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安全系统的基本类型

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安全系统的基本类型

    根据对引信环境利用的结构形式,引信安全系统主要有机械式、机电式和全电子式三种类型。

    机械式安全系统是依靠机械机构识别弹道环境与非弹道环境,并在弹道环境作用下解除保险的引信安全系统。上述的图7-12就是一种典型的机械式安全系统。

    机械式安全系统完全采用由机械结构敏感引信惯性环境的方式来工作,通常情况下,安全系统中的保险件既是环境敏感器,又是安全控制执行器,其组成原理如图7-13(a)所示。在惯性环境作用下,保险件克服约束件的作用产生位移,释放隔爆件,从而解除保险。图7-13 (b)给出了典型的结构实现示意图,其中保险件为质量块,约束件为弹簧。

    图7-13 机械式安全系统的保险件结构
(a)组成原理;(b)结构示意图

    机械式安全系统结构形式简单,技术成熟,在引信中有较好的应用。但由于机械机构本身固有特性的限制,机械式安全系统难以充分利用各种环境信息,难以改进各种环境条件的识别算法,难以实现保险件的组合控制。

    机电式安全系统是含有机电转换装置并且使保险机构对弹道环境信息的感受与解除保险动作的完成实现分离的隔爆型安全系统。机电式安全系统的主要技术特征是:冗余保险中的保险件利用各类传感器感受载体在发射、飞行及弹目交会过程中的环境信息,对解除保险过程进行逻辑程序控制。

    目前,采用机械隔离作为引信安全的主要手段的情况下,采用机电式安全系统是实现高安全性与可靠性的有效手段,也是传统的机械安全系统改进的最佳方式。机电式安全系统的“机”主要体现在机械隔离,而“电”主要表现为传感器对环境敏感、识别并输出控制信号。

    机电式安全系统的主要优点在于对环境敏感的功能由传感器替代,因此,对环境信息的获取前进了一步,通过对环境信息进行识别判断后再将其传输给引信安全系统的执行机构,实现了感受引信环境信息与解除保险动作的分离。由于采用传感器进行敏感,而无法直接利用环境中的能量,机电式安全系统采用“传感器+控制电路+驱动器”的模式,一般采用小体积、高可靠性的传感器,结合信号处理、识别电路,通过驱动器做功将解除保险信息转化为机械运动,实现对机械隔离件的保险控制状态转换。

    目前,机电式安全系统中的驱动器主要采用两种原理:电火工品拔销器和电磁拔销器。电火工品拔销器利用发火元件及其装药产生的高温高压气体使保险销回缩做功,完成拔销功能,其结构形式如图7-14(a)所示。电磁拔销器利用电磁转换原理,通过通电产生电磁力吸附保险销,保险销克服弹簧抗力向上运动,从而解除对隔爆件的锁定,达到解除保险的目的,典型结构如图7-14(b)所示。

    图7-14 机电式安全系统的拔销器结构
(a)电火工品拔销器;(b)电磁拔销器

    机电式安全系统保留了引信安全系统中的隔离特征,因此满足目前普遍采用的隔爆要求,可直接替代原来的机械式安全系统以实现隔爆。由于采用了对信号的特征识别,能更好地识别环境信息,机电式安全系统除了可以敏感后坐和离心等发射环境信息外,还能敏感发射过程中及弹道上的其他环境信息,包括制导系统的信息。利用这些信息为引信解除保险,可进一步提高系统的安全性和可靠性。

    机电式安全系统是目前引信安全系统的发展主流,广泛应用于各类弹药引信中,特别是带有电源的低应力水平环境信息的弹药引信中,如导弹引信、炸弹引信及火箭弹、灵巧弹药引信等。它们因弹道环境单一或弹道环境应力水平较低,必须采用机电式安全系统以满足冗余保险的设计要求;或者需要通过机电式安全系统复杂的逻辑程序控制,以提高其安全性。

    全电子安全系统(electronic safety and arming system,ESA)是使用冲击片雷管及直列式爆炸序列的安全系统。其由环境传感器、安全与解除保险逻辑电路、发火电路和冲击片雷管组成。

    全电子安全系统是一种全新的安全系统设计理念,它采用以钝感起爆药为首级火工品的直列式爆炸序列,通过环境识别后控制发火电容上电和起爆电路的高压转换,实现引信从安全状态向待发状态的转变过程,从根本上改变了传统引信的隔离设计思想。

    首级火工品使用一种新型的Slapper雷管。这种雷管又被称作冲击片雷管,不含有起爆药,只有与传爆药感度相同的炸药,它用高压储能电容提供的电流高达几千安培、瞬时功率在5~10MW的电能起爆,平时没有任何可能起爆它,因此非常安全。以此为核心构建的全电子安全系统的基本框架如图7-15所示。三个环境传感器接受两个独立的环境信号和一个延期解除保险信号,作为解除保险逻辑的输入;安全与解除保险逻辑由两片独立的集成电路(IC)实现,任何一个都不能单独使全电子安全系统解除保险;在解除保险的能源通路中使用两个静态开关和一个动态开关,用两片IC对其进行控制,从而实现系统的安全和解除保险;动态开关连接在两个静态开关中间,用于驱动高压变换器将低压直流电转换为高压直流电,给高压电容充电,当高压电容充电至3kV以上时,引信处于待发状态;高压触发器受引信触发器(发火信号)控制,闭合后由高压电容器起爆冲击片雷管。

    图7-15 全电子安全系统原理框图

    全电子安全系统没有运动零部件,不存在润滑问题,从而最终实现了固态引信。全电子安全系统的可靠性高,环境识别和状态控制精确,定时和延时精度远远高于机械式安全系统,在导弹、鱼雷和灵巧弹药的引信中,特别是具有多点起爆爆炸序列的引信中具有巨大的应用潜力。

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