廖翔， 李豪杰， 張合

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

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坦克炮彈藥共用底火裝定能量雙向隔離系統(tǒng)設(shè)計方法

廖翔， 李豪杰， 張合

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

針對坦克炮、自行火炮信息化彈藥膛內(nèi)實時裝定問題，采用共用底火的裝定系統(tǒng)對入膛后的彈藥進行實時裝定。為了解決共用底火裝定系統(tǒng)中存在擊發(fā)能量流與裝定能量流對裝定回路和擊發(fā)回路產(chǎn)生影響的問題，建立了能量流雙向隔離系統(tǒng)邊界條件和隔離系統(tǒng)函數(shù)，并通過對函數(shù)的參數(shù)取值設(shè)計了針對特定擊發(fā)能量類型的隔離系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明，采用該方法得到的隔離系統(tǒng)能夠有效地隔離裝定能量流和擊發(fā)能量流，且其對擊發(fā)能量流的損耗很小。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 坦克炮彈藥； 引信裝定； 底火回路； 隔離系統(tǒng)

0 引言

為了保證坦克炮、自行火炮信息化彈藥發(fā)射時實時獲取信息的能力，傳統(tǒng)裝定方法已無法滿足彈藥對信息獲取的實時性要求，需要在膛內(nèi)彈藥發(fā)射前對引信實時信息交聯(lián)[1-2]。現(xiàn)有實時信息交聯(lián)方法包括感應(yīng)、共振和射頻裝定等[3-4]。感應(yīng)、共振裝定由于膛內(nèi)金屬環(huán)境的限制，無法布置在膛內(nèi)，只能布置在彈鏈上或炮口位置，而彈鏈裝定難以實現(xiàn)對膛內(nèi)已有彈藥裝定[5]，而低伸彈道火炮遠距離射頻裝定的抗干擾問題尚未解決[6]，因此需要一種能夠?qū)σ讶胩艔椝庍M行發(fā)射時實時裝定的裝定技術(shù)。

目前，入膛后裝定技術(shù)主要有對火炮炮閂進行改動的美國彈藥數(shù)據(jù)鏈協(xié)議ADL[7]，其通過對炮閂進行改動增加數(shù)據(jù)鏈觸點實現(xiàn)膛內(nèi)實時裝定，但其需要對炮閂結(jié)構(gòu)進行改動，無法適應(yīng)對現(xiàn)有火炮和其配用彈藥進行信息化改造的需求。為此，需要設(shè)計共用火炮原有擊發(fā)回路的裝定系統(tǒng)，而設(shè)計的關(guān)鍵問題在于擊發(fā)通道與裝定通道間能量和信息的隔離，需要對共用底火回路有線裝定系統(tǒng)擊發(fā)通道與裝定通道間能量和信息的隔離方法開展研究。

在現(xiàn)有的隔離方法設(shè)計中，設(shè)計者均只考慮針對特定火炮的裝定能量對底火發(fā)火回路的隔離，并分別設(shè)計了瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)法和二極管法兩種隔離裝定能量和底火發(fā)火回路的方法[8-9]。TVS法利用擊發(fā)電壓和裝定電壓的幅值區(qū)別，并使用TVS管對裝定能量和擊發(fā)能量進行區(qū)分。其設(shè)定擊發(fā)電壓大于裝定電壓，并將TVS管串聯(lián)入底火擊發(fā)回路中，從TVS管的陰極引出連接線與引信裝定輸入端連接。由于裝定電壓小于TVS管擊穿電壓，裝定能量無法通過其進入底火擊發(fā)回路，而擊發(fā)電壓大于TVS管擊穿電壓，擊穿TVS導(dǎo)通發(fā)火回路。二極管法通過設(shè)定裝定電壓為負，擊發(fā)電壓為正，并將二極管正向串聯(lián)在底火擊發(fā)回路中以實現(xiàn)其功能。

