甘 雨

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魚雷引信全電子安全系統(tǒng)保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯設(shè)計(jì)

甘 雨

(中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所昆明分部, 云南昆明, 650118)

基于解除保險(xiǎn)環(huán)境激勵(lì)的特性和識(shí)別方式, 選擇魚雷初始彈道水壓信息、安全距離信息和目標(biāo)信息作為解除保險(xiǎn)環(huán)境激勵(lì), 設(shè)計(jì)了一種能夠切合魚雷彈道特性的保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯, 既實(shí)現(xiàn)了解除保險(xiǎn)環(huán)境激勵(lì)同保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯之間的良好匹配, 又能保證魚雷全彈道的安全性。運(yùn)用馬爾科夫理論, 對所設(shè)計(jì)的保險(xiǎn)和解除保險(xiǎn)邏輯進(jìn)行了分析, 計(jì)算得到的安全性指標(biāo)遠(yuǎn)大于GJB373A對引信安全系統(tǒng)的要求, 能夠滿足魚雷引信高安全性的設(shè)計(jì)要求。

魚雷引信; 全電子安全系統(tǒng); 保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn); 邏輯設(shè)計(jì); 安全性

0 引言

引信全電子安全系統(tǒng)是集高能起爆技術(shù)與微電子技術(shù)于一體的高新技術(shù), 從根本上改變了引信的隔離設(shè)計(jì)思想, 通過環(huán)境識(shí)別后控制發(fā)火電容上電和起爆電路的接通, 具有安全性強(qiáng)、可靠性高、作用迅速等優(yōu)點(diǎn), 而引起世界各國的高度重視。全電子安全系統(tǒng)固有的優(yōu)點(diǎn)使得其可以充分利用武器的發(fā)射環(huán)境信息、彈道環(huán)境信息、目標(biāo)及目標(biāo)區(qū)環(huán)境信息, 實(shí)現(xiàn)信息化、靈巧化和智能化。本文借鑒了何光林的電子安全系統(tǒng)邏輯分析思想, 注重解除保險(xiǎn)環(huán)境激勵(lì)特性和識(shí)別方式及保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯機(jī)構(gòu)間的匹配性。根據(jù)魚雷彈道的可信環(huán)境, 選擇安全、可靠和具備唯一性的環(huán)境信息作為解除保險(xiǎn)環(huán)境激勵(lì), 以所選擇的解除保險(xiǎn)環(huán)境激勵(lì)的特性和識(shí)別方式為基礎(chǔ), 設(shè)計(jì)一種能夠保證全彈道安全性的魚雷引信全電子安全系統(tǒng)保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯, 可使解除保險(xiǎn)環(huán)境激勵(lì)同保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯之間實(shí)現(xiàn)良好的匹配。

1 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

從引信的起爆(點(diǎn)火)功能考慮, 引信作為控制戰(zhàn)斗部起爆能量產(chǎn)生的裝置存在, 實(shí)現(xiàn)對引信中能量流的抑制, 就可很大程度上提高引信安全性。抑制起爆能量流是實(shí)現(xiàn)全電子安全系統(tǒng)的最主要手段, 包括對起爆控制系統(tǒng)發(fā)火能量的抑制和對爆炸序列能量傳遞通道的隔斷(隔爆)。對直列式傳爆序列來說, 最主要手段是對起爆控制系統(tǒng)發(fā)火能量的抑制。提高引信固有安全性的主要途徑有增加獨(dú)立保險(xiǎn)件的個(gè)數(shù)、巧妙地設(shè)計(jì)安全系統(tǒng)的邏輯、實(shí)現(xiàn)引信全電子安全系統(tǒng)高安全性和高可靠性。其中, 采用3個(gè)保險(xiǎn)件最為合理。

為保證發(fā)射艦艇及后續(xù)彈道的安全性, 魚雷引信全電子安全系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)應(yīng)考慮發(fā)射基、安全距離及目標(biāo)基的安全性。結(jié)合國內(nèi)外全電子安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn), 設(shè)置3級(jí)電子保險(xiǎn)件(2級(jí)靜態(tài)開關(guān)、1級(jí)動(dòng)態(tài)開關(guān))對起爆電源進(jìn)行隔離。魚雷引信全電子安全系統(tǒng)原理模型見圖1。

