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.