帶電磁鎖定功能的弱發射環境后坐保險

劉小崗，鄧震峰，雷軍命

(西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

單自由度彈性后坐保險(以下簡稱后坐保險)是機電引信安全系統應用最廣泛、最直接的保險形式。其作為識別發射環境的一道保險，機構簡單，作用可靠，一般應用在發射后坐過載比較大的場合[1-2]。反坦克導彈的發射一般采用發射發動機和續航發動機兩級發射。發射及續航過載均屬于弱發射環境，發射過載一般為幾十g，但持續時間僅在幾十毫秒左右，不便于被后坐保險利用；續航過載持續時間較長，量值一般在10g以內。反坦克導彈機電引信的后坐保險大多利用續航過載解除保險。目前，大量應用的輕型反坦克導彈或巡飛彈的續航過載甚至不足3g，這樣的彈道環境給引信后坐保險的設計帶來了很大的困難。文獻[3]提出一種可識別6g低發射過載的后坐保險機構，但參數不易調整，適應性不強。如果通過機構設計來區分發射環境和勤務處理環境將使得機構變得復雜甚至無法實現，可靠性更無從談起。采用其他環境的保險形式在成熟度、可靠性、體積及成本等方面均不及后坐保險。為解決弱發射環境引信后坐保險對武器平臺超低續航過載環境的識別困難，本文提出帶電磁鎖定功能的后坐保險。

1 后坐保險

1.1 后坐保險模型

反坦克導彈引信后坐保險一般利用導彈續航過載解除保險，后坐保險模型如圖1所示。在實際應用中可在后坐保險筒側向加限位，發射程序開始時解除限位。本文僅討論后坐保險筒的動作過程，續航過載持續時間較長，量值一般在10g左右。后坐保險體積小、可靠性高，是首選的保險形式。在續航過載持續期間，后坐保險筒保持在解保位置，續航過載消失，后坐保險筒恢復原位。

圖1 后坐保險模型Fig.1 Model of setback arming device

1.2 后坐保險筒受力分析

根據使用要求，后坐保險可靠解除保險過載系數為6,可靠保險過載系數為4。后坐保險模型參數如表1所示，后坐保險筒的受力圖如圖2所示。m為保險筒質量，彈簧質量僅為后坐保險筒質量的1%，并且系統工作在非諧振模式，彈簧的等效質量可忽略不計。

表1 后坐保險模型參數Tab.1 Model parameter of setback arming device

圖2 后坐保險筒受力圖Fig.2 Force diagram of setback arming device

從開始至t0時刻，位移x=0，后坐力F、引信體對后坐保險筒的反作用力F1與彈簧抗力N平衡，即0≤t≤t0時，位移x=0。在t0時刻，后坐保險筒開始啟動。此時，F=N，

ma(t)=k(λ0+x)

(1)

(2)

當t>t0時：

(3)

(4)

對式(4)求解即可得到位移響應解析解。后坐保險筒位移x的解析表達式較為復雜，難以直觀看出后坐過載環境參數周期T和過載系數K1的影響規律[4]。但對于弱發射環境后坐保險來說，動作過程已限定在發射周期，主要用途不是區分跌落過載與發射過載，而是響應最低發射過載，是解除第一道保險的基本條件。

2 帶電磁鎖定功能的后坐保險

導彈、巡飛彈等武器彈藥續航/巡航過載極低，傳統后坐保險無法適用。但在體積、質量及可靠性等方面要求極為嚴格的情況下，后坐保險具有很大的優勢，要優先考慮。如果不用極低的續航過載而使用量值相對較大的發射過載是一種可行的解決辦法，但必須克服過載持續時間短的弊端。帶電磁鎖定功能的后坐保險基于單自由度彈性后坐保險，可以感應量值相對較大的發射過載，又具備瞬時動作能力，滿足對短時較大過載利用的條件。該后坐保險在解除側向約束后為可恢復式保險，并作為副保險，保證平時及發射周期的安全。該保險同時具備對系統電源和環境力的邏輯識別。