圖1 全電子安全系統(tǒng)原理模型

圖中, 該模型主要由2片專用集成電路(appli- cation specific integrated circuit, ASIC)及外圍電路組成, 完成對解除保險(xiǎn)環(huán)境信息的識(shí)別, 并輸出相應(yīng)的信號(hào)和指令, 控制3級(jí)保險(xiǎn)開關(guān)(2級(jí)靜態(tài)保險(xiǎn)開關(guān)、1級(jí)動(dòng)態(tài)保險(xiǎn)開關(guān))解除保險(xiǎn)的時(shí)序, 并可靠解除保險(xiǎn), 驅(qū)動(dòng)發(fā)火組件充電至發(fā)火水平并維持, 具備待爆條件。靜態(tài)開關(guān)Ⅰ設(shè)置為第1級(jí)保險(xiǎn), 具備靜態(tài)電保險(xiǎn)特征, 對起爆電源的正極進(jìn)行安全性隔斷, 其解除保險(xiǎn)激勵(lì)信號(hào)來自魚雷發(fā)射環(huán)境中不可逆、具備唯一性、標(biāo)識(shí)魚雷發(fā)射的激勵(lì)信號(hào), 保證在魚雷發(fā)射出管后才啟動(dòng)全電子安全系統(tǒng)的保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)流程。靜態(tài)開關(guān)Ⅱ設(shè)置為第2級(jí)保險(xiǎn), 具備靜態(tài)電保險(xiǎn)特征, 對起爆電源地進(jìn)行安全性隔斷, 其解除保險(xiǎn)激勵(lì)信號(hào)來自魚雷安全距離環(huán)境信息, 保證魚雷在安全距離內(nèi)的安全性。動(dòng)態(tài)開關(guān)設(shè)置為第3級(jí)保險(xiǎn), 具備動(dòng)態(tài)電保險(xiǎn)特征, 其解除保險(xiǎn)激勵(lì)信號(hào)來自目標(biāo)環(huán)境信息, 保證魚雷在安全距離之后的安全性。很大程度上, 正因?yàn)樵O(shè)置了由目標(biāo)環(huán)境信息驅(qū)動(dòng)解除保險(xiǎn)的第3級(jí)保險(xiǎn), 具備目標(biāo)基安全系統(tǒng)特征, 才能保證魚雷全彈道的安全性。

2 解除保險(xiǎn)環(huán)境激勵(lì)選擇

對于保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)裝置的復(fù)雜性和造價(jià)以及安全性水平, 解除保險(xiǎn)環(huán)境的選擇和確定通常是決定性因素,通常保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)裝置的設(shè)計(jì)隨著解除保險(xiǎn)環(huán)境的唯一性而改變。故魚雷引信全電子安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的步驟就在于, 如何在其工作周期內(nèi)經(jīng)受的可信環(huán)境之中, 選擇安全、可靠并具備唯一性的解除保險(xiǎn)環(huán)境激勵(lì)信號(hào), 對其進(jìn)行識(shí)別和判斷, 驅(qū)動(dòng)安全系統(tǒng)解除保險(xiǎn)。解除保險(xiǎn)環(huán)境激勵(lì)的選擇應(yīng)貫徹“獨(dú)特性、時(shí)序性、互質(zhì)性、通用性、窗口特征”的原則, 提高安全系統(tǒng)的安全性和抗干擾性。

1) 第1級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)——魚雷初始彈道水壓信息。該信息伴隨魚雷發(fā)射入水而產(chǎn)生, 對應(yīng)不同的水深產(chǎn)生不同水壓, 是魚雷入水深度的識(shí)別信息。魚雷從入水到預(yù)定搜索深度的過程包括俯仰抑制、按一定角度下潛和拉平3個(gè)階段,此階段的水壓信息特征明顯, 時(shí)間特性滿足0≤≤t≤要求(其中:t為第1級(jí)保險(xiǎn)解除時(shí)刻;為魚雷發(fā)射入水時(shí)刻;為魚雷到達(dá)預(yù)定搜索深度時(shí)刻)。水壓信息是魚雷引信安全系統(tǒng)中利用率最高的一種環(huán)境信息, 不僅具有典型的魚雷彈道環(huán)境特點(diǎn), 而且便于識(shí)別, 通用性很強(qiáng)。魚雷初始彈道水壓信息的識(shí)別可通過采用壓力傳感器, 在時(shí)間～內(nèi)對魚雷初始彈道水壓信息進(jìn)行識(shí)別, 若此時(shí)水壓大于設(shè)定值(視魚雷作戰(zhàn)使用要求而定), 則認(rèn)為魚雷已發(fā)射入水, 并完成了不可逆的發(fā)射動(dòng)作。將此信息輸入到安全系統(tǒng)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的邏輯控制電路中, 驅(qū)動(dòng)第1級(jí)保險(xiǎn)解除, 實(shí)現(xiàn)水壓信息解除第1級(jí)保險(xiǎn)的功能。

