史明東，屈軍利，袁夢笛，何小晶，馬太輝，陳余輝

(1.西安導引科技有限責任公司， 西安 710065； 2.西安現(xiàn)代控制技術研究所， 西安 710065;3.晉西工業(yè)集團有限責任公司， 太原 030027)

隨著信息技術的發(fā)展及應用，世界各軍事強國均在加緊對制導炮彈的研制，電視偵察炮彈、激光末制導炮彈、電視末制導炮彈、末敏彈等一批炮兵新型彈藥應運而生[1-2]。新型制導炮彈較常規(guī)彈藥結構更為復雜，其導引頭內包含各類光電傳感器和微電子元件，在火炮發(fā)射過程中炮彈受膛內壓力的作用，彈體將產(chǎn)生很大的加速度，使得導引頭需要承受巨大的瞬時、高能強沖擊載荷，這種高過載環(huán)境將導致導引頭內部支撐結構的變形及各類電子元件的損傷，甚至造成制導系統(tǒng)失效[3-5]。因此導引頭的抗高過載設計是新型制導彈藥設計中的一大難點，也是制約各國信息化彈藥快速發(fā)展的主要瓶頸之一[6]。

本文從導引頭抗高過載技術角度出發(fā)，針對目前公開發(fā)表的彈載制導系統(tǒng)抗過載技術的研究報告，從緩沖減振、加固封裝以及慣性測量等方面進行歸納總結，為抗高過載導引頭的技術發(fā)展和應用提供基礎。

1 緩沖減振技術

精確制導炮彈主要由制導段、戰(zhàn)斗部段和控制段三部分組成，其制導段(導引頭)內通常含有精密電子元器件及各類光電傳感器，其承受過載的能力相對較弱，在導引頭結構設計過程中通常難以通過提高自身結構強度設計以滿足火炮發(fā)射過程中的過載環(huán)境要求，為確保該類器件在火炮發(fā)射中安全、可靠，對其進行抗高過載設計主要是通過在制導系統(tǒng)底部加裝減振緩沖結構，利用減振緩沖結構的變形吸能特性減小傳遞到器件上的沖擊峰值，從而達到抗火炮發(fā)射高過載的目的。

1.1 緩沖減振材料的研究

對于導引頭緩沖減震材料的研究，由于彈體內部空間的限制，對緩沖減振材料提出了更高的要求，除傳統(tǒng)的橡膠、彈簧等材料外，薄壁金屬管以及泡沫鋁等新材料也被使用[5-11,21,19]。北京強度環(huán)境研究所的方興等[9]研究飛行過載狀態(tài)下的橡膠減振器動態(tài)性能。通過對施加不同載荷的試驗件減振前后的加速度響應進行分析，發(fā)現(xiàn)橡膠減振器主減振方向上的減振效率隨飛行過載增大而減小，減振器的剛度反而增大，而在正交于主減振方向上，其減振器減振效率和剛度，基本不隨飛行過載環(huán)境而變化。李俊等[8]采用基于Total Lagrangian方法的三維黏彈性大變形增量本構關系，分析了減載材料力學特性對作用在彈載器件上等效應力的影響。結果表明：選擇選擇泊松比較高的材料減載材料能夠有效減少作用在減載器件上的最大等效應力。

薄壁金屬管在受到撞擊時會產(chǎn)生多種變形模式來吸收沖擊能量[10-11]。杜匯良等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，通過對金屬管的合理設計，其在擴徑變形時具有比較理想的載荷時間曲線，是一種性能優(yōu)良的緩沖器結構。謝燕等[13]通過塑性力學基本理論中的主應力法，建立了金屬管準靜態(tài)下擴徑緩沖力的理論模型，并分析了金屬管結構參數(shù)對緩沖力影響的規(guī)律。

泡沫金屬材料等多孔金屬材料具有小密度小、低剛度、大變形、變形易控等優(yōu)點，是理想的減振緩沖材料[14-16]。在爆炸沖擊荷載作用下，泡沫金屬的變形(壓實)過程中將吸收耗散大量的沖擊波能量，能夠有效減小爆炸能量對減載器件的破壞作用，達到抗過載的目的，同時當爆炸沖擊波的強度相對較小時，泡沫金屬也能夠起到減緩透射作用[14-15]。

