CN1605014A - 双模式引信 - Google Patents

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CN1605014A CNA028250192A CN02825019A CN1605014A CN 1605014 A CN1605014 A CN 1605014A CN A028250192 A CNA028250192 A CN A028250192A CN 02825019 A CN02825019 A CN 02825019A CN 1605014 A CN1605014 A CN 1605014A
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Abstract

一种用于炮弹(10，40)的多模式引信(20)具有至少一个传感器(16，22，42)，在炮弹(10，40)击中目标时，该传感器产生一取决于减速速率的电输出(62)，一个电连接到所述至少一个传感器(16，22，42)以根据所述电输出(62)有效地在柔软目标与坚固目标之间进行识别的逻辑电路(60)，以及一向起爆炸药(28)发射引爆信号(66，68)以引爆所述炮弹(10，40)的引信(20)。所述的引爆信号在取决于目标识别的时间进行发射。本发明的多模式引信(20)可以应用于爆炸性炮弹(10，40)，该炮弹包括一个流线形的金属外套(12)，一包含在金属外套内(12)的炸药(14)，以及同所述炸药(14)接触的起爆炸药(28)。所述多模式引信(20)同起爆炸药(28)联系，以在击中坚固目标时或者在击中柔软目标时间延迟之后引爆炸药(14)。

Description

双模式引信
本发明涉及一种用于引爆爆炸性炮弹的引信。尤其涉及一种包括能够根据目标的坚固程度改变引爆延时时间的目标传感部件的引信。
使用中等口径的炮弹在地面攻击航空器的目前最大的有效射程角在5°和15°的倾角之间时为1219到1524米(4000到5000英尺)。通常，地面攻击航空器所使用的炮弹是穿甲燃烧式(API)炮弹，其效力取决于动能。API炮弹对坚固(装甲板式)目标是有效的，而对柔软的、无装甲的危险目标其效力就会缩减，因为能量没有分散在目标内。由于将飞行员和飞机暴露于小型轻武器和移动式防空导弹，目前最大的有效射程使攻击机处于危险状态。
化学能炮弹产生有效的终端聚能药柱或者爆炸性地成形碎片。虽然没用于固定翼地面攻击机，但是所述炮弹在2743至3658米(9000至12000英尺)的扩展射程内对装甲目标的袭击是有效的。因为将能量分散于危险目标表面的引信的近乎即时反应，化学能炮弹对柔软目标的袭击是无效的。
影响爆炸性炮弹袭击目标的有效性的一个因素是在击中目标之后的引爆延时。比如，当目标相对较软时，如果在炮弹已经进入目标之后引爆，由爆炸、碎片以及目标内的燃烧效果造成的破坏会被加强。相反，在击中目标表面时通过引爆炮弹，以产生由等离子流或爆炸性成形碎片造成的化学摧毁，坚固目标会被更加有效地摧毁。因此，爆炸性炮弹常常包括一个引信，该引信能够根据炮弹最有效撞击来延时引爆。
一个这样的引信在Wateson等人申请的美国专利5,872,324专利中所公开。一模式引信组件包括一外套，其作为容纳助推弹药的容器，反过来，其准备了主弹头的起爆。一坚固目标撞击引信安置在引信组件的前端，如果目标击中产生了弹头的物理破碎，其提供了一机械的、即时的弹头的引爆。安装在外壳内的第二雷管提供了一信号可操作的定时延时器，该延时器用于穿透坚固目标。在所述弹头的整体被保持时，这个定时器通过初始击中和弹头的连续减速而启动。一第三雷管为引信提供了一种即时的、中空传感的引爆能力。第三雷管的操作通过初始击中开始启动，并且延时雷管需要中断所述的连续减速。一旦目标穿透开始，减速速率的任何变化都会由空心传感器产生主弹头的即时起爆。
专利号为5,872,324的美国专利在遇到难以穿透的目标时使用撞针引爆炸药，并使用一个用于坚固目标而不是易于穿透目标的灵敏信号时间延迟器。在遇到软目标的情况下，一个需要非常严格地粘附于小的制造公差机械装置用于检测减速度。机动撞针的成功启动取决于轴向载荷来驱动撞针进入刺入式雷管。如果撞针外套接收到一个由于高倾角击中的侧向载荷，其能量可以粉碎所述撞针，或者产生一个不沿着中心线以产生充足的撞针位移的载荷，以穿透刺入式雷管。此外，击中的可靠性、制造这些部件的难度、温度以及发射载荷在操作中都可以产生不必要的变化。
