电视制导航弹安保装置设计

清华大学2012届毕业设计说明书第1页共38页1引言1.1本设计的研究背景电视制导航空炸弹是空军对地面设施进行攻击的主要弹药，具有威力大、成本低的特点。20世纪60年代初，由于美军在越南战场上损失大量作战飞机，消耗大量常规弹药后，重新开始发展制导炸弹，并成功研制第1代制导炸弹，典型的有“宝石路”激光制导炸弹，“白星眼”电视制导炸弹。20世纪70年代中期，美国为提高制导炸弹的命中精度与抗干扰能力，对第一代制导炸弹加以改进，改进重点为制导系统与空气动力组件。改进后的制导炸弹采用模块化结构和一弹多头体制，可根据不同的作战对象和作战环境更换不同的导引头，同时由原来主要对付地面静止目标发展到能打击坦克、车辆等运动目标，尤其是80年代中期后，美国开始将其装备于直升机上，成为攻击地面集群装甲目标的“杀手锏”武器。90年代以来，在高新电子信息技术的推动下，精确制导武器的性能得到大幅度的提高，这集中表现在精度制导、高精度传感器和近实时的数据处理与通信系统三方面。在海湾战争中，多国部队使用各种导弹、制导航弹、末制导炮弹多达五十多种，这标志着能够精确打击目标的武器已经成为现在战争的主要突击力量。因此，世界各国均不同程度的调整国防计划，大力发展精确制导武器，力求在未来军事比对中保持绝对优势[1,2]。1.2制导航弹在国外同类武器发展的现状与趋势美国的风力校正弹药布撒器(WCMD)是常规弹药布撒器的改装武器，始研于海湾战争末期，由洛克希德马丁公司和阿兰德/德克萨斯仪器公司改装。WCMD对常规航弹的改装主要是加装尾部组件，即在尾部加装惯性制导系统、可弹出活动尾翼、传动电机和数据器。该尾部组件可实施对航弹的控制和操纵，使航弹沿着预定的弹道飞行。WCMD力对弹道的影响降至最低，从而提高了高空投弹时的轰炸精度[3]。80年代以来，较大规模的局部战争在不同程度上使用了精确制导武器，且比率越来越高。在1991年的海湾战争中，精确制导武器的使用量约占总投弹量的8%，科索沃战争上升到35%，阿富汗战争达到了60%，而在伊拉克战争中，美军空袭使用的GPS辅助制导的精确制导弹药超过了90%[4,5]。因此，在各个国家的陆、海、空以及航天等各类武器装备中，精确制导技术已不可缺少。清华大学2012届毕业设计说明书第2页共38页1.3电视制导技术的概述电视制导是利用电视摄像机捕获、识别、定位、跟踪直至摧毁目标。电视制导系统工作时从电视图像上可以直接看到目标图像，因而可以可靠的辨识目标、识别敌我，不向外辐射无线电波，不会被敌方的电子干扰装置所干扰，由于电视的分辨率高，制导精度很高、工作可靠,因此是一种好的末制导技术[6]。但可见光电视不能在夜间工作，不能探测烟雾遮挡的目标。现代的系统中安装了热象仪，它可以在夜间工作，对烟雾也有一定的穿透力，大大扩展了电视跟踪系统的作用时域[7,8]。可见光跟踪系统由于低空性能较雷达优越，在跟踪冷目标方面较红外优越，特别是在跟踪近距离目标时，具有显示直观，有利于截获和跟踪目标、跟踪精度高、抗电子干扰性等优点，因而备受青睐。1.4航空炸弹引信的结构和要求1.4.1航空炸弹引信的具体结构现代的航空炸弹一般地讲是由弹体、安定器、装药、引信和悬挂装置组成的[9,10]。弹体就是炸弹的外壳，用来连接各部分零件，装填炸药，并构成炸弹所需要的形状和强度。安定器，也叫做尾翼，装在炸弹的尾部。它的用途是使炸弹投下后能稳定地在空运转，也就是说，使炸弹在运动的时候，头部向下，不致在赛中滚转。这样，就能使炸弹沿着一定形状的弹道(炸弹运动的轨迹)在空中运动,以便准确地命中目标。装药是用来达成炸弹的爆炸效果的。一般炸弹装的是爆炸药，而在燃烧弹中装燃烧剂，在照明弹中装的是照明剂。引信，也叫做信管、雷管，它是在规定时间内，诱发弹爆炸的装置。一般装在炸弹的头部，也有装在炸弹尾部的，或者头部尾部都装的。悬挂装置包括弹箍,弹钩（或弹耳)，用来将炸弹悬挂在飞机的炸弹架上[11,12]。