迫彈儲備電池的小型低過載激活機構

賀 文，馮 欣，閆 雷

(1.機電動態控制重點實驗室，陜西 西安 710065;2.西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

引信電池能否為引信正常供電會直接影響引信的作戰效能，儲備電池作為引信能源的提供者，平時不工作，只在激活條件下才形成電化學系統為引信提供電能，而激活機構則擔負著勤務處理安全和發射環境下可靠激活儲備電池的重要任務。

儲備電池的激活一般靠點燃內部加熱系統或擊碎內部儲液瓶來完成。目前，加熱系統的點燃多采用磁電機發電起爆電點火頭[1]，而具有儲液瓶的儲備電池的激活方式是利用獨立的擊發機構沖擊儲液瓶或沖擊火帽間接擊碎儲液瓶激活電池[2]。

在中小口徑迫彈平臺使用磁電機激活儲備電池，難以解決既要在迫彈發射環境下可靠激活熱電池，又要在比迫彈發射過載高的勤務跌落環境下安全的難題。

儲備電池用電點火頭激活也有被靜電起爆的風險[3]，采用較頓感的電點火頭可使用雙繞組磁電機作為電點火頭的電源，但這種磁電機的體積比單繞組磁電機體積更大[4]。

對于大倍率的身管火炮，其發射過載無論幅值和持續時間都大于勤務跌落過載，可以使用單自由度的彈簧質量系統作為外部擊發機構可靠激活熱電池，且保證勤務跌落環境下的安全。但用于比跌落過載低的發射平臺，這種類型的擊發機構將占用非常大的軸向尺寸，發射過載越低，所占用的軸向尺寸越大。即使借鑒迫彈的后座環境敏感機構作為外部獨立擊發機構，軸向尺寸也將與小型電池軸向高度相當，難以小型化應用于中小口徑迫彈平臺。因此針對中小口徑制導迫彈儲備電池的小型激活機構在迫彈發射環境下可靠激活和高過載跌落環境下勤務處理安全的矛盾，提出了迫彈儲備電池的小型低過載激活機構。

1 借鑒機構

在較小的軸向尺寸下，為實現區別迫彈發射過載和勤務跌落過載，可以借鑒曲折槽慣性保險機構、卡板互鎖后坐保險機構、鐘表機構等[5]。曲折槽慣性保險機構利用曲折槽改變慣性件的運動方向，以消耗慣性件的動能，使慣性件在短時間的高過載跌落環境下不解保，而在長時間的低發射過載環境下可靠解除保險?？ò寤ユi后座保險機構利用一個旋轉卡板在過載時間內對另一旋轉卡板的約束，隔離各慣性件間動能的傳遞，防止跌落過載環境下解除保險，而在較長時間的發射過載下，可以產生解保動作。鐘表機構以卡擺振動消耗慣性件的動能，延長解保所需時間，保證短時高過載跌落環境下的安全性。

這幾種低過載環境敏感機構都是以單個或多個慣性件多次啟動的方式識別過載和時間，區分短時高過載跌落環境和長時低過載發射環境。

借鑒以上低過載環境敏感機構的原理，同時結合電池自身的結構特點及火帽的起爆要求，設計了迫彈儲備電池的小型低過載激活機構。

2 迫彈儲備電池的小型低過載激活機構

迫彈儲備電池的小型低過載激活機構主要包括座體、慣性塊、擊針座、擊針、慣性塊簧、擊針座簧、火帽座、針刺火帽。其中座體、慣性塊、擊針及擊針座如圖1所示。機構整體圖如圖2所示。

圖2 迫彈儲備電池的小型低過載激活機構Fig.2 The activation device of reserve battery for motar projectile in low overload environment

在保證慣性件質量的前提下，該機構通過慣性塊和擊針座兩個慣性件的半圓柱形設計減小其徑向尺寸。通過擊針座質心的錯位布局使鋼珠對擊針座的約束點降低到擊針安裝位置以下，并通過慣性塊與擊針座并列安裝降低了該機構的軸向尺寸；同時將擊針座的質量轉移到擊針座右側，有利于擊針座高度的減小，擊針與彈簧的錯位布局也消除了彈簧壓死高度對該機構軸向高度的影響。

該機構采用螺紋接口安裝于電池蓋中，便于電池蓋與電池殼體的密封焊接，如圖3所示。

圖3 裝在電池蓋上的激活機構Fig.3 The activation device installed in thermal battery cover

在跌落過載下，慣性塊在向下運動時，通過鋼珠對擊針座進行約束，阻止跌落過程中擊針座受力產生的運動，防止擊針座將針刺火帽起爆，圖4為該機構在跌落過載結束時刻狀態圖。在跌落過載結束后，慣性塊繼續向下運動到位，并解除對擊針座的約束，此時由于跌落過載已經消失，擊針座因受擊針座簧的支撐，不受跌落過載影響。當慣性塊向下運動到底后，在慣性塊簧的作用下向上運動并推動鋼珠復位。

圖4 機構在跌落過載結束時刻狀態圖Fig.4 The activation device state at the time of dropping load termitated

