施长军,丁 刚,郭 莎,李公法,王世英,宋玉江

(西安近代化学研究所,西安 710065)



云爆战斗部二次起爆引信抗干扰方法

施长军,丁 刚,郭 莎,李公法,王世英,宋玉江

(西安近代化学研究所,西安 710065)

针对云爆战斗部二次起爆引信静爆试验过程中起爆时间偏差较大的问题,采取提高电路稳压可靠性、增加电缆传输线切断功能及优化电路板布线设计等抗干扰方法,提高了二次起爆引信抗干扰能力,并通过引信系统时序试验、静爆试验验证,结果表明:能够抑制一次起爆所产生的冲击、燃料及爆轰产物叠加产生的复杂场的干扰,解决了时间偏差较大的问题,延时引信时间准确,抗干扰方法有效,提高了起爆引信的作用可靠性。

云爆战斗部;高精度二次起爆引信;抗爆轰干扰

0 引言

云爆战斗部是一种区别于凝聚相炸药爆轰的新式战斗部,属于燃料空气炸弹(fuel air explosive,FAE)的一种,其作用原理是将云爆弹投送到目标上空一定高度处,二次起爆引信被抛出,延时一定时间后,中心抛撒装药起爆,燃料被抛到空中,在抛撒过程中,燃料迅速弥散成雾状小液滴并与周围空气充分混合,形成由挥发性气体、液体或悬浮固体颗粒物组成的气溶胶状云团,再利用二次起爆引信实施延时强起爆,使其发生云雾爆轰[1-3]。云爆战斗部的威力与二次起爆时间呈抛物线关系,起爆云雾过早,由于云雾还未来得及散开或与空气中的氧气混合不够充分,可能发生云雾窜火,影响爆炸的威力;起爆云雾过迟,由于云雾在重力作用下开始落到地面,也影响爆炸威力[4],因此,高精度的二次起爆延期引信是云爆战斗部充分发挥作用的必要条件,二次起爆延时几百毫秒,精度1%[5-6]。战斗部试验过程中发现,在抛撒装药爆轰、燃料抛撒到空气中并在空气中弥散的过程中,高精度的二次起爆引信会受到冲击波和静电干扰,出现引信瞎火或起爆时间偏差大。查阅国内外关于高精度延时起爆引信大量资料,未见高精度的延时引信抗爆轰和静电干扰方法报道。文中针对云爆战斗部试验过程中二次起爆引信出现的干扰失效问题,提出了抗干扰方法,并进行了相关试验验证。

1 二次起爆引信

1.1 组成及优点

云爆战斗部二次起爆引信为延期引信,采用成熟的电作动器刚性保险技术和电子定时起爆技术,由电子部件、爆炸序列、滑块隔爆机构、短路及接电机构、冗余保险装置等组成。高精度延时起爆引信具有操作简单、安全性可靠性高及延时精度高的优点。功能框图如图1所示。

1.2 工作原理

云爆战斗部试验过程中,安装引信之前先手动解除引信的第一道保险解除。手动接通外接电源,同时电平转换电路、单片机和供电保持电路开始工作,解除保险执行电路通电。当发出第二道解除保险指令时,引信的第二道电保险解除,引信处于待发状态。

图1 二次起爆引信组成框图

当远程控制程序发出起爆指令时,单片机计时开始,计时电路开始工作。引信按照时序启动起爆电路,电雷管爆炸,依次引爆导爆管、传爆管和战斗部装药。如果发出起爆指令后引信未能正常起爆,引信起爆电路同时具有电发火能量耗散特性,即在起爆信号后的30 min之内,耗散掉电发火能量。

2 二次起爆引信干扰分析

云爆战斗部引信系统由点火引信、抛撒引信及二次起爆引信(两个)共4发引信组成,4发引信均为高精度延时引信,同一个计时起点,按照装定好的时序依次作用,其中只有两个二次起爆引信经受中心装药爆轰后冲击波、燃料云团干扰,出现引信瞎火或起爆出现很大偏差问题。

经初步分析,二次起爆引信工作过程中主要受到中心抛撒装药爆轰产生的冲击波,燃料散布与空气、壳体破片摩擦产生的静电的干扰。因此,从模拟抛撒装药爆轰和静电干扰两方面进行分析。