1.4.2航空炸弹引信的一些要求航空炸弹除应满足弹药的装药安定性、长储性、构造简单、成本低廉、能大量生产等基本要求外，还应满足如下要求：(1)攻击目标广泛性航空炸弹可对敌前方和后方的指挥所、通讯交通枢纽、飞机场、雷达、火炮和清华大学2012届毕业设计说明书第3页共38页导弹阵地、坦克群、水面舰艇、水下潜艇、工厂、经济中心、政治中心、仓库、地下掩蔽所等任何目标和有生力量进行广泛性摧毁性打击。（2）与载机具有良好的相容性航空炸弹的品种、型号应该广泛适用于强击机、轰炸机和歼击轰炸机挂载炸弹的需求，具有作战和训练使用的灵活性。（3）载机安全，弹道稳定必须保证挂载飞行、投弹时载机的安全性炸弹在下落过程中的稳定性是十分重要的，如果炸弹落下时不稳定，炸弹碰击地面时将出现不稳定力矩，严重降低炸弹的侵彻能力，同时使跳弹的可能性增大，危及载机安全。另一方面，弹道不稳将会造成较大的散布。1.5发展前景为了适应现代作战的需要，航空炸弹越来越多地采用小动力或滑翔技术，以增大战术空间；采用低空炸弹，以提高突防效果；采用各种制导方式，以提高直接命中精度和全天候作战能力；采用高能炸药，以提高杀伤威力等。从提高航弹威力的角度看，继续研制先进的炸药技术，例如分子间炸药，能有效提高航弹的杀伤力。电磁炸弹等新体制的航弹也是重要的发展方向。常规电磁炸弹已在伊拉克参与了实战。这种炸弹多数采用爆炸磁压缩发生器（ＭＦＣＧ）原理：炸药爆炸的能量作用于金属爆炸管，迅速压缩磁通量，从而将爆炸化学能转化为电磁能，获得高功率电流脉冲，杀伤敌方的电子设备。另一个方向是光杀伤航弹，利用爆炸化学能产生巨大的光脉冲，干扰、杀伤战场上大量的光学设备。从结构上看，“模块化”将成为新一代航弹的重要特点，装药、弹翼、引信等可以快速拆装组合，适应各种用途。对于现役航弹来说，配上制导模块，能够快速的组合成不同用途、不同制导体制的空地武器。而许多作战场合也需要这一“低技术武器”，例如较大的面目标（电厂、车站、码头等）还得用大量航弹方能有效毁伤。可以肯定，尽管制导武器已经成为空地武器的主流，但航空炸弹仍有着强大的生命力，仍值得我们予以充分重视。1.6航弹引信的设计查相关资料得知安全系统有保险机构、保险线路和隔离机构组成，用于保证战斗部进入目标区前引信的安全。隔离机构将雷管与下二级传爆元件隔离开来的引清华大学2012届毕业设计说明书第4页共38页信，称为全保险型引信。引信安全系统必须有两个独立的保险件，其中每个保险件都必须能防止意外解除保险，而解除两个保险件的力必须从不同的环境获得，成为双环境力全保险型引信。电视制导航弹是非旋转弹，在具体的结构设计上，在此航弹引信中可以使用的是弹簧滑块隔爆机构，即由弹簧推动滑块作平移运动的隔爆机构，当航弹飞行了一定距离后隔爆机构解除保险后转动，使雷管与爆炸序列对正引信处于待发状态[13,14]。电视制导航弹可利用的环境力很少，在任务书中给出的拔脱力约200N，另一环境力来源于空气阻力，它是一种取之不竭的能源，为了能更好的利用它，在航弹引信上可设置一外露旋翼机构，便可实现双环境力的全保险结构[15,16]。1.7本设计的研究内容或解决的问题（1）电视制导航空炸弹是空军对地面设施进行攻击的主要弹药，具有威力大、成本低的特点。本课题要求对电视制导航空炸弹引信安保装置进行设计。设计引信为全保险型引信，有双环境力保险机构。（2）根据设计航弹的相关要求，合理选择出符合电视制导航空炸弹引信的隔爆机构的适用类型，还有选出或创造出除拔脱力外的另一环境力，使航空炸弹处在爆炸前于安全状态，并且能够是时引爆。1.8本课题拟采用的研究手段1．采用弹簧滑块隔爆机构，保证隔爆安全性，从而实现全保险型要求。2．利用飞行时空气阻力和自身的重量，作为解除保险的能源，保险机构采用的是空气动力保险机构，在航弹外设计一旋翼机构，与内置的二级减速轮系机构一起实现冗余保险。3．采用二级减速轮系机构来实现延期解除保险功能。2航弹简介和航弹引信的基本理论2.1航弹炸弹的一般形状清华大学2012届毕业设计说明书第5页共38页2．2引信2．2．