國防科技大學王星來等[4]提出了一種采用泡沫鋁為緩沖材料的一種抗高過載手段，并對彈體姿態(tài)測量系統(tǒng)的抗高過載性能進行了Ansys 軟件仿真、馬歇特試驗以及實彈飛行試驗，表明了采用泡沫鋁能有效減小沖擊對被保護件的破壞，使傳遞到被保護件的加速度降低了約1個數(shù)量級[4]。圖1為設計的泡沫金屬減振器安裝示意圖。

盡管泡沫金屬材料具有優(yōu)異的緩沖減振性能，但由于其支撐剛度較弱，當被緩沖載荷質量較大時，單純的泡沫鋁能吸收的能量比較有限，在沖擊加速度降低到失效加速度之前泡沫鋁就已經(jīng)達到密實狀態(tài)，導致緩沖作用失效。為了提高泡沫鋁的緩沖效能，梁增友[16]與徐雅晨等[17]對泡沫鋁填充薄壁金屬圓管復合結構的軸向壓縮特性進行了數(shù)值模擬研究，研究表明隨著圓管中擴徑位移的加入，結構剛度明顯增大，從而顯著提高了結構能量吸收能力。

圖1 泡沫金屬減振器安裝示意圖

目前抗過載機制研究中主要是在將火炮實際發(fā)射載荷簡化為理想半正弦加速度載荷，將減載結構簡化為線性彈簧和黏滯阻尼線性系統(tǒng)基礎上進行的[18]。由于彈載器件常用的減載結構材料主要為橡膠、碟形彈簧和泡沫鋁等，該類材料具有明顯的非線性特性。其研究結論與實彈試驗結果存在較大差異。錢立志等[7]針對火炮實際發(fā)射載荷和減載結構材料的非線性特性，在建立強沖擊條件下彈載器件一維動力學模型的基礎上，通過數(shù)值擬合方法分別對外界載荷曲線和材料性能實驗測得的減載結構材料力-位移曲線進行擬合，然后采用精細積分法遞推出彈載器件的相對位移和相對加速度計算模型，對其彈載器件的動態(tài)響應進行仿真計算，實彈試驗驗證了計算結果的合理性，該研究方法可為各類彈載器件的抗高過載設計提供理論依據(jù)。

1.2 緩沖減振裝置的研究

錢立志等[5]針對某特種炮彈彈載任務設備的結構特點和受力環(huán)境,設計了由橡膠墊和碟簧組合的復合減振裝置,其結構如圖2 所示。經(jīng)數(shù)值分析表明該裝置在峰值為13 kg(g為重力加速度，下同)的沖擊載荷下，任務系統(tǒng)安裝表面的加速度響應的最大值為6.6 kg，能有效減緩結構受到的沖擊，經(jīng)實彈試驗驗證,抗高過載設計方法合理可行,能夠滿足過載環(huán)境下的，彈載制導系統(tǒng)的任務需求。

圖2 彈簧隔振裝置結構示意圖

寧全利等[6]以某型特種彈所用導引頭為例，采用應力波理論，建立了反映導引頭光電器件動力學過程的理論分析模型，計算求解作用于鏡頭的應力、相對位移和相對速度等，得到了彈載光電器件的動力學響應函數(shù)，數(shù)值計算與仿真模擬結果有較好的一致性，驗證了所建立的理論分析模型的正確性，為火炮發(fā)射環(huán)境下不同彈載器件的動態(tài)特性研究和抗高過載設計提供了理論分析基礎。

針對激光制導炮彈導引頭光學系統(tǒng)及后端處理電路無法承受高過載的問題，李俊偉等[19]設計了由橡膠墊和膠狀物組合的立體減振裝置，采用橡膠墊和膠狀物相結合的方式:在鏡片底部增加吸能和滯回性能良好的泡沫硅橡膠墊，在鏡片與殼體之間填充膠狀物，形成立體減振裝置，對處理電路采取封裝固化等措施，從結構設計上提高抗高過載能力，其結構如圖3 所示。 經(jīng)仿真分析及試驗驗證，在峰值為9 kg的沖擊載荷下，導引頭光學系統(tǒng)受到的沖擊載荷峰值被減小到了5.1 kg。