上述設(shè)計中存在的不足包括：1)僅為針對特定火炮擊發(fā)系統(tǒng)設(shè)計，缺乏通用于不同擊發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計方法；2)僅考慮了裝定能量對底火回路的隔離，并未對裝定能量流和擊發(fā)能量流進行系統(tǒng)分析，以研究擊發(fā)能量對裝定系統(tǒng)的影響以及上述隔離系統(tǒng)失效的條件下底火回路的安全性。因此，需要研究膛內(nèi)裝定系統(tǒng)能量雙向隔離系統(tǒng)設(shè)計方法，并利用此方法設(shè)計隔離系統(tǒng)。

1 共用底火雙向隔離系統(tǒng)原理

膛內(nèi)隔離系統(tǒng)由能量控制器、擊發(fā)隔離器和裝定隔離器組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中能量控制器位于炮上裝定系統(tǒng)內(nèi)部，串接在裝定控制器的輸出端與炮閂之間，其包括：1)裝定功率限制模塊，限制裝定控制器輸出能量，使其小于底火發(fā)火系統(tǒng)發(fā)火能量；2)能量單向模塊，限制能量流方向，只允許能量流從裝定系統(tǒng)流出，防止擊發(fā)能量倒灌入裝定控制器導(dǎo)致裝定控制器損壞。能量控制器功能示意圖，如圖2所示。裝定隔離器和擊發(fā)隔離器位于彈藥內(nèi)部，裝定隔離器串接于底火觸點和彈上裝定接收系統(tǒng)之間，擊發(fā)隔離器則串接于底火觸點與底火發(fā)火系統(tǒng)之間。二者原理為：裝定隔離器從裝定能量和擊發(fā)能量混合流中提取出裝定能量流，并使引信相對于底火發(fā)火回路對擊發(fā)能量流呈現(xiàn)高阻態(tài)，防止對擊發(fā)能量的分流導(dǎo)致?lián)舭l(fā)異常，以及防止擊發(fā)能量流損壞引信；擊發(fā)隔離器從混合流中提取出擊發(fā)能量流，防止裝定能量流流入底火回路中。擊發(fā)隔離器和裝定隔離器功能示意圖，如圖3所示。

圖2 能量控制器功能示意圖Fig.2 Schematic diagram of power control functions

圖3 擊發(fā)隔離器和裝定隔離器功能示意圖Fig.3 Schematic diagram of firing and setting isolation functions

系統(tǒng)工作過程為：裝定控制器在接收到裝定指令和裝定信息后，將調(diào)制過的裝定能量輸出到能量控制器，能量控制器檢測在炮閂處能量流狀態(tài)，在炮閂處未出現(xiàn)擊發(fā)能量流的情況下將經(jīng)過限制的裝定能量流傳輸?shù)脚陂V，能量流通過炮閂與底火觸點分別到達擊發(fā)隔離器與裝定隔離器，二者分別判斷通過底火觸點的能量流類型，當裝定能量流出現(xiàn)在炮閂時，擊發(fā)隔離器阻止裝定能量流通過，而裝定隔離器將裝定能量流輸出到彈上裝定接收系統(tǒng)中，裝定接收系統(tǒng)利用裝定能量流的能量并從中提取裝定信息。當擊發(fā)能量出現(xiàn)在炮閂時，能量控制器立即阻斷裝定能量流傳輸，并隔離裝定控制器。擊發(fā)能量流通過底火觸點與擊發(fā)隔離器到達底火發(fā)火系統(tǒng)，引燃底火發(fā)射彈丸，裝定隔離器可抑制過大的擊發(fā)能量流通過其傳輸?shù)綇椛涎b定接收系統(tǒng)中，保護彈上系統(tǒng)不被擊發(fā)能量損壞。