1引信的定义“引信是利用目标信息和环境信息,或按照事先设定的条件，在保证弹药平时和发射时安全的前提下，对弹药实施起爆控制，点火控制及姿态控制的装置。”从引信的上述定义，可以看出现代引信的三大特征：引信纯粹用于军事目的；引信是一个信息与控制系统；引信药在预定条件下实现其功能，这些预定条件的本质就是“最优”。2．2．2引信的功能一般来说，现代引信应具有三个功能：1.在引信生产装配、运输、贮存、装填、发射、以及发射后在弹道起始段上，不能提前作用，以确保我方人员安全；2.感受目标的信息并加以处理，确定战斗部相对于目标的最佳起爆位置；3.向战斗部输出能量足够的起爆信息，完全的引爆战斗部[17]。2．2．3引信的组成引信作为一个信息系统，它的入口至少有三个，即发火控制系统、安全系统和能源装置。发火控制系统是引信最重要的功能系统，它保证引信在遇到不同的目标，在不同的弹目交会条件下，在适当的位置起爆弹药。它不仅可以感受目标及背景信息（触发、近炸、周炸引信），还可以感受火控系统的信息（时间引信），发射及飞行环境信息（计路程引信、自适应调整时间引信），指令信息（指令引信）和制导系统的信息（特别是近炸引信）。安全系统是引信必不可少的另一重要组成部分，它的基本功能是保证引信勤务处理时、发射时以及在弹道上要求的安全距离之内的安全性，而超过此距离必须解除保险，使引信转为待发状态。它不仅可以感受环境清华大学2012届毕业设计说明书第6页共38页（特别是发射、飞行环境）信息，还可以感受制导系统的信息（目标基安全系统）和指令信息（导致绝火或自毁）。能源装置可以利用内储能，靠感受环境信息而激励，也可以利用环境能，依靠环境能的转换而工作，还可以直接利用弹上能源。2．2．4引信的作用过程引信作用过程是指引信从发射开始到引爆战斗部主装药的全过程。引信在勤务处理时的安全状态，一般来说就是出厂时的装配状态，即保险状态。战斗部发射或投放后，引信利用一定的环境能源或自带的能源完成发火前预定的一系列动作而处于这样一种状态：一旦接受目标直接传给或由感应的来的起爆信息，或从外部得到起爆指令，或达到预先装订的时间就能发火，这种状态称为待发状态，又称待爆状态。从引信的功能和定义的分析可知，引信的作用过程主要包括解除保险、发火控制过程和引爆过程。引信首先由保险状态向待发状态的过渡过程，称为解除保险过程。已进入待发状态的引信，从获取目标信息开始到输出火焰或爆轰能的过程称为发火控制过程。将火焰或爆轰能逐级放大，最后输出一个足够强的爆轰能使战斗部主装药完全爆炸，次过程称为引爆过程[18]。2．2．5引信的要求a.引信安全性是引信在生产、勤务处理、装填、发射直至延期解除保险的各种环境中，在规定条件下不解除保险和爆炸的性能。b.引信可靠性是引信在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。起规定条件包括引信在生产、勤务处理和使用过程中所经受的各种环境条件。其规定时间包括从成品检验、勤务处理、使用，一直到正常作用所经历的时间。其规定功能包括安全性、解除保险可靠性、引爆（燃）的适时性和完全性、抗干扰性等性能。c.引信使用性是在勤务处理和使用过程中，安装检测及装定引信时的可操作性，以及操作的可靠性、快速性，准确性等综合性能。除此之外，引信还的具备引战配合性、环境适应性、抗干扰性、标准化、经济性、长期储存稳定性[19]。2.3航空炸弹的一般规格我们常把航空炸弹的重量作最基本的分类标准，例如美国航弹通常分为１００磅、２５０磅、５００磅、１０００磅等不同级别。１磅等于０．４５４千克，我们常在新闻报道中看到９０８千克炸弹等带零头的数字，就是英制重量单位换算为清华大学2012届毕业设计说明书第7页共38页公制单位所造成的。采用公制的国家，其航弹多数分为５０千克、１２５千克、２５０千克、５００千克等规格。但航弹实际重量总是与其规格并不相等，而且在储存状态时因不装引信、弹箍等部件，重量又有少许变化。例如，我国２５０－３型航弹实重２１６千克，５０