第2章 引信环境力

第2章引信环境力引信从环境中得到的一种特定的激励，称为环境力。

从环境中得到的可供引信机构工作的能量，称为环境能。

引信从生产到碰击目标过程中，作用在引信零件上的力很多，方向、大小和作用点也不同。

这些环境力对引信机构和零件的工作状况影响很大，有些环境力可作为引信的能源，使引信中的零件产生运动，成为引信解除保险或发火的动力。

有些环境力会使引信中的零件产生松动、脱落、变形或破坏，成为影响引信正常工作的干扰力，使引信的安全性或可靠性得不到保证。

恰当地利用一些环境力，有效地控制干扰力的影响，是引信设计中的重要环节。

在引信工作的全过程中，可分为若干阶段。

对火炮弹丸引信可分为：勤务处理、装填、膛内、炮口、空中飞行和碰击目标等六个阶段；对火箭弹和导弹可分为：勤务处理、装填、主动段、被动段和碰击目标等五个阶段；对航弹引信可分为：勤务处理、装填、空中飞行和碰击目标等四个阶段。

引信所处的这些阶段，称为引信工作环境。

在这些环境中作用于引信零件的力，就是引信的环境力。

研究这些力时，要经常运用内弹道、中间弹道、外弹道和终点弹道等学科的理论和实验研究结果。

2.1 勤务处理与装填环境力在勤务处理中，引信必然要被搬动、运输，因而就会遇到运输中的偶然磕碰、冲击、跌落和振动等。

在这些情况下，引信零件受到的是直线惯性力，只有当弹丸沿斜坡滚落时，引信零件才受离心力。

因此，在勤务处理和装填阶段，重点在于直线惯性力的影响。

这些环境力，绝大多数属于干扰力，可能导致引信机构的提前作用或毁坏。

而且，作用于引信零件上的这些力，绝大部分都要靠实验测得，很少能用理论公式准确计算。

2.1.1 搬装环境力在搬装过程中，装有引信的弹丸或包装箱偶然坠落或撞击，在引信零件上所产生的定向激励，称为搬装环境力。

此惯性力的大小和作用时间的长短与弹丸质量、包装方式、跌落高度、撞击姿态、地面性质以及引信的结构等因素有关。

用不同的弹丸质量，在有包装和无包装情况下，从不同的跌落高度向不同目标（水泥、粘土、木材、钢板等）进行跌落试验，所产生的惯性力大小差别极大。

对于硬目标（如铸铁板、钢板等）跌落冲击加速度的峰值可达重力加速度（g ) 的几万倍，但作用时间很短，通常为几十微秒到几百微妙；对于软目标（如土地、胶合板、木地板等）跌落冲击加速度的峰值小，只是重力加速度的几百倍，但作用时间长，通常为几百微妙到几毫秒。

引信在跌落和撞击过程中所经受的惯性力，由于影响因素很多，通常都用实验测得其变化规律，总结出经验公式，为引信安全性设计提供依据。

81 mm 迫击炮弹（无包装）尾部向下跌落试验时的加速度曲线见图2-1 。

图2-1 81mm迫击炮弹（无包装）尾部向下跌落试验时的加速度曲线图2-1(a)为从30.5m高度落向土地；图2-1(b)为从30.5m高度落向钢板；图2-1(c) 为从15.25m高度落向土地；图2-1(d)为从15.25m高度落向钢板。

从图中看出，从15.25m 高度落至土地时，冲击加速度峰值为280g，持续作用时间约10ms；而从同样高度落向钢板时，冲击加速度峰值约为12000g，持续作用时间约为370μs。

2.1.2 运输环境力在运输过程中，引信零件相对于弹丸受到的周期性振动或脉动式激震称为运输环境力。

因用畜力车、汽车、火车、轮船和飞机运输时，由于路面不平，铁轨衔接凸凹、桨叶和发动机振动、海浪和气浪影响、运载工具启动和制动等原因，产生这种周期性振动和激震。

正常火车运输中，上下振动的惯性加速度一般为3g~4g，最大值不大于20g，速度变化所引起的前后撞击加速度可达3g~5g，平时刹车产生的加速度为0.2g，紧急刹车可达0.4g~0.5g。

