彭志凌,孫 健,趙河明

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

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隨機(jī)起爆子彈引信空氣動(dòng)力保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

彭志凌,孫 健,趙河明

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

在有限的子彈空間內(nèi)布置各引信機(jī)構(gòu)是隨機(jī)起爆子彈引信設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn),根據(jù)某隨機(jī)起爆子彈藥的工作要求,在研究引信工作過(guò)程的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了由降落傘、保險(xiǎn)筒、尾翼、扭轉(zhuǎn)體和扭轉(zhuǎn)簧組成的空氣動(dòng)力保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),并對(duì)扭轉(zhuǎn)簧8個(gè)參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算,結(jié)合工程實(shí)際,得出了扭轉(zhuǎn)體解除保險(xiǎn)時(shí)間。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的隨機(jī)起爆子彈引信空氣動(dòng)力保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)科學(xué)合理。

空氣動(dòng)力保險(xiǎn)機(jī)構(gòu);子彈引信;隨機(jī)起爆;扭轉(zhuǎn)簧

0 引言

隨機(jī)起爆子母彈藥主要用于機(jī)場(chǎng)跑道設(shè)障、遲滯敵方的作戰(zhàn)速度、清除敵方所設(shè)障礙和對(duì)敵目標(biāo)實(shí)行封鎖等方面[1-3]。

不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)此類彈藥引信工作要求不同。為了使隨機(jī)起爆時(shí)間可控的子彈群具有能適應(yīng)各種場(chǎng)合的戰(zhàn)場(chǎng)需要，要求隨機(jī)起爆子彈藥的時(shí)間段可以按要求重新設(shè)定。因此，控制起爆時(shí)間的子彈引信是此類彈藥的核心，其性能直接決定了彈藥的效能。在引信尺寸嚴(yán)格控制的情況下，合理布置各零部組件是引信設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)[2-4]。

文中通過(guò)研究隨機(jī)起爆子彈引信工作過(guò)程，根據(jù)某隨機(jī)起爆子彈藥的實(shí)際工作要求，設(shè)計(jì)了由降落傘單元、 保險(xiǎn)筒組件、尾翼部分、扭轉(zhuǎn)體和扭轉(zhuǎn)簧等零部組件組成的隨機(jī)起爆子彈藥空氣動(dòng)力保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。按照《引信設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)決定扭轉(zhuǎn)簧特性的八個(gè)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)理論計(jì)算，結(jié)合實(shí)戰(zhàn)情況，給出了扭轉(zhuǎn)體解除保險(xiǎn)時(shí)間。

1 隨機(jī)起爆子彈引信工作過(guò)程

隨機(jī)起爆子彈藥倉(cāng)儲(chǔ)和勤務(wù)過(guò)程中，必須保證絕對(duì)安全。在開(kāi)倉(cāng)拋撒之前，引信處于未解保狀態(tài)。拋撒后，子彈以較高的速度攻擊目標(biāo)，要求有穩(wěn)定裝置提供合適的空氣阻力，使子彈速度調(diào)整到預(yù)定范圍。引信工作流程如圖1所示。母彈開(kāi)倉(cāng)之前，無(wú)線數(shù)據(jù)接受模塊通過(guò)電磁感應(yīng)原理獲得電能并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收與存儲(chǔ)；子彈從母彈體中拋撒后，引信的傘蓋機(jī)構(gòu)將保險(xiǎn)桶拉出，被釋放的扭轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，尾翼伸出，引信滑塊的第一道保險(xiǎn)解除。碰撞目標(biāo)時(shí)，滑塊剪切銷被剪斷，解除第二道保險(xiǎn)。

2 引信空氣動(dòng)力保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

空氣動(dòng)力保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)將空氣動(dòng)力作為解除保險(xiǎn)的原動(dòng)力，保險(xiǎn)解除過(guò)程如圖2所示。利用降落傘的空氣阻力將保險(xiǎn)套筒拉出，解除對(duì)扭轉(zhuǎn)體的限制，扭轉(zhuǎn)體在扭力簧的作用下旋轉(zhuǎn)90°運(yùn)動(dòng)到位，滑塊的第一道保險(xiǎn)解除，尾翼伸出。

2.1 降落傘的設(shè)計(jì)

降落傘是空氣動(dòng)力保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的重要組成部分,它的設(shè)計(jì)主要是確定降落傘的外形與面積,降落傘在母彈中的位置如圖3所示。

隨機(jī)起爆子彈藥拋撒將進(jìn)行一個(gè)非常復(fù)雜的傘-彈系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其受力狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)、系統(tǒng)外形與姿態(tài)等都不是恒量，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)都需要對(duì)傘-彈系統(tǒng)的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，文中進(jìn)行如下假設(shè)為：不考慮系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)，降落傘的阻力與速度方向在同一直線上，忽略彈丸的空氣阻力對(duì)降落傘的影響。