2 共用底火雙向隔離系統(tǒng)模型

2.1 理想雙向隔離系統(tǒng)邊界條件

假設(shè)裝定控制器的能量輸出無法對擊發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，則其邊界條件要求：1)在回路中未出現(xiàn)擊發(fā)能量時，在整個裝定能量輸出過程中到達底火發(fā)火系統(tǒng)的能量應(yīng)當為0；2)當擊發(fā)出現(xiàn)在回路中時，裝定能量應(yīng)當消失，擊發(fā)隔離器對擊發(fā)能量的響應(yīng)在擊發(fā)能量輸出過程中的積分應(yīng)當大于可靠發(fā)火能量；3)到達裝定接收系統(tǒng)的瞬時功率應(yīng)當小于引信最大安全輸入功率；4)到達裝定接收系統(tǒng)的能量大于引信最小需求能量；5)通過能量控制器的瞬時功率不能大于底火發(fā)火系統(tǒng)的最大安全功率；6)能量無法從擊發(fā)系統(tǒng)流入裝定控制器。

根據(jù)邊界條件要求得到理想隔離系統(tǒng)邊界條件，如(1)式～(6)式所示：

(1)

(2)

Po=fs(g1(Pi)+Pp)≤Ps,

(3)

(4)

g1(Pi)≤Pl,

(5)

g2(Pp)=0,

(6)

式中：0～t1代表裝定能量流輸出時間段；t1～t2代表擊發(fā)能量流輸出時間段；Pi代表裝定控制器輸出功率；Pp代表擊發(fā)系統(tǒng)輸出功率；Pf代表到達底火擊發(fā)系統(tǒng)功率；Po代表到達裝定接收模塊功率；Ps代表裝定接收系統(tǒng)允許的最大輸入功率；Es代表裝定接收系統(tǒng)需要的最小裝定能量；Pl代表底火發(fā)火系統(tǒng)的最大安全功率；g1(Pi)為裝定功率控制函數(shù)，g2(Pp)為能量單向?qū)ê瘮?shù)；ff(Pp)為擊發(fā)隔離函數(shù)，fs(g1(Pi)+Pp)為裝定隔離函數(shù)。

2.2 雙向隔離系統(tǒng)函數(shù)實現(xiàn)分析

擊發(fā)隔離器設(shè)計需滿足邊界條件(1)式和(2)式。其中，(1)式保證在擊發(fā)能量出現(xiàn)之前擊發(fā)隔離器斷開，(2)式保證從擊發(fā)隔離器檢測到擊發(fā)能量時刻t1至底火橋絲點燃時刻t2擊發(fā)隔離器維持導(dǎo)通。滿足該條件的擊發(fā)隔離器如(7)式所示：

(7)

式中：Uj為閾值判別電壓；U(t)為能量控制器輸出電壓；T為U(t)≥Uj的時刻集合；ti為任意U(t)≥Uj的時刻；t0=min(ti)。由(7)式得到的擊發(fā)隔離器為一電壓閾值判別模塊，其工作過程為：當U(t)≤Uj時，擊發(fā)隔離器無輸出；當U(t)≥Uj發(fā)生時，擊發(fā)隔離器導(dǎo)通，并維持導(dǎo)通狀態(tài)直到U(t)=0.

(8)

式中：Ui(t)為裝定控制器輸出電壓，Ui=maxUi(t)；Us為系統(tǒng)最大允許裝定電壓。當裝定控制器輸出電壓|Ui(t)|<|Is|Rl時，能量控制器輸出為裝定控制器輸出的等比衰減；當|Ui(t)|≥|Is|R1時，能量控制器以IsRl輸出。

裝定隔離器需滿足：邊界條件(3)式，擊發(fā)過程中彈上系統(tǒng)不損壞；邊界條件(4)式，裝定過程中裝定能量供應(yīng)和裝定信息不失真。滿足以上條件的裝定隔離器如(9)式所示：

(9)

式中:Ul為裝定接收系統(tǒng)最大允許輸入電壓。當U(t)

能量控制器中的能量單向模塊需滿足邊界條件(6)式，能量單向傳輸。其方法如(10)式所示：

(10)

式中：Ic為能量流換向電流，當I(t)≥Ic時，認為能量流由裝定控制器流向炮閂；當I(t)