汽车运输振动比火车严重，例如在颠簸很厉害的恶劣路面上行驶时，包装箱不固定，则包装箱互相碰撞所产生的碰击加速度可达300g。

激震的持续时间对引信也有威胁。

据实测，卡车运输中路面引起的典型激震为9g，波形的增长时间为12ms，持续时间20ms。

汽车刹车时的减加速度大约为0.7g。

在恶劣路面上高速行驶时，上下颠簸的加速度达1g。

船舶的振动，大部分是由螺旋桨轴和螺旋桨叶片频率共振产生的。

甲板的自然频率在10Hz~100Hz之间，隔舱结构的自然频率在25Hz以上。

大多数活塞式发动机的运输机，其振动频率在40Hz~200Hz之间，加速度通常为2g，偶然可达20g。

一般来说，运输条件下惯性力峰值比投掷和坠落时的值要小。

但是周期性的作用次数很多，因而有可能破坏了引信零件配合，特别是螺纹配合、压配合、粘接合和铆接合，使引信零件产生永久变形与松动、药柱破裂以及敏感的火工品提前作用。

当引信中的弹簧系统的自振频率与运输中的振动或颠簸的频率十分接近，且惯性力的值又相当大时，会使弹簧系统产生谐振，甚至使机构提前动作。

2.1.3 空投环境力空投过程中的环境力，主要是开伞时的直线惯性力和着地时的冲击惯性力。

开伞时的直线惯性力与飞机速度、空投高度、空投物质量、降落伞类型及开伞时间等因素有关。

着地时冲击惯性力与着地速度、包装情况、地面性质等因素有关，其中冲击惯性力可达零件重力的几十倍到几百倍。

如降落伞发生故障，着地时的冲击惯性力可达零件重力的几千倍。

空投过程所产生的惯性力可能造成引信误动作。

2.1.4 装填环境力在炮弹装填时，引信可能受到直接的碰撞力和冲击惯性力。

往炮膛输弹时的不正确操作或输弹机的故障，可能使引信头部与炮尾直接相撞，造成引信变形或零件松动。

输弹机能以每秒几米甚至几十米的速度向炮膛输送炮弹。

当弹带与膛线起始部相碰或药筒底部与炮尾相碰时，炮弹的运动突然停止，使引信零件受到相当大的前冲力，其值可达零件重力的1000倍以上。

如海双30火炮，当手动输弹时，其最大前冲力为引信零件重力的1200倍；当输弹机输弹时，以9.6m/s的速度输弹，其前冲力为零件重力的2177倍。

2.2 膛内环境力弹丸在膛内运动过程中，引信零件所受到的特定激励，称为膛内环境力。

弹丸在膛内，特别是在线膛炮内运动时，受发射药燃烧产生火药气体的作用，在几毫秒时间内从静止状态获得每秒数百米的前进速度，从而产生极大的加速度。

在弹丸做直线运动同时，由于火炮膛线作用，使弹丸旋转，也是在此几毫秒时间内，弹丸从静止状态又获得每分钟数千转、甚至牛顿第二定律：F=m m a=0，惯性力F′=-m a于是，在弹丸引信的零件上，相应地受到后坐力、离心力、切线力、切线惯性力偶和哥氏力的作用。

2.2.1后坐力后坐力是载体加速运动时，引信零件受到的与轴向加速方向相反的惯性力。

按下式计算：式中 Fs——引信零件受到的后坐力（N);m f——引信零件的质量（kg);d d vt——载体轴向运动加速度（m/s2）。

2.2.1.1 炮弹引信零件受到的后坐力对于火炮发射的弹丸，弹丸在膛内的直线运动是由火药气体压力推动弹丸而产生的。

由动力学第二定律有式中 m D——弹丸的质量（kg);d D——弹丸的直径（m);p——弹后膛内火药气体平均压力，即膛压（Pa);φ——虚拟系数（φ＞1）。

将式（2-3 ）代人式（2-1 ) ，有此式表明，在膛内，后坐力F s与膛压p成正比，膛压达最大值时，后坐力也达最大值。

根据火炮内弹道提供的p-t 曲线及火炮和弹丸的必要参数，就可得出后坐力在膛内的变化规律。

后坐力、膛压与时间的关系曲线见图2-2。

图2-2 后坐力、膛压与时间的关系曲线对应于最大膛压，有最大后坐力，即对于一定的火炮、弹丸和发射装药，其中d D、m D、φ、p max均一定，此时F sm与引信零件重力成正比。