2) 第2級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)——安全距離信息。該信息在魚雷到達(dá)預(yù)設(shè)定的安全距離后產(chǎn)生, 時(shí)間特性滿足≤t≤(其中:t為第2級(jí)保險(xiǎn)解除時(shí)刻;為魚雷到達(dá)安全距離的最小管制時(shí)間, 滿足;為魚雷到達(dá)預(yù)設(shè)定安全距離時(shí)刻, 滿足;為預(yù)設(shè)定的安全距離;為魚雷最大航行速度;為魚雷最小航行速度)。該信息是魚雷引信安全系統(tǒng)中利用率較高的一種環(huán)境信息, 距離特性和時(shí)間特性均較明顯, 具有典型魚雷彈道環(huán)境特點(diǎn), 通用性較強(qiáng)。螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)信息是不可逆的, 可通過魚雷螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)計(jì)算魚雷航行距離, 且尾軸轉(zhuǎn)速與航程間的聯(lián)系較合理, 作為安全距離信息較準(zhǔn)確和可靠。因此, 螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)信息能很好地實(shí)現(xiàn)定距, 可通過脈沖計(jì)數(shù)電路對螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 當(dāng)脈沖計(jì)數(shù)值達(dá)到規(guī)定值時(shí), 向安全系統(tǒng)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的邏輯控制電路輸出安全距離信息, 驅(qū)動(dòng)第2級(jí)保險(xiǎn)解除, 實(shí)現(xiàn)安全距離信息解除第2級(jí)保險(xiǎn)的功能。

3) 第3級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)——目標(biāo)信息。目標(biāo)信息主要是自導(dǎo)系統(tǒng)獲得目標(biāo)參數(shù)并進(jìn)行處理后向全電子安全系統(tǒng)發(fā)出的控制指令, 時(shí)間特性應(yīng)滿足≤t≤要求。其中:t為第3級(jí)保險(xiǎn)解除時(shí)刻;為魚雷自導(dǎo)開機(jī)時(shí)刻;為魚雷自身攻擊目標(biāo)性能限制下第3級(jí)保險(xiǎn)解除的最大允許時(shí)刻, 且

利用目標(biāo)信息, 引信可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息解除保險(xiǎn)的安全設(shè)計(jì)模式, 為通用的環(huán)境信息。式(1)表達(dá)了利用目標(biāo)信息解除第3級(jí)保險(xiǎn), 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)基安全系統(tǒng)的充要條件。為獲取準(zhǔn)確的目標(biāo)信息, 完成目標(biāo)基安全系統(tǒng)解除保險(xiǎn)系統(tǒng)的要求, 設(shè)計(jì)中須充分考慮自導(dǎo)系統(tǒng)和非觸發(fā)引信的目標(biāo)探測性能, 提高魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)與引信安全系統(tǒng)的匹配性, 盡可能減少自導(dǎo)系統(tǒng)及引信安全系統(tǒng)完成目標(biāo)信息處理的時(shí)間及高壓發(fā)火電容的充電時(shí)間。

3 保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯設(shè)計(jì)