圖1 引信工作流程圖

由于設(shè)計(jì)降落傘的目的是為了將保險(xiǎn)桶可靠地拉出,因此可以先求得保證保險(xiǎn)桶剛好被拉出時(shí)的降落傘的面積,而后再進(jìn)行放大來(lái)確定最終的降落傘的面積。

圖2 空氣動(dòng)力解除保險(xiǎn)過(guò)程示意圖

同時(shí),由于圓形傘比條形傘和十字形傘有更好的阻力效果,因此選用圓形傘。

圖3 子母彈裝配狀態(tài)示意圖

由空氣動(dòng)力學(xué)的知識(shí)可知:當(dāng)傘-彈系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)下降時(shí),若其速度為v,那么該回收系統(tǒng)的阻力為:

F=0.5×ρ×v2×(CDS)

(1)

式中:F為降落傘的阻力;ρ為流體密度;(CDS)為降落傘阻力特征;CD為傘的阻力系數(shù);S為傘衣的阻力面積。

由于保險(xiǎn)桶的質(zhì)量為m=0.02 kg,摩擦阻力為f=1.96 N,則:

F=mg+f=20×10-3×9.8+1.96=2.16 N

又因?yàn)関=200 m/s(這是取最小,而實(shí)際要遠(yuǎn)高于此值),ρ=1.1 kg/m3,CD=0.8,則可以求得:

這是保證保險(xiǎn)桶能否分離的最小極限值,為了保證在較短時(shí)間將保險(xiǎn)桶可靠的拉出,取S=1.0×10-2m2。

2.2 保險(xiǎn)筒的設(shè)計(jì)

保險(xiǎn)筒的外徑與彈體相同,高度為16 mm,壁厚1 mm,頂部與降落傘相連接。保險(xiǎn)筒的作用是通過(guò)約束尾翼的運(yùn)動(dòng)來(lái)限制扭轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)子彈被拋散以后利用降落傘的空氣動(dòng)力將其拉出來(lái)。裝配時(shí)的狀態(tài)如圖4與圖5所示。

圖4 整體裝配圖

2.3 尾翼扭轉(zhuǎn)體的設(shè)計(jì)[4-7]

為了使子彈垂直落向目標(biāo),采用了3個(gè)穩(wěn)定翼片,相互成120°均勻分布于引信體周?chē)?。尾翼厚度? mm,寬度4 mm,扭轉(zhuǎn)到位時(shí)伸出長(zhǎng)度為10 mm。在保險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)如圖6所示,3個(gè)尾翼旋入引信體內(nèi);當(dāng)保險(xiǎn)套筒被拉出后,3個(gè)尾翼在扭力簧的作用下旋出時(shí)的狀態(tài)如圖7所示。

圖5 保險(xiǎn)筒

圖6 尾翼未解除保險(xiǎn)狀態(tài)

圖7 尾翼解除保險(xiǎn)狀態(tài)

扭轉(zhuǎn)體有兩個(gè)作用,一方面將尾翼伸出,另一方面作為保險(xiǎn)件。當(dāng)扭轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)過(guò)90°后其缺省平面與滑塊側(cè)面平行,進(jìn)而解除對(duì)滑塊的限制。如圖8與圖9所示,分別是未解除保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)后的狀態(tài)。

圖8 滑塊未解除保險(xiǎn)狀態(tài)

圖9 滑塊解除保險(xiǎn)狀態(tài)

2.4 扭轉(zhuǎn)簧的設(shè)計(jì)

扭轉(zhuǎn)簧是引信中的儲(chǔ)能部件,它的作用是:在扭轉(zhuǎn)體的約束解除以后,驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)到位,使尾翼伸出,同時(shí)解除對(duì)滑塊的第一道保險(xiǎn)。在轉(zhuǎn)動(dòng)到位后,扭轉(zhuǎn)簧還要保持有一定的扭轉(zhuǎn)力矩,防止扭轉(zhuǎn)體恢復(fù)[8-10]。

根據(jù)《引信設(shè)計(jì)手冊(cè)》中扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)過(guò)程如下:

1)已知扭力簧的初始參數(shù)如下:

a)最小扭矩M1=(1.0±0.2) kg·mm;

b)最小扭角φ1=90°;

c)最大扭矩M2=(2.0±0.4) kg·mm;

d)最小扭角φ2=180°;

e)芯桿最大直徑D0=4.50 mm;

f)最大自由高度hmax≤4 mm;

g)最大外徑D2≤8 mm;

h)工作扭角φ=φ2-φ1=180°-90°=90°。

2)初定扭力簧的中徑為:

D=D0+1.5=6 mm

3)依據(jù)《引信設(shè)計(jì)手冊(cè)》中扭簧的設(shè)計(jì)方法,并根據(jù)扭簧自由高度、穩(wěn)定性、最大外徑、最小內(nèi)徑等綜合考慮,所設(shè)計(jì)扭簧的彈簧絲直徑d=0.6+0.02mm,扭簧圈數(shù)n=4.5,扭簧中徑公差ΔD=0.5 mm,各圈之間的間距為0.2 mm。

