待发程控装置是某型末制导炮弹控制舱中的重要关键部件, 其作用是在弹丸发射之后的规定时刻对弹上热电池电点火头和惯性陀螺电作动器形成点火脉冲^[1], 从而激活用于全弹控制系统供电的热电池并使惯性陀螺解锁进而完成弹丸在弹道垂直面内纵轴倾角的测量。根据末制导炮弹待发程控装置制造与验收规范及末制导炮弹维修规范要求, 生产厂家在产品制造验收过程中、大修厂在末制导炮弹维修过程中, 应对待发程控装置进行配套性、外观、质量、电气安装、电绝缘强度、绝缘电阻的检查和单频振动试验, 并从每批抽取一定数量的样品进行电参数和作用时间检查, 以确保其功能可靠。由于待发程控装置具有机械时间引信的结构特征, 且其保险机构为单一后坐保险机构, 对于此类机构的模拟测试方法, 目前主要有锤击法、火箭橇法、电磁驱动法、气体炮试验法等。锤击法的典型代表是马歇特锤击试验, 该方法操作简便、成本低廉, 缺点是只能模拟火炮发射时的加速度极值, 不能模拟发射过程中过载加速度的变化规律^[2-3]。满晓飞^[4]、门士滢^[5]、刘卫东^[6]等人针对硬目标侵彻引信, 设计了立式空气击锤, 较好地模拟了硬目标侵彻过程中的高过载冲击环境, 但并非弹丸的发射过程。火箭橇是一种大型地面动态试验系统, 被试引信安装在由火箭作动力装置的火箭橇上, 沿着专用的轨道高速滑行, 模拟出不同的发射过载^[7-8]。火箭橇试验对场地要求较高, 试验准备时间较长, 试验成本较大, 且试验过程中的振动因素难以消除, 存在一定程度的污染。以电磁轨道发射和电磁线圈发射为主要方式的电磁驱动技术可模拟引信发射过程中的高过载环境, 能够比较精确地控制引信受力情况及加速时间^[9-10], 但其工作过程中产生的磁场会对被试引信产生不利影响, 需要对被试引信采取电磁防护措施^[11], 增加试验装置的结构复杂程度。生产厂家目前采用非火药驱动的气体炮试验法使其解除后坐保险, 继而完成后续电参数检测, 即利用压缩状态下的氢气或氦气等轻质气体作为发射工质^[12], 驱动待发程控装置在炮管内加速, 并使待发程控装置获得与在火炮膛内发射时运动特征相似的后坐加速度。气体炮由气体加注系统、抽真空系统、发射系统、撞击回收系统、测控系统等组成^[13-15], 虽然可以在实验室内模拟出待发程控装置发射时所承受的后坐过载, 但其设备十分复杂、体积庞大, 有的炮管长达40 m^[16]; 试验准备时间较长、测试过程繁琐; 试验成本高, 单发待发程控装置的试验费用接近万元; 试验噪声大, 严重影响了厂区及其周围居民区的生活环境。

为改进待发程控装置检测试验方法, 降低试验成本, 本文基于电参数检测要求和试验对象结构特点提出了一种新颖的检测试验方法, 通过对待发程控装置进行部分改装可在实验室内手动解除其后坐保险并完成相关电参数检测, 进行了俄制与国产两种末制导炮弹待发程控装置的作用可靠性试验。

从结构上看, 待发程控装置由延时装置和脉冲发生器两部分组成^[17], 如图 1所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 待发程控装置组成部分 Fig.1 The constituent parts of programming control device for ready-to-fire