在迫彈發射環境下，慣性塊向下運動到位后，鋼珠不再約束擊針座，擊針座受后坐力沖擊起爆針刺火帽，激活電池，如圖5所示。

圖5 機構在發射過載下的狀態圖Fig.5 The activation device state in fire load

設計該機構時的幾個影響因素：

1) 該機構通過擊針座在發射過載下加速并沖擊火帽，使火帽發火，激活電池，因此使針刺火帽可靠起爆的最低發射過載主要受針刺火帽的起爆要求和擊針座重量以及擊針與針刺火帽的距離制約。

2) 經受跌落過載時，該機構的安全性受慣性塊釋放鋼珠時向下運動的位移和彈簧預壓力的制約。慣性塊的動力學方程為[6]：

(1)

式(1)中，m為慣性塊質量，y為慣性塊向下運動的位移，a(t)為機構后坐加速度，k為彈簧剛度，λ0為彈簧的預壓縮長度，N1為慣性塊與底座正壓力，N2為鋼珠與慣性塊之間正壓力，μ1為慣性塊與底座之間的動摩擦系數，μ2為鋼珠與慣性塊之間的動摩擦系數。

通過式(1)，以峰值10 000g，過載時間0.2 ms的三角形跌落過載曲線為例進行計算(不考慮彈簧預壓力、摩擦力)，在過載結束時刻，物體產生的位移為1.5 mm，速度為15 m/s，因此在該跌落過載條件下，慣性塊必須保證向下運動1.5 mm而不解除對擊針座的約束，才能保證該機構的安全性。彈簧的預壓力應保證慣性塊的啟動過載值大于證勤務振動環境的過載值以保證該機構在振動環境下的安全性。

3) 在一定的發射過載下，該機構使針刺火帽可靠起爆所需的最小發射過載時間也受到慣性塊向下運動并釋放鋼珠的位移的影響，位移越大，安全性越高，但所需的最小發射過載時間就越長。通過式(1)，以可利用發射過載幅值為1 000g的矩形發射過載曲線為例進行計算(不考慮彈簧預壓力、摩擦力)，慣性塊向下運動2 mm需要0.63 ms，因此在1 000g過載幅值下，該過載幅值持續時間小于0.63 ms將無法使機構的擊針座動作。因此該機構在設計時需要綜合考慮所使用火帽的起爆要求，所使用發射平臺的最低發射過載和過載持續時間，最終優化并確定該機構各零件的尺寸設計、材料和工藝要求。

3 仿真驗證

將迫彈儲備電池的小型低過載激活機構的三維模型導入系統動力學仿真軟件Adams中進行仿真驗證，定義材料密度、彈簧、接觸、過載曲線，并設定求解參數后進行該機構的仿真[7]。

以峰值13 000g，過載時間0.375 ms的三角形曲線[8]作為跌落過載曲線進行仿真，仿真結果如圖6所示。

圖6 跌落環境仿真曲線Fig.6 The curve of dropping simutation

由圖6慣性塊位移曲線可以看出慣性塊在0.375 ms時向下運動4 mm， 剛好解除對擊針座的約束，但此時過載結束，擊針座不再受力向下運動。0.7～3.7 ms之間，慣性塊在慣性塊簧作用下推動鋼珠復位,3.7 ms后慣性塊開始快速復位到初始裝配位置。由擊針座位移曲線看出擊針座由于裝配間隙在跌落過載下向下運動0.5 mm左右，在鋼珠復位后恢復到初始安裝位置。仿真結果表明機構在該跌落過載曲線作用下可以保證不激活電池。由于1.5 m勤務跌落過載曲線在時間和強度上小于仿真采用的過載曲線，因此該機構可以保證1.5 m勤務跌落環境下的安全性。

以1 000g，5 ms梯形發射過載曲線模擬發射過載，仿真結果如圖7所示。

圖7 發射環境仿真曲線Fig.7 The curve of firing simutation

由圖7可以看出，慣性塊在2.5 ms時運動到位并釋放約束擊針座的鋼珠，擊針座在1 000g過載區間加速向下運動并戳擊針刺火帽，從而保證擊針座利用最大的1 000g過載進行加速，以在戳擊針刺火帽時擁有足夠的動能。

由上述仿真結果可知，該機構可以保證擊針在1.5 m勤務跌落過載環境下不戳擊針刺火帽，而在迫彈的低過載發射環境下，該機構可以利用過載曲線的最大過載區間，使擊針座加速并戳擊針刺火帽。因此根據所使用火帽的要求和所利用的過載值大小，選配合適的擊針座重量及擊針與火帽間距，該機構可以可靠起爆針刺火帽，激活電池。

4 結論

本文提出了迫彈儲備電池的小型低過載激活機構。在保證慣性件質量的前提下，該機構通過慣性塊和擊針座兩個慣性件的半圓柱形設計減小其徑向尺寸，兩個慣性件的并列安裝、擊針與彈簧的錯位布局及擊針座質心的錯位布局減少其軸向尺寸。仿真表明，該機構在13 000g，0.375 ms三角形跌落過載曲線下，慣性塊向下運動并通過鋼珠對擊針座進行約束，擊針座在跌落過載時間內不會戳擊火帽，且慣性塊在跌落過載結束后復位；在1 000g，5 ms梯形發射過載曲線下，擊針座被釋放，并可在1 000g過載區間加速運動，戳擊針刺火帽。根據所使用火帽的要求和所利用的過載值大小，選配合適的擊針座重量及擊針與火帽間距，該機構可以可靠起爆針刺火帽，激活電池。下一步將進行實物試驗以進一步驗證該機構的安全性及可靠性。