基于燃气压力的引信保险机构设计

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1 绪论

1.1 研究的意义和背景

随着科学技术的不断发展, 引信的设计也采用了各种各样的新技术、新原理, 这使得引信的性能更加优良, 更加完善, 使用也更加安全可靠[1]。根据国军标GJB373A一1997《引信安全性设计准则》的要求，引信安全系统必须至少包括两个独立的能防止引信意外解除保险的保险件，并且启动这至少两个保险件的激励必须从不同的环境获得，同时引信安全系统必须有一个保险件能够提供延期解除保险功能，以确保引信及弹药的安全距离[2]。因此，对于非旋、低旋等弹药的引信安全系统来说，研究更多的合理的第二解除保险环境，成为当前迫切需要解决的问题之一。目前，对于火箭弹引信，尤其是低旋的火箭弹时间引信。将火箭发动机燃气压力的变化特征作为火箭弹特有的飞行环境, 可为这类火箭弹引信的设计提供可靠的依据[3]。lf0019

1.2 国内外研究现状

目前，国内外在燃气压力引信的研究领域里主要分为两个方向。其中一种针对的机械式保险机构，将燃气压力的变化作为一种环境力，直接作用于保险件，使整个保险机构运作，从而解除一道保险。对火箭弹而言，当火箭发动机正常点火后, 燃烧室内的燃气压力会骤然升高, 然后在主动段持续一定时间推动火箭弹飞行, 在主动段末, 由于发射药燃烧完毕, 燃室内的压力就会骤然下降, 火箭弹借助惯性沿弹道飞行[7]。这在全弹的动力特性上将直接反映为弹体的骤然加载、持续过载和骤然卸载[4]。火箭发动机的燃气压力随时间的变化规律一般如图1所示。

图1 火箭发动机的燃气压力随时间的变化规律[4]

燃气压力保险机构就是借助发射药燃气的压力来解除引信保险。根据火箭发动机的工作特点, 燃气压力保险机构的结构类型相应地有借助压力骤升式、压力骤降式和持续压力式三种。它们常有表现形式为活塞式、阻力簧式和小孔式 [3] 。

燃气压力引信的另一个主要的研究方向针对机电式保险机构，电保险的解除一般采用引信电源上电作为基本条件，目前引信中的电源大多是利用发射时后坐环境上电激活（储备式化学电池、热电池）、发射时后坐开关闭合上电（锂电池），基本还是基于后坐环境，如果仅仅采用上电加延时控制解除电保险，其解除保险环境仍就是后坐环境，因此其本质上还是后坐保险机构。在迫击炮弹引信中采用涡轮电机供电方式，需要空气动力提供电能，解决了该矛盾，可以实现电保险与机械后坐保险的联合使用，满足引信安全性设计准则的要求。涡轮电机在破甲弹、火箭弹中应用特别是弹底引信中使用则存在困难。而燃气压力引信则为此提供了新思路。用燃气压力的变化作为一种燃气动力活塞式保险开关，机构利用发动机的燃气压力来实现电子延期保险的接电，并由此构成一种燃气动力保险装置，具有安全性好、作用可靠、结构坚固的特点。高压燃气推动活塞运动到位，接通开关，作为引信解保控制电路工作的起点时刻[5]。弹药发射时发射药的燃烧产生弹底压力，推动弹丸加速，弹底压力可以作为引信解除保险的一道环境力，用于识别引信处于不可逆的发射过程。利用发射气体压力作为引信电保险的一道开关，可以确保平时安全性，解决引信解除保险环境力不足的问题。

1.3 燃气压力在引信设计中的运用

在引信保险机构设计中, 尤其是对火箭弹而言，可充分利用火箭发动机的工作特征。发动机燃气压力的持续作用将给引信的设计提供很好的应用环境。其中最典型的是利用火箭发动机的持续过载特性来工作的加速度积分器和曲折槽机构,前者是美国火箭弹引信的标准保险模块, 后者则是俄罗斯火箭弹引信的标准模块[6]。在美国, 仅利用加速度积分器的引信虽然不符合其安全规范, 但因其较好的实战表现已得到军方的默认, 目前这些技术已得到广泛的应用。这些机构在使用时要求火箭发动机的工作时间必须大于一定值, 才能保证机构的安全性和可靠性。如在发动机工作时间较短、过载较小的火箭弹上使用这类机构, 由于其安全过载与可靠工作过载的量值区别不大, 机构在保证工作可靠性指标的同时必须要牺牲安全性指标。而且机构改进的常用做法是直接减少齿弧的齿数, 但这样的机构在恢复安全状态时齿弧与齿轮的重新啮合并不可靠, 影响了机构的安全性[3]。