由Min等人申请的美国专利5,255,608公开了一种智能坚固目标武器，其具有一在武器穿透期间目标坚实度实时测定装置。由用作首位传感器的加速度计所提供输入信号。特定长度数据的在线并行处理促进了一些特征提取的不同模式。所述处理器为使用传感器信号(加速度计数据)的引信作出坚固的、实时的判定。所使用的特征状态包括(1)信号幅度剖面，(2)它们的偏差剖面，以及(3)，突然变化的测量。其目的在于，当高速的穿透器穿过诸如水泥、钢、泥土、砂子等各种层时使其在合适点引爆。实时判定为使用加速度计数据的引信所提供。
美国专利4,799,427公开了一种用于炮弹，尤其是导弹的点火装置，作为撞击延时的功能和炮弹飞行时间的功能，其中点火的时间是可控的。这就补偿了构成目标的材料类型，比如坚固的或者柔软的，并补偿了炮弹在空中飞行的时间量，从而弥补了在穿透目标时减低了的炮弹速率。
由Yates等人申请的美国专利4,375,192公开了一种引信，在预先选择的距离内穿透目标时或者在弹头已经穿出预先选择的许多洞后，该引信用来启动引爆。另外，对于失误或者抢救，所述模式以弹头或跳弹的破碎为基础。
在上述的专利中，不安全的或者昂贵的机动或者信号装置用来启动引爆，或者复杂的算法用来测定炮弹的穿透状况。因此，需要一种易于生产并可靠的引信，其能在击中坚固目标时或者在击中柔软目标时间延迟之后启动引爆。这一引信应用到将用于坚固目标的化学能炮弹的终端效果与有效袭击柔软目标的延时反应结合起来的炮弹中。
因此，本发明的目的在于提供一种能够即时或者在基于炮弹减速幅度的时间延迟之后引爆炮弹的可靠的引信。
本发明的特征在于所述引信用于既可以击中坚固目标也可以击中柔软目标的炮弹。本发明的另一特征在于加速度计用来测定炮弹的减速度并将其幅度传递给引信逻辑电路，该逻辑电路决定是即时引爆炮弹还是在时间延迟之后引爆炮弹。
本发明的优点在于使用加速度计和固态逻辑电路来决定引爆，使所述引信与其它引信相比更加可靠并且还不昂贵。本发明的另一个优点在于炮弹的终端效果是最大化的。
根据本发明，其提供了一种用于炮弹的多模式引信，该炮弹具有至少一个在炮弹击中目标时产生一个取决于减速速率的电输出的传感器，一个逻辑电路电连接到至少一个传感器，以根据电输出有效地在柔软目标和坚固目标之间进行识别，以及一个向起爆炸药发射引爆信号的引信，从而引爆炮弹。所述引爆信号根据目标识别的时间进行发射。
本发明的多模式引信可以应用于爆炸性炮弹，该炮弹包括一个流线形的金属外套，一包含在金属外套内的炸药，以及同所述炸药接触的起爆炸药。所述多模式引信同起爆炸药联系，以在击中坚固目标时或者在击中柔软目标时间延迟之后引爆炸药。
上述的目的、特征和优点结合下面的说明书和附图中能够变得更加明了。
图1示出了具有一位于双功能引信上的鼻端的本发明炮弹的部分横截面。
图2示出了具有一位于双功能引信上的基座的本发明炮弹的横截面。
图3图示了紧接着击中柔软目标或坚固目标之后的减速速率。
图4为示出引信逻辑顺序的应用的方框图。
图5图示了压电晶体的击中加速度与电压输出之间的关系。
25mm到76mm中等口径的炮弹用于大量的目前和将来的枪炮系统，其包括袭击交通车辆、水陆两用袭击车辆、固定翼航空器、舰艇以及坦克。目标可以是柔软目标，比如轻型装甲车，包括私人车辆、卡车和飞机，地面辅助通讯站和雷达装置。这些目标通常由用于航空器的0.039英寸(1mm)的铝来支护或者由用于车辆和地面辅助设备的0.039至0.250英寸(1.0至6.4mm)的钢来支护。其他目标为坚固目标，比如重型装甲车、坦克和掩体。这些目标通常被0.5至1.5英寸(12.7至38.0mm)的压实的均质装甲(RHA)板支护，该装甲板的坚固度范围为300至360BHN(布氏硬度值)。
BHN为一与外加载荷和由球形压头所形成持久压痕的表面积有关的数值，该数值可以由方程计算出：
                 BHN＝2P/πD((D-(D2-d2)1/2))
其中P为外加载荷，kgf；D为球直径，mm；d为压痕的平均直径，mm。
图1示出了表现本发明的炮弹10的部分截面，该炮弹具有位于鼻端的双功能引信。所述炮弹10具有一通常由钢制成的金属外套12，当外套12内的炸药14被引爆时，该金属壳成为碎片。这些碎片与成形电荷流或者如下所述的爆炸性成形碎片一起增强了危险目标内的终端效果。一种合适的炸药14为塑性粘结炸药(PBX)。