帶電磁鎖定功能的后坐保險在經典后坐保險筒的下方設置了一個圓環形的電磁鐵， 帶電磁鎖定功能的后坐保險模型見圖3，后坐保險筒的材料必須為軟磁材料。

圖3 電磁鎖定后坐保險模型Fig.3 Model of setback arming device with electromagnetic lock

平時，無過載、未通電時(參見圖3(a))，在后坐保險簧的抗力作用下，后坐保險筒處于高位保險位置；發射前給側向限位及電磁鐵線圈通電，解除限位，但此時不能影響后坐保險筒的保險狀態。發射時后坐保險筒在短時較大發射過載作用下克服后坐保險簧的抗力向下運動與鐵芯上端面接觸，電磁鐵將后坐保險筒瞬間牢靠鎖定，鎖定持續時間根據系統需要設定。

斷電后，線圈中的電勵磁消失，鐵芯無外加磁場，不再對后坐保險筒產生吸力，后坐保險筒在后坐保險簧抗力的作用下向上運動，恢復到初始位置，適用于失去作戰時機，需要恢復保險的場合。工作過程中預定過載和持續加電缺一不可。

后坐系統的動力學運動過程(忽略空氣阻力和摩擦阻力)如下：

(5)

式(5)中，k為彈簧系數；λ0為預壓縮量，m；x為位移，m；F為電磁吸力，kg，其余參數同式(1)。

電磁鐵鐵芯結構示意圖如圖4所示。

圖4 圓環形電磁鐵鐵芯結構示意圖Fig.4 Sketch map of ring electromagnet

其吸力的大小可按電磁鐵吸力公式[5]進行計算：

(6)

式(6)中，F為電磁吸力，kg；I為線圈電流，A；W為線圈匝數；δ為空氣氣隙長度，cm。

將式(6)代入式(5)即為后坐保險筒的位移與受力關系。

3 系統仿真及驗證

系統仿真包括質量-彈簧系統和電磁系統混合仿真。由式(6)可知，電磁吸力F在接觸瞬間才會急劇增大，系統可以簡化為動力學過程和接觸瞬間的磁力學過程并分別進行分析。動力學過程根據式(4)即可得到運動過程參數。本節主要進行磁力學(吸合力)仿真計算。經典設計方法在計算電磁鐵吸合力時只考慮了線圈的電氣參數及磁隙的影響，不考慮電磁鐵結構布局對吸合力的影響[6]。有限元計算可以基于電磁鐵的結構關系及電氣特性對其吸合力進行分析，為電磁鐵的結構設計及優化提供數據支撐。

電磁吸力的基本公式為[7-8]：

(7)

式(7)中，F為電磁力，J/cm；B為磁感應強度，Wb/cm2；S為磁極表面總面積，cm2；μ0為空氣磁導系數，為1.25×10-8H/cm。

有限元計算的核心是求得所需計算氣隙處的磁感應強度B的分布，根據式(7)采用單元積分求和計算氣隙處的電磁力，從而求得整個保險筒所受的電磁吸力。

3.1 吸合力大小仿真計算

按設計結構給出線圈線徑0.05 mm、匝數為1 350，線圈內阻為260 Ω，磁筒材料為工業純鐵DT4E。利用有限元分析軟件Ansoft進行磁力學仿真計算，在求解器中定義氣隙進行變參分析,并選擇電磁力作為求解對象。圖5為電磁鎖定裝置吸力與磁氣隙的關系曲線，圖6為電磁鎖定裝置吸合力與線圈輸入電壓的關系曲線。

圖5 電磁鎖定裝置吸合力大小與磁氣隙的關系曲線Fig.5 Relationship between electromagnetic force and distance

從圖5可以看出，當后坐保險筒與磁筒之間的磁氣隙為0時，20 V輸入電壓時的吸合力為10 N，30 V輸入電壓時的吸合力為13 N，大于后坐保險筒受到的極限外力6.14 N(150g近似半正弦波沖擊)，此狀態為工作狀態，在工作電壓范圍內，吸合力滿足要求。隨著后坐保險筒與磁筒之間磁氣隙的增大，其吸合力急劇減小，在0.2 mm時，吸合力已經很小，在1 mm時，吸合力基本為0，在后坐保險簧的作用下很快恢復至安全狀態。