令K l称为最大后坐过载系数，又称为直线解除保险系数。

其意义为发射时单位重力的引信零件所受的最大后坐力。

由式（2-4）及式（2-6）有即K l也表示发射时弹丸最大直线加速度与重力加速度之比。

K l的大小与火炮、弹丸、装药有关，而与引信无关。

它表示引信在发射时所受后坐力的强烈程度，是引信的一个工作环境参数。

中、大口径火炮的K l在1000—30000之间，小口径火炮的K l在30000~110000 之间，有的小口径火炮K l高达128000。

2.2.1.2火箭弹（或导弹）引信零件受到的后坐力火箭弹（或导弹）在弹道主动段是加速运动且直线加速度较小，其加速运动的时间较长( 0.02s~5s)，引信零件所受到的后坐力较小，但时间较长。

火箭弹在主动段的直线加速度是由发动机推力克服空气阻力而获得。

通常所受的空气阻力与推力相比可忽略不计。

此时火箭弹的直线加速度为式中ddvt——火箭弹主动段的直线加速度（m/s2）；F——火箭发动机的轴向推力（N);m r——火箭弹的瞬时质量（kg）。

火箭发动机推力F的简化表达式为式中 A t——喷管临界（喷喉处）断面积（多喷管时，应为各喷管临界断面积之和）（m2）;p——燃烧室压力（Pa）。

火箭发动机喷管见图2-3，图(a）为直喷管结构，图(b）为斜喷管推力。

由于A t是常数，故推力F 与p 成正比，若已知p-t 曲线，即可计算出F-t。

图2-3 火箭发动机喷管图2-4 几种火箭发动机的p-t 曲线火箭弹瞬时质量m r可近似按下式计算:式中 m r0——火箭弹的原始质量（kg);m rω——发射药的原始质量（kg);t k——主动段即发动机工作的时间（s);t——主动段内给定的某一时间（s）。

因此引信零件受到的后坐力按下式计算：几种火箭发动机的p-t曲线见图2-4。

从式（2-11）中看出，当p 与m r比值出现最大值时，则F s=F sm。

最大后坐力的出现有两种情况：一种是在主动段初期p=p max，见图2-4曲线a，则F s=F sm，多数火箭属于这种情况。

此时，发动机内的发射药才燃烧5％~10%，而全装发射药又不超过全弹质量的20%，故当p=p max时，全弹质量减轻不到2%，可忽略不计，则最大后坐力按下式计算：而最大后坐过载系数另一种是在主动段末出现最大值（p=p k）或p在整个主动段比较平坦，见图2-4曲线b 和曲线c，则最大后坐力按下式计算：式中p k——火箭弹在主动段结束时燃烧室压力（Pa ) ;m rk——火箭弹在主动段结束时的质量（kg）。

最大后坐过载系数以上是直喷管火箭弹的后坐力计算式，对于斜喷管的推力，只有沿轴向的分力使火箭弹产生直线加速度，见图2-3(b）。

其轴向推力F=F P cosγ。

导弹是由发动机设计部门给出推力曲线和弹重变化曲线，据此很容易计算出加速度曲线。

对使用液体推进剂的导弹，通常直接给出加速度曲线，更便于引信的设计计算。

后坐力是引信解除保险的重要环境力之一。

在引信设计中通常利用后坐力作为引信机构的原动力，并利用最大后坐力来考核引信零部件和元器件的强度，因此，K l是引信结构设计与汁算中的一个重要参数。

各种炮弹的K l值约为1000~128000；火箭弹的K l值约为数百；远程导弹的K l值只有十几至几十。