保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯是全電子安全系統(tǒng)的控制中樞, 根據(jù)自身的工作狀態(tài)和識(shí)別的解除保險(xiǎn)環(huán)境激勵(lì), 有序地控制著安全系統(tǒng)從初始安全系統(tǒng)逐漸過渡到待發(fā)狀態(tài)。因此, 保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯的設(shè)計(jì)是全電子安全系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的根本所在。保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯的設(shè)計(jì)主要從時(shí)間特性、時(shí)序邏輯、窗口特性等方面展開。以上述所選擇3種信息作為3個(gè)解除保險(xiǎn)環(huán)境激勵(lì), 它們彼此獨(dú)立, 具備互質(zhì)性, 在時(shí)間上有良好的時(shí)序特性。此外, 初始彈道水壓信息和安全距離信息均具有良好的窗口特性。故保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯采用的控制模式為: 初始彈道水壓信息、安全距離信息和目標(biāo)信息順序作用, 依次解除第1級(jí)~第3級(jí)保險(xiǎn), 其中初始彈道水壓信息和安全距離信息增加時(shí)間窗識(shí)別機(jī)構(gòu)。

采用此控制模式的全電子安全系統(tǒng)保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯如圖2所示。圖中, 魚雷初始彈道水壓信息在時(shí)間窗內(nèi)出現(xiàn)則解除第1級(jí)保險(xiǎn); 安全距離信息在第1級(jí)保險(xiǎn)解除后出現(xiàn), 并且在時(shí)間窗內(nèi)出現(xiàn)則解除第2級(jí)保險(xiǎn); 目標(biāo)信息在第2級(jí)保險(xiǎn)解除后出現(xiàn)則解除第3級(jí)保險(xiǎn), 使安全系統(tǒng)達(dá)到待發(fā)狀態(tài)。

圖2 全電子安全系統(tǒng)保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯

保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯時(shí)序特性如圖3所示。具體工作時(shí)序?yàn)? 1) 以魚雷發(fā)射時(shí)刻作為全電子安全系統(tǒng)解除保險(xiǎn)過程的時(shí)間零點(diǎn); 2) 在至之間(時(shí)間窗內(nèi))出現(xiàn)初始彈道水壓信息則視為正常, 解除第1級(jí)保險(xiǎn); 3) 在第1級(jí)保險(xiǎn)正常解除的前提下, 在至之間(時(shí)間窗內(nèi))出現(xiàn)安全距離信息則視為正常, 解除第2級(jí)保險(xiǎn); 4) 在第2級(jí)保險(xiǎn)正常解除的前提下, 出現(xiàn)目標(biāo)信息則視為正常, 解除第3級(jí)保險(xiǎn), 當(dāng)高壓發(fā)火電容的電能達(dá)到發(fā)火能量要求時(shí), 全電子安全系統(tǒng)處于待發(fā)狀態(tài); 5) 在全電子安全系統(tǒng)處于待發(fā)狀態(tài)后, 起爆信號(hào)出現(xiàn)則視為正常, 全電子安全系統(tǒng)發(fā)火, 引爆沖擊片雷管; 6) 在時(shí)間之后, 全電子安全系統(tǒng)進(jìn)入絕火狀態(tài), 禁止解除保險(xiǎn)和發(fā)火等操作; 7) 當(dāng)初始彈道水壓信息、安全距離信息、目標(biāo)信息及起爆信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)序未符合圖3所示的邏輯時(shí)序要求時(shí), 則全電子安全系統(tǒng)進(jìn)入故障保險(xiǎn)狀態(tài), 禁止解除保險(xiǎn)和發(fā)火等操作。

圖3 保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯時(shí)序特性

4 保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯分析

在引信安全系統(tǒng)安全性的分析理論研究方面, 施坤林提出了馬爾可夫理論在引信安全系統(tǒng)分析中的應(yīng)用。利用隨機(jī)過程的Markov理論, 計(jì)算圖2所示的全電子安全系統(tǒng)保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯在帶電檢測過程或上電后發(fā)射前意外解除保險(xiǎn)的概率, 并將這一時(shí)間歷程分為個(gè)時(shí)間間隔。

假設(shè): 1) 在每個(gè)時(shí)間間隔中, 解除保險(xiǎn)環(huán)境激勵(lì)出現(xiàn)的概率相同, 其概率為p,=1, 2, 3, …; 2) 環(huán)境激勵(lì)應(yīng)符合以下假設(shè): 獨(dú)立性——在2個(gè)不相重疊的區(qū)間[,]和[,]中出現(xiàn)的激勵(lì)次數(shù)互相獨(dú)立; 齊次性——在區(qū)間[,]內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)只與區(qū)間大小~有關(guān), 而與起點(diǎn)無關(guān); 普通性——在充分小的時(shí)間間隔內(nèi), 最多只出現(xiàn)一次激勵(lì); 3) 所有零部件都正常工作; 4) 在～t期間, 系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率為,,=1, 2, 3, …; 5) λ的定義: λ=Δ/,是所分區(qū)間的大小, Δ是某環(huán)境激勵(lì)的作用時(shí)間, 一般取Δ≤0.01T。

