2.1工作原理

引信體外射頻電源供電控制電路是利用發(fā)射環(huán)境信息控制儲(chǔ)能電容釋放電能時(shí)機(jī)的開關(guān)控制系統(tǒng)。如圖3所示，發(fā)射環(huán)境傳感器感知特定的環(huán)境信息，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，控制器提取該電信號(hào)的特征值，并根據(jù)預(yù)定條件輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，使儲(chǔ)能電容和穩(wěn)壓電路導(dǎo)通。如引信發(fā)火控制系統(tǒng)和引信起爆電路需分別上電時(shí)，則采用時(shí)序控制和并行執(zhí)行器方式。

圖3　供電控制電路工作原理圖Fig.3　Schematic diagram of the fuze externally RF power supply control circuit

2.2發(fā)射環(huán)境傳感器

為保證引信安全性，引信發(fā)火控制與起爆電路必須在發(fā)射后才可上電工作；另一方面，引信發(fā)火控制與起爆電路通常以其上電啟動(dòng)時(shí)刻作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)。因此，為提高引信安全性和炸點(diǎn)控制精度，引信體外射頻電源的最佳供電時(shí)機(jī)是出炮口瞬間。則發(fā)射環(huán)境傳感器應(yīng)以內(nèi)彈道獨(dú)有的環(huán)境或者環(huán)境激勵(lì)水平作為輸入信號(hào)，通常包括發(fā)射后坐過(guò)載、離心力、火藥燃?xì)鈮毫Φ取５x心力只存在于旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈，而利用火藥燃?xì)鈮毫π柙趶楏w尾部開孔，降低了儲(chǔ)存可靠性。

勤務(wù)處理過(guò)程中，除跌落與撞擊產(chǎn)生的慣性力Fq外，其他的慣性力遠(yuǎn)小于發(fā)射后坐力Fs，而Fq持續(xù)時(shí)間Tq遠(yuǎn)小于發(fā)射后坐力Ts的持續(xù)時(shí)間[7]。因此，本文以后坐發(fā)射過(guò)載作為供電控制機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的環(huán)境激勵(lì)。

后坐發(fā)射過(guò)載環(huán)境傳感器的工作原理及實(shí)物圖如圖4所示。勤務(wù)處理過(guò)程中，切刀在彈簧抗力的作用下限制在預(yù)定位置，與導(dǎo)體不接觸，AB端短路；發(fā)射過(guò)程中，當(dāng)發(fā)射過(guò)載大于彈簧抗力，切刀迅速后坐，切斷導(dǎo)體；出炮口后，發(fā)射過(guò)載消失，切刀上移復(fù)位，AB端斷路。

設(shè)m為切刀質(zhì)量；K為彈簧剛度；λ0為彈簧的預(yù)壓變形量；g為重力加速度；Kx表示引信的后坐沖擊過(guò)載系數(shù)；l為切刀的最大行程。由動(dòng)力學(xué)方程可知

(1)

則

x=A(1-cosωt)

(2)

其中

(3)

(4)

在后坐力作用下，切刀最大行程對(duì)應(yīng)的時(shí)間

(5)

要保證勤務(wù)處理安全，由式(2)、式(5)可知

Fq=Kxmg

(6)

且

(7)

同理，要保證發(fā)射過(guò)程中可靠切斷導(dǎo)體，有

Fs=K1mg>K(λ0+l)+Pt

(8)

且

(9)

式中K1為引信發(fā)射最大后坐過(guò)載系數(shù)，Pt為導(dǎo)體剪切力。

由式(5)—式(9)可知，在Fq、Fs(K1)一定時(shí)，傳感器可通過(guò)調(diào)整彈簧剛度K和壓縮行程l，亦可適當(dāng)調(diào)整切刀質(zhì)量m和導(dǎo)體剪切力Pt，識(shí)別發(fā)射環(huán)境。

2.3電路實(shí)現(xiàn)