延时装置用于末制导炮弹制导系统的时间延迟, 本质上是一个机械时间引信。其结构由本体、防护罩、装定机构、装定固定机构、钟表释放机构、发火机构、钟表机构等组成, 如图 2所示。其中装定机构由装定盘和秒针组成(见图 3), 通过专用工具改变装定盘与秒针的相对角度实现时间装定。钟表释放机构由启动栓、启动栓销和启动栓簧组成。发射时, 在后坐力作用下启动栓克服启动栓簧抗力, 向下运动释放秒针, 秒针在原动机作用下转动, 钟表机构开始工作。延时装置作用时间取决于秒针相对于装定盘上特形孔的位置。当秒针与特形孔重合时, 计时结束, 秒针在秒针簧作用下弹起, 释放发火机构的击针, 击针在击针簧作用下快速戳击火帽, 使火帽发火。

图 2(Fig. 2)

图 2 延时装置结构[17] Fig.2 Structure of time delay device[17]

图 3(Fig. 3)

图 3 装定盘与秒针 Fig.3 The setting plate and the second hand

脉冲发生器由本体、感应器、插头、挡销等组成, 如图 4所示。感应器由衔铁、轭铁、筒状圆柱形磁体、格板、作动器、钢球等组成, 其中衔铁与磁体、轭铁构成了一个半封闭空间, 钢球、带孔格板和作动器在这个半密封空间内, 而衔铁、格板和钢球构成一个反向阀, 可防止作动器燃气进入钟表机构。针刺火帽点燃后, 火焰通过传火道传至作动器并将其点燃, 作动器作用后产生的高压气体在反向阀参与下将半密封空间密封, 高压气体在密封空腔内做功, 推动衔铁快速离开磁体, 产生正负两路脉冲电压, 该电压作为启动信号, 激活用于全弹控制系统供电的热电池并使惯性陀螺解锁。

图 4(Fig. 4)

图 4 脉冲发生器结构[17] Fig.4 Structure of pulse generator[17]

摒弃利用空气炮动态检测待发程控装置的方法, 通过对其装定机构进行结构改造, 实现手动解除待发程控装置钟表机构保险, 以静态检测方法代替现行动态测试方法, 使针刺火帽、作动器依次作用, 并采集脉冲发生器产生的两路脉冲信号。

主要包括:用于旋卸连接螺帽时固定待发程控装置的台虎钳; 用于试验防护的自制防护箱; 用于采集脉冲信号的Agilent 54622A型示波器; 用于连接脉冲发生器触针与示波器的带线夹导线(红、黑、绿各1根); 用于模拟惯性陀螺启动电作动器和热电池电点火头的等效电阻, (3.5±0.35) Ω、(4.0±0.40) Ω各1个; 用于测量电阻的QJ41型电雷管测量仪; 秒表, 测量误差不大于0.1 s; 用于将待发程控装置装定至所需分划的程装扳手, 专用装定工具, 见图 5a); 用于旋卸防护罩的防护罩扳手, 专用工具, 见图 5b); 用于旋卸装定机构使之与延时装置分离的装定机构旋卸工装, 特制, 见图 5c); 与待测待发程控装置结合, 并将其固定在试验台上的试验用风帽, 借用结构, 见图 5d); 用于手动启动钟表机构的试验用装定机构, 改装结构, 见图 5e); 启动启动栓的启动装置, 特制, Φ2 mm, 长15 cm; 用于密封待发程控装置的木塞, 尺寸与试验用装定机构上的启动孔相匹配。

图 5(Fig. 5)

图 5 试验工装 Fig.5 Test tools and devices

1994年生产、自然储存时间为19年的俄制“红土地”末制导炮弹待发程控装置75发; 2001年生产、自然储存时间为12年的某型国产末制导炮弹待发程控装置20发。

根据可靠性试验设计, 待发程控装置的静态试验流程如图 6所示。图中“初始样品”是指从末制导炮弹控制舱上旋卸下来、未经改装的待发程控装置, “试验样品”是指经改装后可以通过人工启动的待发程控装置。

图 6(Fig. 6)

图 6 待发程控装置试验流程图 Fig.6 Test flow chart of programming control device for ready-to-fire

(1) 试验样品准备

初始样品是经自然环境储存19年的末制导炮弹待发程控装置, 如图 7所示。卸下初始样品防护罩, 如图 8a)所示, 按照以下流程将初始样品改装为试验样品, 具体操作如下:

图 7(Fig. 7)

图 7 末制导炮弹待发程控装置(自然储存19年) Fig.7 Programming control device for ready-to-fire of terminally guided projectile (normal storage for 19 years)

图 8(Fig. 8)

图 8 待发程控装置拆解顺序 Fig.8 Decomposing order of programming control device for ready-to-fire

a.用一字改锥将初始样品的3个制动螺钉旋下, 用装定机构旋卸工装小心拧下连接螺帽, 取下装定机构, 分别如图 8b、图 8c和图 8d所示。

b.将试验用装定机构装入待发程控装置, 并用原始连接螺帽连接好, 如图 8e所示。

c.用装定扳手将组合好的待发程控装置装定到指定分划, 如图 8f所示。

时间装定好以后, 将待发程控装置小心放置, 防止跌落, 至此初始待发程控装置已改装为试验待发程控装置。

(2) 电参数静态测试

a.将试验样品与试验用风帽连接在一起, 置于准备好的防护试验箱内。

b.如图 9所示脉冲发生器引脚定义及接线图, 连接好等效电阻和测试用示波器的引线, 其中XP1与XP3之间接(3.5±0.35) Ω电阻, 用以等效惯性陀螺启动电作动器的负载; XP2与XP3之间接(4.0±0.40) Ω电阻, 用以等效热电池电点火头的负载。

图 9(Fig. 9)

图 9 脉冲发生器引脚定义及接线图 Fig.9 Pin definition and wiring diagram for pulse generator

c.将试验样品与试验仪器连接在一起。

d.通过启动孔用启动装置戳击启动栓, 当听到钟表机构转动的声音, 秒表开始计时, 同时立即拔出启动装置并用木塞塞紧启动孔, 目的是为了创造密闭空间, 防止火帽产生的燃气外泄, 以保持足够的点火压力, 形成作动器真实的点火环境。

e.当听到火帽作用时的响声, 秒表停止计时并记录秒表时间, 同时记录下示波器上脉冲信号的相关信息。

综上可见, 与工厂现行复杂的空气炮动态测试方法相比, 本文提出的末制导炮弹待发程控装置作用可靠性试验方法, 试验设备简单、试验效率高、可重复性好, 可大幅降低试验费用, 进而使得显著增加检测样本量成为可能, 从而提高试验置信水平, 降低对待发程控装置性能的误判率和修理部门完全换件维修的盲目性。按照目前生产厂家检验验收时所采取的抽样方案, 即单批抽取检测样本量4发, 年均生产10批粗略计算, 每年仅抽样检测成本即可节约40万元左右。

待发程控装置制造与验收规范要求, 从启动至脉冲信号输出瞬间的作用时间应为(30+2) s, 接点XP1-XP3上应能测量到幅值不小于8.0 V, 持续时间不小于1 ms的负脉冲波形; 接点XP2-XP3上应能测量到幅值不小于8.0 V, 持续时间不小于1 ms的正脉冲波形, 如图 10所示。试验分别对25发经自然环境储存19年、25发经加速寿命试验至储存22年、25发经加速寿命试验至储存26年的俄制待发程控装置样品以及20发经自然环境储存12年的国产某型末制导炮弹待发程控装置样品的测试结果进行了统计。

图 10(Fig. 10)

图 10 脉冲信号要求 Fig.10 Requirements of pulse signals

图 11为部分俄制待发程控装置脉冲发生器输出的脉冲信号波形, 图 12为部分国产待发程控装置脉冲发生器输出的脉冲信号波形。由图可见, 俄制与国产待发程控装置分别采集到的两路脉冲信号极性相反; 幅值在15 V左右, 完全满足“不小于8.0 V”的规范要求; 脉冲宽度也满足规范“不小于1 ms”的要求。脉冲信号特征表明待发程控装置可正常激活热电池并可靠启动惯性陀螺。

图 11(Fig. 11)