通過對(7)式～(10)式中的Uj、Is、Ul和Ic進行取值，就可以得到隔離系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)。如當Uj>0時，擊發(fā)隔離器為一電壓閾值判別器，該判別器通過判斷底火觸點上的電壓值控制其自身導(dǎo)通或關(guān)斷，其比TVS擊發(fā)隔離器能量損耗小，且能適應(yīng)更多的擊發(fā)能量形式。對于車載系統(tǒng)，當擊發(fā)電壓為車載電壓U0=24 V時，可設(shè)置Ul>U0，則fs(U(t))=U(t)在裝定過程和擊發(fā)過程中都成立，不需要裝定濾波器。此狀態(tài)下，可設(shè)計Ic=0，則能量單向模塊為一個正向二極管。

若裝定能量Ul和信息ul(t)傳輸過程中擊發(fā)能量U0突然出現(xiàn)，則由(7)式U0>Ul>Ul≥u1(t)，擊發(fā)能量U0占據(jù)炮閂并導(dǎo)致(7)式擊發(fā)隔離器導(dǎo)通，彈丸發(fā)射。同時根據(jù)(10)式此時Ic滿足能量流換向條件，裝定控制閥阻斷裝定控制器與炮閂間能量和信息流，保護裝定控制器。因此，當裝定信息傳輸完成后，不需要等待裝定能量消失，只需要擊發(fā)能量出現(xiàn)，彈丸便可發(fā)射。若裝定信息未傳輸完成時擊發(fā)能量出現(xiàn)，則裝定失敗，彈丸發(fā)射并以默認工作方式作用。在實際使用中，需要發(fā)射前預(yù)留時間窗口保證裝定信息傳輸完成。

3 試驗研究

3.1 雙向隔離系統(tǒng)隔離效果試驗

為了分析隔離系統(tǒng)隔離效果，進行了隔離系統(tǒng)對裝定能量流的隔離效果試驗，采用電阻值為2.5 Ω的電阻作為底火發(fā)火系統(tǒng)模擬負載，測量裝定能量傳輸過程中該電阻兩端的電壓，對比回路中有無隔離系統(tǒng)時此電壓的區(qū)別，評價隔離系統(tǒng)對裝定能量的隔離效果。

通過試驗得到有隔離系統(tǒng)時裝定控制器及擊發(fā)系統(tǒng)輸出到底火發(fā)火系統(tǒng)上的能量，如圖4(a)所示。圖4(a)中炮閂輸入為裝定控制器和擊發(fā)系統(tǒng)輸入到炮閂的能量流電壓波形，底火輸出為輸出到底火擊發(fā)系統(tǒng)的能量流波形；兩波形的前100 ms為裝定能量流，100～110 ms為擊發(fā)能量流。從圖4(a)中可以看出，當隔離系統(tǒng)存在時，炮閂輸入裝定能量流和裝定信息流時，輸出到底火發(fā)火系統(tǒng)的電壓為0，隔離系統(tǒng)隔離了裝定能量流；當擊發(fā)能量流輸入時，輸出到底火發(fā)火系統(tǒng)的直流發(fā)火電壓為20 V. 當隔離系統(tǒng)不存在時，其能量流輸入輸出如圖4(b)所示。圖4(b)中炮閂輸入為此時輸入到炮閂的裝定能量流電壓值，底火輸出為此時輸出到底火發(fā)火系統(tǒng)的裝定能量流電壓值，由此可以看出兩條曲線幾乎完全重合。由于底火發(fā)火系統(tǒng)負載很小，觸發(fā)裝定控制器電源打嗝保護，其波形呈現(xiàn)脈沖狀態(tài)。通過對比圖4(a)和圖4(b)，當無隔離系統(tǒng)時，裝定控制器輸出到底火發(fā)火系統(tǒng)的功率過大，觸發(fā)裝定控制器電源模塊保護，形成如曲線所示波形。當隔離系統(tǒng)存在時，裝定系統(tǒng)輸出到底火發(fā)火系統(tǒng)的功率均值為0，表明隔離系統(tǒng)可以實現(xiàn)隔離底火發(fā)火系統(tǒng)與裝定能量的功能。

