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        機(jī)場(chǎng)跑道侵徹彈隨機(jī)裝定與延時(shí)起爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2011-09-06 11:02:50喬相信卞友才
        關(guān)鍵詞:管腳存儲(chǔ)器延時(shí)

        喬相信,卞友才,姜 飛

        (1.沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng)110159;2.空軍駐吉林地區(qū)軍事代表室,吉林吉林132021)

        現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,制空權(quán)的爭(zhēng)奪越來(lái)越重要,毀傷敵機(jī)場(chǎng)跑道可有效遏制其空軍力量的發(fā)揮,一旦跑道被破壞和封鎖,可降低敵空軍的活動(dòng)頻率。反機(jī)場(chǎng)跑道彈藥的設(shè)計(jì)目的是盡可能長(zhǎng)時(shí)間地封鎖跑道,采用隨機(jī)延時(shí)侵徹子彈藥,可將起爆時(shí)間控制在從子彈藥落地的一定時(shí)間范圍內(nèi),從而有效地遏制敵機(jī)的起降。

        針對(duì)國(guó)外最先進(jìn)的機(jī)場(chǎng)反封鎖彈藥和技術(shù)存在的延時(shí)時(shí)間短的缺點(diǎn)[1],采用帶有破壞作用和延遲修復(fù)作用的封鎖機(jī)場(chǎng)彈藥與引信,對(duì)敵方機(jī)場(chǎng)跑道實(shí)施攻擊,是一個(gè)切實(shí)可行的手段。本彈藥引信系統(tǒng)與以往的封鎖機(jī)場(chǎng)炮彈不同:采用兩級(jí)串聯(lián)戰(zhàn)斗部,考慮發(fā)射和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的高過(guò)載對(duì)電子產(chǎn)品的沖擊;將起爆數(shù)據(jù)裝入PIC12C508,節(jié)省大量體積,使系統(tǒng)體積控制在較小范圍;PIC的CMOS設(shè)計(jì)結(jié)合諸多節(jié)電特性,其功耗較低;采用激活的化學(xué)電源為系統(tǒng)供電,保證低功耗和較長(zhǎng)時(shí)間的供電能力;起爆電源采用隨機(jī)時(shí)間裝定,起爆時(shí)間完全隨機(jī),可阻止敵方維修機(jī)械和人員接近跑道,延長(zhǎng)封鎖跑道的時(shí)間。

        1 反跑道侵徹彈結(jié)構(gòu)

        由于反跑道侵徹彈的著速不高,在機(jī)場(chǎng)跑道非常堅(jiān)固的情況下,彈頭未必能順利侵徹地表到合適的起爆深度,且在引信延遲起爆過(guò)程中,可能被敵方拆除,故提出具有串聯(lián)戰(zhàn)斗部的反跑道子母彈設(shè)計(jì),在其前級(jí)有預(yù)制聚能裝藥,預(yù)先在目標(biāo)上開(kāi)辟一定孔徑的彈坑,確保后級(jí)爆炸戰(zhàn)斗部能侵徹到跑道內(nèi)部,在引信延遲起爆過(guò)程中設(shè)置了防拆反排功能。反跑道侵徹彈結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 反跑道侵徹彈結(jié)構(gòu)

        當(dāng)母彈在一定高度開(kāi)倉(cāng)釋放子彈,子彈借降落傘作用下落。子彈風(fēng)帽的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)炸高的控制,當(dāng)彈體頭部碰到目標(biāo)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作,推動(dòng)侵徹戰(zhàn)斗部向前運(yùn)動(dòng),致發(fā)火機(jī)構(gòu)觸發(fā)前置引信,引爆前級(jí)預(yù)制聚能裝藥爆炸形成射流;在目標(biāo)上開(kāi)辟一定孔徑的通道,同時(shí)引燃彈底推進(jìn)裝藥,爆炸所產(chǎn)生的高壓氣流將侵徹戰(zhàn)斗部推到前級(jí)裝藥爆炸開(kāi)辟的通道底部,觸發(fā)延時(shí)引信(即主引信);彈頭在沖擊地面時(shí)激活延遲引信倒計(jì)時(shí),預(yù)設(shè)秒數(shù)走完時(shí)引爆彈頭,這時(shí)彈頭已經(jīng)侵徹地表,并在地表下進(jìn)行爆破,產(chǎn)生一定深淺的主彈坑和四周被聳動(dòng)破壞的鋪設(shè)面。