圖3 立體減振裝置結構示意圖

由于沖擊波在不同介質的界面?zhèn)鞑r，必然會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，這導致了能量的衰減．因此，可以采用多層多種介質吸收技術來加強隔振效果[20-21]。 李沅等[22]分析了振動與高沖擊載荷對彈載制導電子系統(tǒng)的破壞機理，并針對炮彈彈載制導系統(tǒng)的振動與沖擊環(huán)境，設計了橡膠-泡沫鋁交迭式隔振器，并對該制導系統(tǒng)進行了瞬態(tài)沖擊分析，仿真結果表明該隔振器能夠有效提高系統(tǒng)的抗沖擊能力。

2 電子元件的封裝防護技術

導引頭在彈體發(fā)射以及侵徹目標過程中，需承受很高的過載沖擊力，另外還伴隨有振動、噪聲等外在環(huán)境，這些因素將會對導引頭電子元件帶來很大的破壞作用，嚴重的還將使電子設備和慣性器件失效，無法正常工作[4-5,23]。因此必須提高導引頭內電子元件的抗沖擊特性。具體解決辦法為：一是選用質量等級高、可靠性較高的元器件，并對其進行嚴格的篩選；二是對電路和器件進行強化保護，即對篩選出的器件，設計出抗高過載性能好的結構，并用機械和電氣性能良好的灌封材料對電路進行灌封強化，使之成為一個整體，從而從內部提高整個系統(tǒng)的可靠性和抗高過載能力[4]。

灌封技術是對導引頭內信息與控制系統(tǒng)的電子元器件進行的一種無孔整體包裝，使其固化成模塊，灌封后，導引頭內的電子元器件將呈現(xiàn)為一個整體，沖擊載荷通過更大的面積被傳遞出去，降低電子器件的載荷，提高部件的抗高過載性能；同時灌封材料的彈塑性變形和阻尼作用能夠有效吸收沖擊能量[22]。圖4為灌封材料的應力應變曲線，包含三個階段：彈性變形、屈服平臺、材料壓實．材料在壓實前要經(jīng)歷一個較長的屈服平臺，這個性質決定了灌封材料的緩沖吸能性質，并且材料的屈服平臺值比較小，材料在被壓實前不會傳遞高于平臺值的力；由于灌封材料具有粘彈效應和橫向慣性效應，使得應力波在傳播過程中會發(fā)生幅值衰減和波形彌散作用。用于電路灌封的材料主要有兩類:環(huán)氧樹脂和有機硅，其中聚氨酯材料以其硬度低、彈性好、粘結力強和電性能好等特點，成為彈載電子系統(tǒng)灌封的主要材料[24]。

圖4 灌封材料應力應變曲線

中北大學薛晨陽等[23-24]研究發(fā)現(xiàn)在高過載環(huán)境的實驗中，將各類傳感器及電子組件被封裝于金屬管殼中，成為一個自持系統(tǒng)，能夠有效增加傳感器抗高沖擊作用力；當采用引線絲焊互連時，可以使用單一的金屬系，如金焊絲、金焊盤或鍍金的金屬管殼，其可靠性比用Au/Al絲焊互連的可靠性高很多。北京理工大學李懷建等[25]對火炮發(fā)射高過載環(huán)境中GPS OEM 板接收機的結構特點進行了分析，發(fā)現(xiàn)使GPS接收機安放板面與受力方向垂直，并使器件較多的正面與沖擊方向保持一致，能夠明顯減少沖擊對其信號捕獲性能和定位精度的影響。劉俊等[26]針對彈載制導系統(tǒng)在火炮發(fā)射過程中的動態(tài)受力過程，研究了電路灌封體裂紋的動態(tài)起裂問題以及裂紋對動態(tài)載荷的響應。實驗結果表明電子系統(tǒng)設計過程中應采取如下措施：① 應盡可能選取比重低、強度高的原材料，并盡量減小系統(tǒng)的體積，即整個測試系統(tǒng)微型化；② 設計合理的電路體結構，盡量降低測試裝置的長度；③ 在結構一定的條件下，應將承壓能力好、強度高的部件或不重要的元器件放在測試裝置底部，而強度小和非常重要的元器件應放在測試裝置的上部，且盡量均勻分布器件，以免由于內部應力分布不平衡而造成斷裂、變形等。