圖2所示的全電子安全系統(tǒng)保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)狀態(tài)定義: ①保險(xiǎn)狀態(tài), 第1級(jí)、第2級(jí)和第3級(jí)保險(xiǎn)均處于保險(xiǎn)狀態(tài); ② 第1級(jí)保險(xiǎn)解除狀態(tài), 第2級(jí)和第3級(jí)保險(xiǎn)仍處于保險(xiǎn)狀態(tài); ③ 第1級(jí)和第2級(jí)保險(xiǎn)均處于解除狀態(tài), 第3級(jí)保險(xiǎn)仍處于保險(xiǎn)狀態(tài); ④ 待發(fā)狀態(tài), 第1級(jí)、第2級(jí)和第3級(jí)保險(xiǎn)均解除; ⑤ 系統(tǒng)處于故障保險(xiǎn)狀態(tài), 或第1級(jí)保險(xiǎn)解除,打開; 或第1級(jí)保險(xiǎn)解除,打開; 或第1級(jí)、第2級(jí)和第3級(jí)保險(xiǎn)均處于保險(xiǎn)狀態(tài),打開。全電子安全系統(tǒng)邏輯機(jī)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖4。

圖4 邏輯機(jī)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系

狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析:

①→③: 狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率有以下2種情況: a) 第1級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)在時(shí)間窗內(nèi)出現(xiàn)和第2級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)在時(shí)間窗內(nèi)出現(xiàn), 但第3級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)未出現(xiàn), 則; b) 第1級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)在時(shí)間窗內(nèi)出現(xiàn)和第2級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)在時(shí)間窗內(nèi)出現(xiàn), 但第3級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)在第1級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)和第2級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)之前出現(xiàn), 則, 所以狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率;

②→③: 狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率有以下2種情況: a) 第2級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)在時(shí)間窗內(nèi)出現(xiàn), 但第3級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)未出現(xiàn), 則;b)第2級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)在時(shí)間窗內(nèi)出現(xiàn), 但第3級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)在第2級(jí)保險(xiǎn)解除激勵(lì)之前出現(xiàn),則, 所以狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率;

④→④: 系統(tǒng)處于待發(fā)狀態(tài), 且起爆信號(hào)未出現(xiàn), 則狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率;

其余的元素均為0, 即狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中無連線的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。

則一步轉(zhuǎn)移概率矩陣為

(4)

(5)

因此, 安全系統(tǒng)解除保險(xiǎn)的概率為

(7)

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的魚雷引信全電子安全系統(tǒng)保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)邏輯充分利用魚雷的發(fā)射環(huán)境信息、彈道環(huán)境信息、目標(biāo)及目標(biāo)區(qū)環(huán)境信息, 實(shí)現(xiàn)魚雷引信全電子安全系統(tǒng)信息化、靈巧化、智能化, 為魚雷引信全電子安全系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Design for Safety and Arming Logic in Torpedo Fuze of Electronic Security System

GAN Yu

(Kunming Branch of the 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Kunming 650118, China)

Based on the characteristic and identification mode of arming environment excitation, water pressure data of initial trajectory, safe distance data and target information are selected as arming environment excitation, and a safety and arming logic according with the trajectory characteristic of a torpedo is designed to realize good matching of arming environment excitation and safety as well as arming logic, and to ensure the safety of torpedo overall trajectory. The safety and arming logic is analyzed by using the Markov theory, and the calculated safety value is much larger than the criterion in the standard GJB373A for fuze security system, which can satisfy high safety design need for torpedo fuze.

torpedo fuze; electronic security system; safety and arming; logic design; safety

TJ431.7

A

1673-1948(2012)06-0467-05

2012-05-30;

2012-07-04.

甘 雨(1983-), 男, 工程師, 主要研究方向?yàn)轸~雷戰(zhàn)斗部安全與起爆技術(shù).