        2 技術(shù)方案選擇

        對(duì)引信總體設(shè)計(jì)與技術(shù)方案選擇時(shí)要考慮彈藥總體性能及參數(shù)[2]。隨機(jī)裝定與延時(shí)起爆控制系統(tǒng)控制侵徹戰(zhàn)斗部能按照預(yù)先裝定的起爆模式起爆,瞬時(shí)起爆模式則引信立即起爆,延時(shí)模式則按照裝定的延時(shí)時(shí)間起爆,延時(shí)時(shí)間隨機(jī)定時(shí)。引信延時(shí)起爆過(guò)程中,具有防拆反排的能力。為使引信具備防排反拆功能,在延時(shí)過(guò)程中不斷檢測(cè)防排開(kāi)關(guān)的狀態(tài),如果防拆開(kāi)關(guān)閉合,立即起爆,否則繼續(xù)延時(shí)程序。

        隨機(jī)延時(shí)起爆電路技術(shù)關(guān)鍵在于延時(shí)方式的選擇和延時(shí)參數(shù)的裝定以及起爆模式的裝定[1-3]。從實(shí)現(xiàn)角度分析,可選擇由程序控制的單片機(jī)實(shí)現(xiàn),也可設(shè)計(jì)專用集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

        1)延時(shí)方式的選擇

        單片機(jī)方式下,程序通過(guò)固定的延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)時(shí);全數(shù)字電路方式下,通過(guò)多級(jí)計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘信號(hào)分頻并計(jì)數(shù)完成計(jì)時(shí)功能,但電路設(shè)計(jì)較前者復(fù)雜,相當(dāng)于由硬件實(shí)現(xiàn)軟件的功能,集成后的芯片工作功耗大,體積也略大于前者。

        2)工作模式和參數(shù)的裝定方法

        單片機(jī)電路可采用節(jié)省端口線的串行Flash ROM或EEPROM存儲(chǔ)裝定參數(shù)和模式,裝定時(shí)對(duì)該芯片獨(dú)立供電并進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入。全數(shù)字電路可采用并行ROM以方便數(shù)據(jù)的讀寫。

        文中綜合考慮體積和功耗等問(wèn)題,采用程序控制的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)延時(shí)起爆功能。

        3 隨機(jī)延時(shí)起爆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        隨機(jī)延時(shí)起爆控制系統(tǒng)主要由外部裝定電路和起爆系統(tǒng)內(nèi)部控制電路組成,包括存儲(chǔ)器模塊、起爆電路模塊、裝定電路控制器、彈上控制器等。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

        圖2 隨機(jī)裝定與延時(shí)起爆控制系統(tǒng)框圖

        工作流程為:裝定系統(tǒng)初始化后,裝定控制器把起爆模式和控制器中軟件產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)寫入存儲(chǔ)器,完成裝定,由裝定電路的電源為EEPROM存儲(chǔ)器供電。當(dāng)彈丸發(fā)射后,引信的化學(xué)電源激活為系統(tǒng)供電,此時(shí)彈上控制器把存儲(chǔ)器中的起爆模式和隨機(jī)數(shù)讀出,當(dāng)彈丸撞擊目標(biāo)產(chǎn)生過(guò)載信號(hào)后,根據(jù)讀取到的起爆模式,立即起爆,或根據(jù)讀取的隨機(jī)延期時(shí)間進(jìn)行延時(shí),延時(shí)結(jié)束后輸出起爆信號(hào)。

        系統(tǒng)電路主要由彈下裝定電路和彈上電路兩部分組成。彈下裝定電路把軟件產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)據(jù)和起爆模式的數(shù)據(jù)預(yù)置到EEPROM存儲(chǔ)器中;彈上電路是在傳感器碰撞目標(biāo)獲得信號(hào)后,從EEPROM存儲(chǔ)器中讀取預(yù)先裝定的數(shù)據(jù),按預(yù)定方式完成起爆。兩部分電路都用單片機(jī)完成。

        4 起爆控制電路設(shè)計(jì)

        起爆控制電路如圖3所示,主要由微控制器PIC12C508、二 極 管 4001、EEPROM 存 儲(chǔ) 器AT24C02、模擬開(kāi)關(guān)CD4016等組成。PIC12C508是一個(gè)8腳封裝8位單片機(jī),具有實(shí)用、低價(jià)、省電、高速和體積小等特點(diǎn),其獨(dú)特的RISC(精簡(jiǎn)指令集)結(jié)構(gòu),及獨(dú)立分開(kāi)的數(shù)據(jù)總線和哈佛總線(Harvard)結(jié)構(gòu),使指令具有單字長(zhǎng)的特性,且允許指令碼的位數(shù)可多于8位。PIC12C508的Harvard總線和RISC結(jié)構(gòu)指令執(zhí)行速度比一般單片機(jī)快4~5倍;