基于發(fā)射后坐過(guò)載環(huán)境傳感器的引信體外射頻電源供電控制電路的工作原理如圖5所示。儲(chǔ)能電容C1等效于引信體外射頻電源，發(fā)射前，通過(guò)裝定器充電；C2為引信電路儲(chǔ)能電容，VOUT經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換后，為引信電路提供工作電壓；U1為發(fā)射后坐過(guò)載環(huán)境傳感器。發(fā)射前U1短路，PMOS管Q1的柵、源端電壓VGS為0，Q1漏極和源極關(guān)斷，則VIN和VOUT間斷路。在發(fā)射后坐載荷作用下，U1斷開，VGS為VIN經(jīng)R2、R3反向分壓，Q1漏極和源極導(dǎo)通，VIN經(jīng)D1、Q1和R1為C2充電。

圖5　基于發(fā)射后坐過(guò)載環(huán)境傳感器的供電控制電路Fig.5　Supply control circuit of fuze externally RF power based on firing recoil acceleration sensor

2.4供電控制電路安全控制邏輯

由圖5所示可知，當(dāng)U1導(dǎo)通時(shí)，VGS=VIN；反之VGS≈0.66VIN，因此檢測(cè)VGS幅值大小可以檢測(cè)U1的狀態(tài)。

根據(jù)引信體外射頻電源工作原理可知，只要U1斷路，VIN與VOUT導(dǎo)通，引信工作電路即上電工作。因此，為提高引信安全性，避免發(fā)射前引信電路上電啟動(dòng)，應(yīng)在發(fā)射前對(duì)U1狀態(tài)進(jìn)行檢查，如圖6所示，發(fā)射前，完成裝定后檢測(cè)VGS幅值大小，如VGS不等于VIN，則判定發(fā)射后坐過(guò)載環(huán)境傳感器故障，引信轉(zhuǎn)入絕火狀態(tài)；如VGS等于VIN，則發(fā)射前發(fā)射后坐過(guò)載環(huán)境傳感器處于正常的短路狀態(tài)，當(dāng)發(fā)射過(guò)載使其斷開后，引信發(fā)火控制電路上電工作，根據(jù)裝定數(shù)據(jù)選擇作用模式和起爆時(shí)間，適時(shí)起爆戰(zhàn)斗部。

圖6　供電控制電路安全控制邏輯Fig.6　Logic diagram of safety control with fuze externally RF power supply control circuit

3驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)上述引信體外射頻電源供電控制原理，以某榴彈發(fā)射器預(yù)制破片彈為應(yīng)用平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于引信體外射頻電源的電子時(shí)間引信和引信感應(yīng)裝定器的原理樣機(jī)，分別如圖7、圖8所示。引信電路由起爆電路、引信體外射頻電源和發(fā)火控制電路等三層電路組成。該樣機(jī)采用手工感應(yīng)裝定方式，彈藥裝填前，通過(guò)裝定器為引信裝定起爆時(shí)間，并對(duì)引信體外射頻電源層的儲(chǔ)能電容感應(yīng)充電。發(fā)射后，發(fā)射后坐過(guò)載傳感器在后坐過(guò)載的作用下，處于斷路狀態(tài)，儲(chǔ)能電容與發(fā)火控制電路、起爆電路導(dǎo)通，為其供電。

儲(chǔ)能電容由3個(gè)100 μF/25 V鉭電容并聯(lián)組成，裝定起爆時(shí)間2.7 s。利用馬希特錘模擬發(fā)射環(huán)境，測(cè)試波形如圖9和圖10所示，其中圖9為引信體外射頻電源充電階段的放大波形，圖10為引信體外射頻電源供電階段的放大波形，信號(hào)從上而下分別對(duì)應(yīng)為起爆信號(hào)、儲(chǔ)能電容端電壓波形和后坐過(guò)載傳感器端電壓(即供電控制信號(hào))。

圖7　應(yīng)用體外射頻電源的引信原理樣機(jī)Fig.7　Photo of fuze prototype with externally RF power

圖8　引信感應(yīng)裝定器原理樣機(jī)Fig.8　Photo of fuze inductive setter prototype

圖9　引信體外射頻電源充電階段信號(hào)波形Fig.9　Signal during the externally RF power charging

圖10　引信體外射頻電源供電階段信號(hào)波形Fig.10　Signal after the externally RF power activated

由圖9可知，信息裝定過(guò)程中，同步完成了能量裝定，儲(chǔ)能電容充電，710 ms處充到最大電壓12 V，即引信體外射頻電源充電階段。引信與裝定器分離后，由于供電控制電路的隔離作用，引信發(fā)火控制電路和起爆電路未上電工作。