3 慣性測量技術

框架姿態(tài)測量系統(tǒng)是導引頭的重要組成部分，其中慣性組件在制導炮彈導引頭上的應用一直是難點，解決其在炮彈發(fā)射高過載、高旋轉和高動態(tài)的惡劣環(huán)境下的生存問題就成為研究的關鍵之一[27]。

3.1 高速旋轉環(huán)境空間參數(shù)測量

由于常規(guī)彈藥在發(fā)射及飛行過程中處于高旋轉、高過載和高動態(tài)的惡劣運動環(huán)境中，導致對框架姿態(tài)精確測量成為技術難點。傳統(tǒng)的機械陀螺無法滿足旋轉彈藥對大動態(tài)范圍的要求，因此，面向超高量程、復雜噪聲背景下的高精度、大動態(tài)范圍以及跨量程測量等的新型的傳感機理成為目前測試技術的新研究課題，而基于微納制造技術的微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，簡稱MEMS)傳感器件的出現(xiàn)，迅速成為解決上述問題的關鍵技術和研究熱點[28]。

在高旋載體旋轉角速度的測量方面，MEMS陀螺儀因微型化和集成特點使其具有較高的過載能力。MEMS陀螺儀的工作原理不同于傳統(tǒng)的陀螺儀的角動量守恒原理，MEMS陀螺儀通常有兩個方向的電容板，徑向電容板迫使物體做徑向運動，橫向電容板測量電容的變化，就能測量得到正比于角速度的科里奧式力，可進一步求解出彈體的角速度。挪威Sensonor公司生產(chǎn)的單軸MEMS陀螺SAR100與SAR150，其量程均可達到300 (°)/s，靈敏度為0.25(°)/s/LSB，抗過載能力可達5 kg[28]。但由于自身質量塊的存在，MEMS陀螺抗過載能力受到一定的限制，同時其動態(tài)范圍也很難滿足高旋彈藥姿態(tài)測量的需求，因此有機地結合MEMS陀螺的低微型化、低成本與光學陀螺的高精度、大動態(tài)范圍，研制新型的平面全固態(tài)微光機電系統(tǒng)(micro-opto-electro-mechanical system，簡稱MOEMS)陀螺成為有效的解決途徑[28]。MOEMS陀螺是以光學檢測原理為基礎，綜合利用微納米制造技術與微光學技術制備的微機電系統(tǒng)。MOEMS陀螺，根據(jù)其傳輸方式的不同，可分為微鏡式與光波導式兩類。微鏡式陀螺利用MEMS工藝制造反射鏡，在空間光路實現(xiàn)Sagnac效應；光波導式陀螺利用集成光學技術，在光波導諧振腔內實現(xiàn)Sagnac效應。目前，國內外對微光機電陀螺的研究都采用了諧振式光學微腔方案。2003年，美國Sandia國家實驗室開展了諧振式微光機電陀螺的研究[29]。他們利用低損耗的SiO2材料制作諧振腔，用GaAs襯底材料對激光器、相位調制器和光電探測器進行單片集成，研制出諧振式集成光學陀螺。2007年，德國Paderborn大學采用Ti:LiNbO3環(huán)形諧振腔搭建了諧振式微光學陀螺系統(tǒng)，采用調制激光器，用鎖相解調的方法最小觀察到10 (°)/s的轉動信號[30]。圖5為陀螺實物和系統(tǒng)檢測框圖。