4)扭簧中徑縮小量為:

上式算出的δ是中徑的平均縮小量,為防止工作時(shí)扭簧卡緊芯桿,取δ=1.5 mm。

依據(jù)《引信設(shè)計(jì)手冊(cè)》中扭簧中徑的計(jì)算公式可得:

5)扭簧的最大外徑:

扭簧的最小內(nèi)徑:

最大自由高度:

hmax=ntmax+dmax=3.76 mm

6)驗(yàn)算扭矩M1和M2

已知特殊用途碳素鋼絲的E=2.1×104kg/mm2,則:

以上計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)條件基本相符。

7)強(qiáng)度校核

則此扭簧在最大載荷下的彎曲應(yīng)力為:

所以:σmax=(1+0.204)σ=236 kg/mm2

材料采用甲組的特殊用途碳素彈簧鋼絲,其σb=285～315 kg/mm2,則:

[σ]=0.81σb=243 kg/mm2

σmax<[σ]滿足要求。

綜上可知,此引信扭轉(zhuǎn)彈簧的參數(shù)確定為:

a)最小扭矩M1=(1.0±0.2) kg·mm;

b)最小扭角φ1=90°;

c)最大扭矩M2=(2.0±0.4) kg·mm

d)最小扭角φ2=180°;

e)最小內(nèi)徑D1=6 mm;

g)最大外徑D2=7.56mm;

h)扭簧圈數(shù)n=4.5圈。

3 扭轉(zhuǎn)體解除保險(xiǎn)時(shí)間計(jì)算

扭轉(zhuǎn)體解除保險(xiǎn)的時(shí)間是指從保險(xiǎn)筒被拉出后到尾翼完全伸出所需要的時(shí)間。在只考慮滑塊壓力影響因素時(shí)扭轉(zhuǎn)體的運(yùn)動(dòng)方程為:

(2)

其中:J0為扭轉(zhuǎn)體組合件對(duì)其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,這里取轉(zhuǎn)動(dòng)到位時(shí)的最大值為3.197kg/mm2;β0為扭簧的預(yù)扭轉(zhuǎn)角度,取180°;β為轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)角度,初始值為0°,轉(zhuǎn)正到位時(shí)為90°;M為扭簧的扭轉(zhuǎn)剛度6.248N·mm/π;f1為滑塊與扭轉(zhuǎn)體軸的動(dòng)摩擦系數(shù),為0.17;f2為扭轉(zhuǎn)體軸與引信體的動(dòng)摩擦系數(shù),為0.15;N1為滑塊對(duì)扭轉(zhuǎn)體軸的正壓力,為7.39N;N2為引信體對(duì)扭轉(zhuǎn)體軸的正壓力,為7.39N。r為扭轉(zhuǎn)體半徑,為1.5mm。

代入數(shù)據(jù),解上述扭轉(zhuǎn)體的運(yùn)動(dòng)方程可得扭轉(zhuǎn)體在理想條件下轉(zhuǎn)正到位所用時(shí)間為25.4ms。

4 結(jié)論

文中通過(guò)研究隨機(jī)起爆子彈引信工作過(guò)程,根據(jù)某隨機(jī)起爆子彈藥的實(shí)際工作要求,設(shè)計(jì)了由降落傘單元、保險(xiǎn)筒組件、尾翼、扭轉(zhuǎn)體和扭轉(zhuǎn)簧組成的隨機(jī)起爆子彈藥空氣動(dòng)力保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。按照《引信設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)對(duì)決定扭轉(zhuǎn)簧特性的8個(gè)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的理論計(jì)算,結(jié)合實(shí)戰(zhàn)情況,給出了扭轉(zhuǎn)體解除保險(xiǎn)時(shí)間。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)性能特性符合隨機(jī)起爆子彈引信實(shí)戰(zhàn)需求。

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Design of Aerodynamic Insurance Components of Random Detonating Fuze

PENG Zhiling,SUN Jian,ZHAO Heming

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051)

Allocation of fuze mechanism in limited space is key and difficult point for design of random detonating fuze. According to work requirements of a certain random detonating submunition, working process of bomblet fuze was studied. Aerodynamic insurance mechanism composed of parachute, insurance tube, spoiler, reverse body and torsion spring was designed. Eight parameters of torsion spring were presented through rigorous theoretical. Based on engineering practice, the time when released from quarantine was given. The results show that the design of aerodynamic insurance mechanism is scientific and rational.

aerodynamic insurance mechanism; bomblet fuze; random detonation; torsion spring

2014-09-17

國(guó)家青年自然科學(xué)基金(51305409);山西省自然科學(xué)基金(2013021020-2)資助

彭志凌(1976-),男,山西興縣人,副教授,博士,研究方向:探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)。

TJ430.33

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