        圖中器件U1(PIC12C508)的VDD與引信電源的正極相連,管腳2和3連接數(shù)碼顯示模塊的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線,管腳6和7通過(guò)4016與 U2(AT24C02)的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線相連,管腳6同時(shí)還是觸發(fā)瞬爆或延時(shí)起爆的信號(hào)輸入端,管腳5是瞬爆或延時(shí)起爆的信號(hào)輸出端,管腳4接反拆開(kāi)關(guān)。器件U2(AT24C02)在裝定狀態(tài)下,由外部電源供電,數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線端口分別與裝定器裝定接口相連,去掉寫保護(hù),裝定器向U2中寫入裝定數(shù)據(jù)。模擬開(kāi)關(guān)的控制端CTRL被裝定器強(qiáng)制接低電平,模擬開(kāi)關(guān)未導(dǎo)通,存儲(chǔ)器和微控制器未接通,在控制器一端呈現(xiàn)高阻態(tài),故微控制器在裝定模式下將不受影響。

        圖3 彈上電路原理圖

        電路的工作流程:引信正常工作狀態(tài)下,EEPROM存儲(chǔ)器由彈上電源供電,數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線端口通過(guò)4016與器件U1(PIC12C508)相連。打開(kāi)寫保護(hù)以防裝定數(shù)據(jù)被改寫??刂崎_(kāi)關(guān)控制端CTRL由上拉電阻拉高,控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通,存儲(chǔ)器到彈上控制器的數(shù)據(jù)傳輸通道形成,器件U1此時(shí)被啟動(dòng)正常工作,控制器可正常讀出裝定數(shù)據(jù)。傳感器信號(hào)到來(lái)后,由軟件讀取數(shù)據(jù),判斷出裝定的起爆模式,延期時(shí)間,觸發(fā)起爆信號(hào)。

        起爆電路的設(shè)計(jì)如圖4所示。驅(qū)動(dòng)及起爆電路由VMOS(Vertical Mos)管IRF540、RC充電電路和二極管構(gòu)成。J5的管腳4接起爆電路的輸入信號(hào)(PIC單片機(jī)的管腳5),管腳3接地,管腳1接電源,管腳1和2之間接電雷管兩端。VMOS管具有良好的性能,是電壓控制型半導(dǎo)體器件,其輸入阻抗極高,驅(qū)動(dòng)電流在數(shù)百納安數(shù)量級(jí);開(kāi)關(guān)速度高,高頻特性好;具有負(fù)電流溫度系數(shù),熱穩(wěn)定性優(yōu)良;沒(méi)有"熱崩"和"二次擊穿"的問(wèn)題,安全工作區(qū)域大,能避免傳感器信號(hào)被干擾時(shí)錯(cuò)誤起爆電雷管[4]。

        圖4 起爆電路原理圖

        圖4中電阻和電容對(duì)平時(shí)干擾進(jìn)行濾波,保護(hù)電雷管,二極管起到穩(wěn)壓作用。當(dāng)起爆信號(hào)的電壓值超過(guò)閾值電壓時(shí),VMOS管導(dǎo)通,引爆電雷管。

        5 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)驗(yàn)證

        調(diào)試軟件包括:MPLAB5.0、啟東星光51單片機(jī)ICE16仿真器以及仿真程序。硬件包括:ICE16仿真器、RF810編程器、ROM紫外線擦除器、泰克220數(shù)字示波器等。將三個(gè)軟件模塊整合,形成裝定器程序,編譯后寫入單片機(jī),連接引信電路后加電,在主界面顯示已有裝定信息。通過(guò)多次裝定不同的起爆模式并讀出,認(rèn)為裝定和讀取準(zhǔn)確可靠,裝定器調(diào)試完成。

        該系統(tǒng)在某反跑道侵徹彈上進(jìn)行了引信隨機(jī)裝定與延時(shí)起爆系統(tǒng)靶場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn)。得到的技術(shù)指標(biāo)為在0~48h內(nèi)隨機(jī)裝定;作用可靠度達(dá)0.96,彈上電路尺寸小于φ20mm,延時(shí)過(guò)程中具有防拆反排功能,達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        本文設(shè)計(jì)的隨機(jī)裝定與延時(shí)起爆控制系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)能很好的實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。引信電路能按照事先裝定的起爆模式起爆,如果延時(shí)起爆,將在經(jīng)過(guò)裝定的時(shí)間長(zhǎng)度后起爆,而且在延時(shí)過(guò)程中延時(shí)引信具有防拆反排能力。裝定的數(shù)據(jù)是在一定范圍內(nèi)的一個(gè)隨機(jī)時(shí)間值,這樣引信何時(shí)起爆是一個(gè)未知數(shù),使敵方對(duì)目標(biāo)的修復(fù)困難,達(dá)到了有效破壞并較長(zhǎng)時(shí)間封鎖飛機(jī)跑道的目的。

        [1]Rahdall D.Fuzing overview[C].44th Annual Fuze Conference,2000,4.

        [2]張清泰.無(wú)線電引信總體設(shè)計(jì)原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1985.

        [3]Frank Robbins.Fuzes for air force unguided and precision guided weapons[C].46th Annual Fuze Conference,2002,4.

        [4]劉靖,石庚辰.微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)及在引信中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代引信,1997,(3):20 -26.

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