圖5 鈮酸鋰腔諧振式光學陀螺

國內中北大學An等[31]對SiO2微球腔做了角速度傳感方面的研究，提出了微球腔與錐形光纖耦合器的低折射率紫外膠點封裝與全封裝方法。在此基礎上搭建了諧振式光學陀螺測試系統(tǒng)。利用調相譜與頻率跟蹤鎖定技術初步驗證了球形諧振腔的角速度敏感特性，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算得到球腔耦合系統(tǒng)的角速度靈敏度可達到0.095(°)/s。

3.2 半捷聯(lián)導引頭的慣導系統(tǒng)與算法

由于能夠測量高轉速的大量程MEMS陀螺儀自身精度相對較低，而且存在嚴重影響姿態(tài)解算精度的極大角速率和極小角速率并存現(xiàn)象，導致捷聯(lián)式MEMS慣性測量方法無法實現(xiàn)較高的測量精度[23]。為應對上述現(xiàn)象，半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)應運而生。

半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的捷聯(lián)姿態(tài)測量技術與平臺姿態(tài)測量技術基礎之上，面向高速旋轉飛行體姿態(tài)測量的需求提出的新型測量方法。半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)與被測載體只在除彈軸向以外的方向上捷聯(lián)安裝，而在彈體軸向上自由，以確保慣性測量系統(tǒng)在彈軸方向實際所敏感到的角速率遠小于彈藥軸向的高轉速，從而有效抑制彈藥軸向高轉速對慣性測量系統(tǒng)姿態(tài)測量精度的影響。李杰等[32]研究了一種基于軸-軸承-軸承支架的半捷聯(lián)結構系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)成功地驗證了所設計半捷聯(lián)安裝結構，能夠確保位于其內部的慣性測量系統(tǒng)在彈體軸向只敏感一個較小的角速率信息，且該角速率遠小于高速旋轉設備輸入角速率，該結構系統(tǒng)使被測物體的軸線轉速從300 r/min減至1 r/min。

圖6 半捷聯(lián)慣性測量裝置組成結構

由于經(jīng)半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)減旋后的系統(tǒng)運動方式具有特殊性，其角運動處于特定的頻率范圍之內，因此研究高精度半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)算法，并設計出一種適用于載體減旋后的應用環(huán)境下的高精度算法具有重要意義。李杰等[32]提出了一種半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)算法，其首先應用旋轉矢量法進行求解，通過載體的更新四元數(shù)得出姿態(tài)更新矩陣，提取出姿態(tài)信息，進而利用姿態(tài)更新矩陣將加速度計的比力信息轉換到導航系下，再通過積分運算得到速度及位置信息，仿真結果顯示，經(jīng)過61.21 s的運算后，該半捷聯(lián)慣性測量算法誤差約為傳統(tǒng)算法的1/5。崔大朋等[33]分析了旋轉彈框架式位標器內、外框和消旋機構的慣性張量及慣量耦合，建立了旋轉彈導引頭的動力學模型，為半捷聯(lián)框架結構慣性平臺的穩(wěn)定性研究提供了理論依據(jù)。

4 結論

隨著現(xiàn)代精確制導技術的不斷發(fā)展，發(fā)展精度高、射程遠、作用效果好的制導武器具有很高的軍用價值和作戰(zhàn)使用價值，彈載高過載導引頭的技術的發(fā)展一直是各國制導炮彈大力發(fā)展的核心與前沿技術。目前對于彈載高過載導引頭設計的主要問題在于抗高過載環(huán)境、極端環(huán)境下的慣性測量與目標的自主識別技術。為了保證彈載控制系統(tǒng)在極端復雜環(huán)境下的正常工作狀態(tài)，需要進一步發(fā)展更為高效的控制系統(tǒng)緩沖減振技術；MOEMS陀螺的技術的發(fā)展為解決極端環(huán)境下的慣性測量提供可能，而開發(fā)成熟可控的制造工藝是MOEMS陀螺發(fā)展的主要問題；為解決地面復雜戰(zhàn)場環(huán)境的目標自主識別技術多模復合制導方式以及新一代以激光自主識別技成為各國武器裝備發(fā)展的重要方向之一。