图 11 部分俄制待发程控装置脉冲发生器输出信号 Fig.11 Partial output signals of Russian-made pulse generators of programming control device for ready-to-fire

图 12(Fig. 12)

图 12 部分国产待发程控装置脉冲发生器输出信号 Fig.12 Partial output signals of homemade pulse generators of programming control device for ready-to-fire

利用珠海前沿机电设备有限公司研制的引信安全性无损检测系统在147 kV条件下, 对试验过程中未正常采集到脉冲信号的2个(15^#、28^#)待发程控装置进行了X光无损检测。分析发现, 15^#待发程控装置, 其延时装置中击针已释放并刺发针刺火帽, 其脉冲发生器中作动器依然完整地嵌在轭铁中没有作用(如图 13所示), 28^#失效待发程控装置情况类似。结合试验过程中针刺火帽作用时声音较小且比较沉闷的现象, 判断2个待发程控装置针刺火帽火焰力因长储下降, 无法正常点燃后续作动器, 致使衔铁未能按照要求的速度移动并引起磁路变化, 因此未能采集到两路脉冲信号。

图 13(Fig. 13)

图 13 失效待发程控装置(15#)X光检测结果 Fig.13 X-ray testing results of one failed programming control device for ready-to-fire (15#)

为验证上述分析, 将15^#、28^#待发程控装置分解下的脉冲发生器(含未作用的作动器)与2发备用待发程控装置样品中的延时装置重新装配, 利用前述同样的方法手动解除保险, 测得的脉冲信号特征如表 1所示, 符合验收规范“幅值不小于15 V、脉宽不小于1 ms”的要求。

表 1(Tab. 1)

表 1 脉冲信号结果统计(重组) Tab. 1 Result statistics of pulse signals(reorganization) sample positive pulse negative pulse amplitude/V duration/ms amplitude/V duration/ms 76# (15#) 16.1 1.9 16.0 1.9 77# (28#) 15.0 1.6 15.0 1.6

表 1 脉冲信号结果统计(重组) Tab.1 Result statistics of pulse signals(reorganization)

试验过程及结果均表明, 能否正确采集到启动热电池电点火头和惯性陀螺电作动器的两路脉冲信号, 关键取决于针刺火帽能否正常作用并输出足够的火焰能量, 进而可靠点燃推动衔铁运动的作动器。正常情况下针刺火帽是在密闭的延时装置腔体内部作用, 火焰能量无外泄; 而该试验方法的核心是对装定机构的结构改装, 即在其特定位置人为钻取了启动孔, 用于启动启动栓。试验开始后, 如果不采取措施将启动孔可靠密封, 计时时间到达后, 针刺火帽作用产生的火焰能量部分外泄, 将会严重影响作动器的可靠作用, 此时无法判断该发样品试验结果不合格是因待发程控装置自身性能下降造成还是因为其它因素造成。因此, 启动孔在试验开始(计时开始)后必需利用特制木塞可靠密封并由试验箱盖压紧, 防止火焰能量将其顶起造成点火能量泄露。

(1) 基于结构改装、手动解保的方法设计了一种待发程控装置电参数检测方法, 取代了生产厂家传统的打空气炮的动态模拟试验方法, 实现了降低试验成本、增加检测样本量、提高试验置信水平的目标。

(2) 应用该方法分别对25发经自然环境储存19年、25发经加速寿命试验等效储存22年、25发经加速寿命试验等效储存26年的俄制待发程控装置样品, 以及20发经自然环境储存12年的国产某型末制导炮弹待发程控装置样品进行了电参数测试, 结果表明, 该方法简单、经济、可行、重复性好。按照单批抽取检测样本量4发、年生产10批粗略计算, 年抽样检测成本可节约40万元左右。

(3) 本研究提出的待发程控装置电参数检测方法具有扩展应用的价值。某系列炮射导弹弹托中的感应部件, 其功能、结构、作用原理^[18]与待发程控装置类似, 弹托感应部件长储后的作用可靠性试验可借鉴本文提出的方法进行。