2.1 抛撒装药冲击波干扰

在试验过程中将抛撒引信装配为全备引信,在抛撒引信两路起爆的输出端各增加5 g炸药(聚黑-14),抛撒引信爆炸后,通过示波器监测单片机复位接口是否有干扰。抛撒引信爆炸后,通过示波器监测单片机复位接口,在复位接口上有干扰信号,模拟试验结果如图2所示,即由5 V掉到1 V左右,持续时间为160 μs的干扰,造成单片机复位或停机,使得引信起爆出现很大偏差。

2.2 静电干扰

燃料散布过程中,燃料中的铝粉与引信壳体表面产生摩擦,产生静电,静电干扰有可能使单片机失效,造成二次起爆引信瞎火。由于不清楚燃料中的铝粉与二次起爆引信壳体表面摩擦产生静电大小,所以按照GJB573A—1998中方法601静电放电试验的要求进行。试验结果如表1、图3所示。图3中:红色—单片机复位端(A路、B路)、蓝色—A路、绿色—B路。B路单片机复位端电压由5 V掉到2.5 V左右,造成单片机复位或停机,使得二次起爆引信出现瞎火。

图2 单片机复位接口波形

试验结果表明,静电干扰超过12.5 kV对控制B路引信起爆输出的单片机影响很大,虽然采用双路冗余设计,但大幅降低了二次起爆引信工作的可靠性。

表1 静电放电试验结果

图3 单片机复位接口波形

3 二次起爆引信抗干扰方法

在高精度延期引信设计中,抗干扰设计的基本原则是抑制干扰源,切断干扰传爆途径,提高敏感器件的抗干扰性能。文中通过增强单片机复位端抗干扰能力,提高电路稳压可靠性,增加电缆传输线切断功能及优化电路板布线设计等措施提高抗干扰能力。

3.1 增强单片机复位端抗干扰能力

改进前单片机复位端通电后为5 V高电平,单片机在5 V高电平条件下可正常工作。但在故障复现试验中,单片机复位端由于受到爆炸引信施加在电缆线上的脉冲干扰,变为低电平,脉冲宽度约160 μs,从而导致单片机复位,使得二次起爆引信起爆时间出现几百毫秒的误差,引信系统不能按照装定时序正常工作。

为增强单片机复位端抗干扰能力,改进后单片机复位端采用RC网络消除小脉冲干扰的同时增加复位芯片电路,复位芯片将单片机复位引脚强行上拉至5 V高电平,避免单片机受干扰而复位,以进一步提高复位端的抗干扰能力。

3.2 提高电路稳压可靠性

按GJB573A—1998方法601进行了静电放电试验。结果表明,在放电电压大于12.5 kV时三端稳压器HT7350稳压输出电压出现降低现象,造成引信电路工作不稳定,将HT7350更换为78L05后,再次进行静电放电试验,在放电电压达到25 kV时,未出现稳压输出电压降低的现象,三端稳压器78L05稳压输出正常。

3.3 在分线盒中增加电缆传输线切断功能

云爆战斗部试验过程中,在分线盒中增加单片机和继电器。控制盒给出起爆指令后,分线盒中单片机接收起爆信号后起爆5 ms输出控制继电器动作信号,使继电器分别切断抛撒引信和点火引信的信号传输线和电源传输线,二次起爆引信不切断,避免由于抛撒引信和点火引信作用,通过电缆影响到二次起爆引信作用可靠性,同时增加信号驱动芯片的设计,以增强信号强度,提高信号传输可靠性。

继电器转换时间约2.7 ms,为使继电器可靠转换,引信中单片机接收起爆指令后均延时20 ms工作,也就是引信装定时序增加20 ms的转换时间,引信系统装定时序(时间间隔)不变。

3.4 优化电路板布线设计

引信改进前所使用的电路板为4层板,顶层和底层为信号层,中间两层分别为电源正极线层和地线层;经故障复现验证试验,引信在爆炸瞬间有可能将电源正极线层和地线层短接,会给系统造成不可预知的影响。

因此将引信线路板改为双面板设计,取消电路板中的电源正极线层和地线层,避免在引信爆炸瞬间出现电源正极线层和地线层短接的现象。

4 试验验证

针对二次起爆引信经受一次爆轰干扰引起起爆偏差较大的问题,通过文中的抗干扰方法进行优化改进后,采用隔断干扰有效性试验、引信系统时序试验及云爆战斗部静爆试验进行验证。

4.1 隔断干扰有效性验证试验

在隔断干扰有效性试验中,在抛撒引信的2个导爆管输出端各增加5 g聚黑-14炸药,通过示波器监测二次起爆引信电路中单片机的5 V供电端、单片机复位接口及起爆信号输出是否会受到干扰。