圖6 電磁鎖定裝置吸合力大小與線圈輸入電壓的關系曲線Fig.6 Relationship between electromagnetic force and input voltage

從圖6可以看出，電磁鎖定裝置的吸合力總體隨著輸入電壓的增大而增大。20 V輸入電壓時的吸合力為10 N，有較大的余量。此后，隨著輸入電壓的增大，吸合力持續增大。

3.2 斷電后的磁吸力計算

根據后坐保險的使用要求，電磁鎖定裝置在斷電后，線圈中的電勵磁消失，鐵芯無外加磁場，不應對后坐保險筒產生吸力，后坐保險筒在彈簧抗力的作用下向上運動恢復到初始位置。該要求可以確保后坐保險在總裝測試過程中不會因為加電測試產生的剩磁對后坐保險筒產生影響，同時也保證了特定場合可恢復功能的實現。

斷電后的磁吸力由材料的剩磁產生，DT4E材料的飽和剩余磁通密度為1 Gs，磁路截面積0.25 cm2， 代入式(8)[5]：

(8)

從計算結果可知，鐵芯斷電后由于剩磁產生的磁吸力遠遠小于彈簧力，因此后坐保險在電磁鐵線圈通電后不會對后坐險筒的保險狀態產生影響，只有后坐保險筒與電磁鐵接觸后，才會產生足夠的吸合力。發射過載和正常工作電壓必須同時具備才能維持在解除保險狀態。電磁鎖定裝置在斷電后，剩磁引起的吸力不影響后坐保險筒復位。

3.3 實驗驗證分析

根據帶電磁鎖定功能的后坐保險的應用特點，選取兩種典型的環境條件對后坐保險進行考核驗證，主要考核吸合狀態的后坐保險在彈道環境下的吸合可靠性。

1) 隨機振動過載

對后坐保險裝置(吸合狀態)施加如圖7所示的隨機振動，來考核裝置的鎖定可靠性。W1=0.04g2/Hz，振動時間為軸向30 min，供電電壓20 V，以考核彈道飛行過載對吸合可靠性的影響。該條件下的峰值加速度按25g計算，抗力約為1.2 N，遠小于吸合力，試驗過程中全程吸合可靠，斷電后可靠復位。

圖7 隨機振動曲線Fig.7 Random vibration curve

2) 沖擊過載

沖擊過載考核裝置在發射時可靠吸合和彈道中保持鎖定狀態的能力。在12g發射環境，脈沖持續時間50 ms。根據式(2)，代入參數得t0=4.63 ms。對a(t)等效處理后可以得到位移與時間的函數，K為等效過載系數。

(9)

(10)

后坐保險筒到達底部吸合位置時，x=4.5 mm，t=16 ms，總時間為20.63 ms，在50 ms脈沖持續期間可以完成吸合動作，保險筒可被過載和吸合力可靠鎖定在吸合狀態。

對后坐保險裝置(吸合狀態)施加加速度峰值150g的近似半正弦波沖擊，脈沖持續時間3 ms，供電電壓20 V。在吸合位置，后坐保險筒受到的外力由兩部分組成，一個是因沖擊過載產生的慣性力，另一個是受到的彈簧抗力?？紤]最嚴厲方向，后坐保險筒所受的沖擊力與所受彈簧抗力方向一致，后坐保險筒所受的力F為二者之合(忽略摩擦力及彈簧等效質量)。

F=K1mg+N

(11)

式(11)中，K1取150，其余參數同式(1)。

F=150×4×10-3×9.8+0.26=6.14 N，峰值抗力小于下限吸合力10 N。沖擊過程中吸合可靠，斷電后可靠復位。

4 結論

本文提出一種適用于弱發射環境的帶電磁鎖定功能的后坐保險，該后坐保險可實現對短時發射過載的識別并可靠鎖定保險筒，在持續加電及規定發射過載作用下解除保險，斷電后可恢復保險。仿真計算和沖擊、振動試驗表明，該后坐保險在給定條件下能可靠解除保險，彈道抗沖擊能力滿足使用要求。帶電磁鎖定功能的后坐保險在不增加體積的前提下，為弱發射環境彈藥平臺引信提供了可行的保險形式，拓展了后坐保險的應用范圍。