圖4 裝定能量和擊發(fā)能量對底火輸出波形圖Fig.4 Output on primer by setting and firing inputs

為了確定在裝定能量輸出狀態(tài)下由隔離系統(tǒng)引入的噪聲對底火發(fā)火系統(tǒng)的影響。對底火發(fā)火系統(tǒng)在裝定能量輸出狀態(tài)下噪聲進行了測試，并與移除裝定控制器和隔離系統(tǒng)、底火發(fā)火系統(tǒng)直接接在擊發(fā)能量輸出端且關(guān)閉擊發(fā)能量輸出狀態(tài)下的噪聲進行對比。圖5為噪聲幅值譜密度圖，其中圖5(a)為裝定控制器輸出裝定能量時的噪聲，圖5(b)為裝定控制器輸出裝定信息時的噪聲，圖5(c)為直接接在發(fā)火能量輸出端的噪聲。對比圖5(a)和圖5(b)可以看出，裝定能量和裝定信息輸出時噪聲相當，統(tǒng)計表明通過隔離系統(tǒng)輸入的噪聲平均幅值譜密度均為-46 dB，幅值譜未發(fā)生明顯變化，由隔離系統(tǒng)引入的噪聲與此時流過炮閂的是裝定能量流還是裝定信息流無關(guān)。

圖5 底火輸入噪聲頻譜圖Fig.5 PSD graph of primer input noise

對比圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)可以發(fā)現(xiàn)，在裝定控制器和隔離系統(tǒng)未接入的情況下其噪聲較小，統(tǒng)計表明平均功率譜密度為-47 dB，噪聲略小于裝定能量輸出時，二者噪聲平均功率譜密度相差1 dB. 因此，裝定能量和信息過程會導(dǎo)致額外的噪聲從隔離系統(tǒng)引入底火發(fā)火系統(tǒng)，引入噪聲的功率增加較小，不會對底火發(fā)火系統(tǒng)造成顯著影響。

對隔離系統(tǒng)對擊發(fā)能量流的隔離效果進行了測試，通過測量擊發(fā)能量出現(xiàn)在炮閂時，裝定控制器輸出端電壓和電流，評價系統(tǒng)對擊發(fā)能量的隔離效果。擊發(fā)能量流對裝定控制器的能量流輸入如圖6所示。圖6中，炮閂的電壓為曲線炮閂輸入；當隔離系統(tǒng)不存在時，裝定控制器輸出端的電壓為裝定器輸出1；當隔離系統(tǒng)存在時，裝定控制器輸出端電壓為裝定器輸出2. 從圖6中可以看出，在擊發(fā)能量出現(xiàn)前，炮閂處電壓與裝定控制器輸出電壓相同。當擊發(fā)能量輸出時，在隔離系統(tǒng)不存在的條件下，擊發(fā)能量直接倒灌入裝定控制器，將裝定控制器電壓拉升到與擊發(fā)電壓一致，此時裝定控制器實測輸出電流為：-113 mA，存在較大能量輸入，當裝定控制器中存在電流檢測等類型的元件時，此反向電流會導(dǎo)致其負載過大，降低其可靠性及使用壽命。在隔離系統(tǒng)存在的條件下，當擊發(fā)能量出現(xiàn)在炮閂時，裝定控制器輸出端保持其電壓穩(wěn)定，且無電流輸入或輸出，裝定控制器不會被損壞。