图4 供电端、复位接口及起爆信号

图5 正常的起爆波形

试验结果如图4、图5所示,其中红线为单片机5 V供电端、绿线为单片机复位端、蓝线为起爆信号输出。二次起爆引信电路板单片机5 V供电端、单片机复位端及起爆信号输出均正常,二次起爆引信起爆正常。试验结果表明:电路在改进之后能够有效隔离抛撒引信爆炸后产生的干扰信号。

4.2 引信系统时序验证试验

为了验证引信电路改进后系统时序的正确性,进行了4发引信时序验证试验。包括点火引信、一次抛撒引信、二次起爆引信(2发),并在点火引信和一次抛撒引信的起爆输出端各增加20 g聚黑-14炸药,模拟引信工作过程。引信系统作用后,通过高速摄影判断引信系统作用时序是否正确。

试验过程及结果如图6～图9高速摄影照片所示。试验结果表明:改进后的引信系统均正常解除保险、起爆,且起爆时序正确,起爆精度满足要求,引信系统采取的改进措施有效,爆轰对引信系统的干扰问题已经解决。

4.3 云爆战斗部静爆试验

为了解决云爆战斗部试验中引信时序问题,即战斗部与引信动态匹配问题,进行了云爆战斗部静爆试验。静爆试验中一次抛撒引信起爆的抛撒装药为几十千克的高能炸药,可以真实验证改进后高精度引信抗干扰情况,试验中通过高速摄影观察引信工作时序。

图6 引信系统起爆前

图7 点火引信起爆

图8 抛撒引信起爆

图9 二次起爆引信起爆

云爆战斗部静爆试验过程如图10所示,通过高速照片观察战斗部点火、抛撒和二次起爆正常,引信系统时序满足装定要求,云爆战斗部引战动态匹配。

图10 云爆战斗部一次抛撒与二次起爆照片

5 结论

文中提出了高精度延期引信抗爆轰干扰的方法,该方法采取增强单片机复位端抗干扰能力,提高电路稳压可靠性,增加电缆传输线切断功能及优化电路板布线设计等综合抗干扰措施,并且通过了隔断干扰有效性试验,引信系统时序验证试验及云爆战斗部静爆试验验证。试验结果表明二次起爆高精度延期引信时间准确,满足起爆精度要求,抗爆轰干扰方法有效,能够抑制一次起爆所产生的冲击、燃料及爆轰产物叠加产生的复杂场的干扰,提高了高精度二次起爆引信的作用可靠性。

[1] 尹建平, 王志军. 弹药学 [M]. 2版. 北京: 北京理工大学出版社, 2012: 411.

[2] 张鹏, 朱平安, 马翰宇, 等. 炮射云爆战斗部二次起爆时间的试验研究 [J]. 火炸药学报, 2008, 31(5): 55-58.

[3] 张鹏, 朱平安. 炮射云爆战斗部的抛射时间数值计算与仿真 [J]. 弹箭与制导学报, 2009, 29(3): 157-160.

[4] 惠君明. FAE燃料抛撒与云雾状态的控制 [J]. 火炸药学报, 1999, 22(1): 10-13.

[5] 张奇, 白春华, 刘庆明, 等. 燃料抛撒过程中的相似律 [J]. 北京理工大学学报, 2000, 20(5): 651-655.

[6] 张奇, 郭彦懿, 白春华, 等. 中心药量对燃料的抛散作用 [J]. 火炸药学报, 2001, 24(1): 17-19.

Anti-interference Technology for Fuze of Twice-detonating FAE Warhead

SHI Changjun,DING Gang,GUO Sha,LI Gongfa,WANG Shiying,SONG Yujiang

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an 710065, China)

In view of twice-detonating fuze delay time occurred in static explosive experiment of FAE, the anti-interference methods including improving voltage stabilizing circuit reliability, increasing cable cutting off function and optimization of circuit board wiring design, etc, were used for improving anti-interference ability of twice-detonating fuze. Through delay time of fuze and static explosive experiment of FAE, the results show that anti-interference method is effective on restraining interference from first-detonating shock, fuel and detonation products, and solves the problem of time deviation. Time delay fuze is accurate, anti-interference methods are effective, these improves reliability of detonating fuze.

FAE warhead; precision twice-detonating fuze; anti-detonation interference

2016-02-22

施长军(1978-),男,陕西户县人,工程师,研究方向:引战配合以及战斗部起爆技术。

TJ410.33

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