由圖10可知，當(dāng)后坐過(guò)載傳感器在后坐過(guò)載作用下斷開，端電壓從3 V降至0 V附近時(shí)，引信發(fā)火控制電路和起爆電路上電工作，計(jì)時(shí)器啟動(dòng)，計(jì)時(shí)2.7 s后輸出起爆信號(hào)。

4結(jié)論

本文提出了基于發(fā)射后坐過(guò)載傳感器的引信體外射頻電源供電控制方法。該方法采用后坐過(guò)載傳感器，通過(guò)彈簧約束切刀并在后坐過(guò)載作用下切斷導(dǎo)體的方式識(shí)別發(fā)射環(huán)境，并控制供電電路通斷，實(shí)現(xiàn)引信體外射頻電源在出炮口附近對(duì)發(fā)火控制與起爆電路供電；在引信裝定時(shí)檢測(cè)傳感器導(dǎo)體的通斷，提高引信體外射頻電源供電安全性。原理樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠控制引信體外射頻電源僅在出炮口附近對(duì)發(fā)火控制與起爆電路供電，從而解決了引信體外射頻電源的供電控制問(wèn)題；發(fā)射過(guò)載傳感器與上電控制電路簡(jiǎn)單、易于小型化。但該方法僅利用發(fā)射后坐過(guò)載作為控制激勵(lì)，為提高引信安全性，應(yīng)進(jìn)一步研究利用多種發(fā)射環(huán)境激勵(lì)的引信體外射頻電源上電復(fù)合控制方法。

參考文獻(xiàn):

[1]周曉東，張河.引信體外射頻電源技術(shù)研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，34(2)：148-150.

[2]周曉東.引信能量和信息非接觸傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2005.

[3]GJB373-98引信安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[S].北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，1998.

[4]吳志亮，張合.小口徑感應(yīng)儲(chǔ)能引信低功耗設(shè)計(jì)[J].彈道學(xué)報(bào)，2010，21(1):91-94.

[5]吳志亮，張合.小口徑引信膛內(nèi)感應(yīng)儲(chǔ)能磁場(chǎng)穿透特性[J].兵工學(xué)報(bào)，2010，31(10):1310-1315.

[6]李長(zhǎng)生，張合，查冰婷.引信無(wú)線供電系統(tǒng)電磁耦合結(jié)構(gòu)外圍金屬介質(zhì)渦流損耗分析[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，35(3): 347-351.

[7]GJB/Z 135-2002引信工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2002.

Externally RF Power Supply Control Technology for Fuze

CHANG Yue1,2, LI Jie1, ZHOU Xiaodong3

(1.School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China;2.No.63961 Unit of PLA, Beijing 100012, China; 3.Ammunition Engineering Department,Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract:To control the power supply of the externally RF power for fuze, the supply control method of the externally RF power for fuze based on the launch recoil overload sensor was proposed. The launch recoil overload sensor could distinguish the difference environment between ammunition service and ammunition launch, and generated the control signal to switch on the circuit of power supply of the externally RF power, when the cutter cut off the wire by the pull of recoil, which was hold upper by spring. To avoid false detonation, the state of wire was checked during fuze setting, and the control and detonate circuit of fuze became short-circuit if the wire was broken before launch. The prototype test results showed that the externally RF power was discharged and the control and detonate circuit of fuze begins to start-up just during muzzle with the supply control method. The sensor and control circuit had advantages of simple and easily miniaturization.

Key words:fuze；fuze externally RF power；supply control；inductive setting

中圖分類號(hào):TJ430.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：1008-1194(2016)01-0024-04

作者簡(jiǎn)介:常悅(1980—)，女，遼寧錦州人，博士研究生，研究方向： 引信和戰(zhàn)斗部總體技術(shù)。E-mail:Changyue@sina.com。

*收稿日期:2015-11-03