圖6 擊發(fā)能量對裝定控制器輸出波形圖Fig.6 Output at setting control system by firing energy

3.2 隔離系統(tǒng)及裝定系統(tǒng)對擊發(fā)能量流影響試驗

隔離系統(tǒng)和裝定系統(tǒng)對擊發(fā)能量流的影響主要包括隔離系統(tǒng)的能量損耗和動作時間損失，通過測試擊發(fā)系統(tǒng)輸出端到底火發(fā)火系統(tǒng)間的能量損失，即可得到隔離系統(tǒng)對擊發(fā)能量流的影響。將該能量損失與火炮擊發(fā)回路中可能存在的分布電阻造成的能量損失進行對比，可以比較該能量損失對底火發(fā)火造成的影響。試驗中采用2.5 Ω電阻模擬底火發(fā)火負載，分別測量擊發(fā)系統(tǒng)的輸出電壓和負載上的電壓，其結(jié)果如圖7所示。圖7中炮閂輸入為擊發(fā)系統(tǒng)輸入波形，底火輸出為底火發(fā)火負載波形。從圖7中可以看出，隔離系統(tǒng)存在20%的能量損失和5 μs的隔離系統(tǒng)動作時間，隔離系統(tǒng)動作時間對發(fā)火的延遲相對于發(fā)火時間(毫秒級)可忽略不計。

圖7 隔離系統(tǒng)導(dǎo)通延遲和能量損耗波形圖Fig.7 Switch-on delay and energy loss of isolation system

為了確定隔離系統(tǒng)能量損耗的性質(zhì)，分別測量擊發(fā)電壓為24 V、22 V、20 V時底火發(fā)火系統(tǒng)負載電壓，其結(jié)果如表1所示。采用二次多項式擬合方法計算隔離系統(tǒng)等效阻抗。通過擬合，得到其電壓損失Ud與擊發(fā)負載電流Il的關(guān)系為

(11)

從而得到隔離系統(tǒng)零電流壓降為1.3 V，阻性損耗為0.6 Ω. 在擊發(fā)電壓為24 V車載電壓的條件下，當擊發(fā)回路中分布電阻大于0.66 Ω時，其產(chǎn)生的損耗將大于隔離系統(tǒng)產(chǎn)生的能量損耗。

表1 隔離系統(tǒng)在不同擊發(fā)電壓下能量損耗和導(dǎo)通延遲

4 結(jié)論

本文通過分析雙向隔離系統(tǒng)原理，建立理想隔離系統(tǒng)邊界條件并分析其函數(shù)實現(xiàn)，提出了共用底火裝定能量雙向隔離系統(tǒng)設(shè)計方法。通過對隔離系統(tǒng)函數(shù)中參數(shù)取值，完成了能量雙向隔離系統(tǒng)設(shè)計。通過試驗證明，使用共用底火回路有線裝定系統(tǒng)雙向隔離系統(tǒng)設(shè)計方法所設(shè)計出的隔離系統(tǒng)能夠保證：裝定能量流不會導(dǎo)致底火發(fā)火，在隔離系統(tǒng)正常

情況下，由于裝定能量流對底火發(fā)火系統(tǒng)產(chǎn)生影響，底火發(fā)火系統(tǒng)上的干擾增加1 dB，該干擾增加不會對底火產(chǎn)生可觀察的影響；擊發(fā)能量流不會損壞裝定控制器和引信，且擊發(fā)能量流不會對裝定控制器產(chǎn)生影響。隔離系統(tǒng)對擊發(fā)能量流的損耗小于一般條件下?lián)舭l(fā)回路分布電阻對擊發(fā)能量流的損耗，其影響較小。

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Design Method of Energy Isolation System for Fuze Setting via Primer

LIAO Xiang, LI Hao-jie, ZHANG He

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

In-bore real-time fuze setting via primer is needed to increase the ammunition first round hitting probability of current large or middle caliber gun. The energy isolation system is designed for isolating the setting energy from the primer firing circuit and the firing energy from the setting circuit by establishing the boundary conditions of the isolation system and giving a set of functions that meets the boundary conditions. An energy isolation system for a specific kind of firing energy is designed by setting the parameter values of the functions. The isolation system has been experimentally proved to successfully isolate the firing energy and the setting energy. The firing energy loss on isolation system is very small.

ordnance science and technology; tank gun ammunition; fuze setting; primer circuit; isolation system

2016-07-13

國家自然科學(xué)基金項目(61403201)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金項目(30915118824)

廖翔(1989—)，男，博士研究生。E-mail: 311012134@njust.edu.cn

李豪杰(1973—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail: haojieli@njust.edu.cn

TJ430.2

A

1000-1093(2017)04-0673-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.007