容纳在炮弹10的鼻端部分内的是一软目标传感部件16，该传感部件可以是一机动转换器或压电晶体。当炮弹10击中相对较软的非装甲的目标时，比如击中航空器或者地面辅助设备时，鼻端18的变形同与击中坚固目标相比是小的。在一个实施例中，柔软目标鼻端变形关闭了软目标传感部件16内的一个机动转换器。这一转换器启动定时装置，以在所述炮弹10完全处于目标内部之前延迟炮弹10的反应时间。一个合适的延迟时间为150至300微秒。
作为选择的技术方案，柔软目标传感部件16包括一个具有与带入炮弹鼻端18内的击中冲击波成比例的输出的压电晶体。由所述压电晶体形成的信号波由包含在引信20内的逻辑电路进行分析，从而启动目标内的反应延迟时间。
此外，柔软目标传感部件16内的压电晶体可以用于下述的探测坚固目标。这一方法通过使用一个安装在炮弹鼻端18内的传感压电晶体，简化了炮弹的设计并增加了它的可靠性。
位于柔软目标传感部件16后部的是坚固目标传感部件22。中等口径炮弹就能有效抵抗的典型的装甲或坚固危险目标，由厚度为12.7和38.1mm(0.5英寸和1.5英寸)、硬度在300到360BHN之间的压实均质装甲板所保护。较坚固目标的抵抗力增加了启动坚固目标传感部件的炮弹鼻端18的变形。坚固目标传感部件22可以为机动转换器或第二压电晶体，当鼻端18的变形接触到坚固目标传感部件时，其向引信20的逻辑电路发送一个信号。作为可选择的技术方案，如上所述，可以使用一个单压电晶体，其产生一个不同于在软目标击中和引信逻辑识别两者之间产生的波形。
一个用来测定加速度的合适的压电晶体为一如Kinetic Ceramics公司所生产的压电晶体部件，该压电晶体部件具有一个与带入炮弹鼻端18内的与撞击冲击波成比例的输出。由压电晶体部件产生的信号波形由引信逻辑电路分析，以即时引爆炮弹或者启动时间延迟。
摧毁坚固的目标的有效方法就是使用由成形的带电等离子流或由爆炸成形碎片形成的穿透流。成形的带电衬套24由合适的衬套材料构成，比如铜、钽或者钨。在成形衬套24的凸起表面的后部是所述炸药14。当被引爆时，炸药产生使衬套破碎的冲击波，其迫使由衬套材料形成的等离子流从炮弹10中向前排出。在成形带电衬套和目标之间具有一凸起距离，在这一距离内，等离子流具有最大的冲量(是等离子流长度和等离子流速度的综合)。在坚固目标的传感部件22与成形带电衬套24之间设置距离“d”，以使所述衬套在破碎时尽可能的接近距离目标的凸起距离。对成形带电衬套的更加详尽的描述可以在授权给Funston等人的美国专利6,393,991中发现。
如果坚固目标传感部件22产生一个信号，所述引信逻辑电路则超越柔软目标传感部件24产生的延迟时间的剩余时间，以确保成形带电衬套在接近凸起距离内被毁坏。
炮弹10的附加部件包括一安全保护装置26，以防止过早的引爆炮弹10以及引爆未击中目标的炮弹10。在引信被触发之前，炮弹10必须被安全地保护。在从发射喷嘴排出之后，炮弹10的保护装置可以通过一个由电动定时器所补充的机械作用非直线的转子的联合体而获得一安全距离。通常叫做后坐径向力和通常被称为旋转载荷的预定大小的线性加速度必须很好地符合双重环境安全和保护功能，以使密封在引信内的第一引信转子与第二引信高能部件或助推器对齐。在机动安全保护条件满足之后，保护距离通过在发射时起动的电子延时装置所进一步扩大。在离开炮口近0.5秒的飞行时间之后，用于引信功能的电路被掐断，以等待引爆信号。如果在炮弹到达目标所需的时间加上一些误差幅度的时间之内没有接收到信号，则炮弹不能引爆。
引爆炸药28，例如RDX(三次甲基三硝基胺)(1，3，5-trinitro-1，3，5-triazacyclohexane)由通过引线30接收到的由引信20所发射的电信号所引爆。引爆引爆炸药28所产生的冲击波引爆炸药14。
图2示出了根据本发明的第二实施例所描述的炮弹40的横截面，该实施例具有定位基座双功能引信。这一炮弹的大量部件同上述炮弹10的部件相似，并且这些相似的部件由相同的附图标记所标识。同引信20通信的通讯装置为加速度计42，并最好位于引信20内。所述加速度计能够识别炮弹减速的速率，并产生一同减速的速率成比例的电信号。加速度计42可以是一机械或压电晶体装置，但最好是微机械系统(MEMS)。
MEMS是机械部件、传感器、致动器，和使用微组装技术的涉及普通硅衬底的电子仪器的集成。当使用集成电路(IC)工艺程序(例如CMOS、Bipola或者NICMOS工艺)组装所述的电子仪器时，所述的微机械部件通过使用相容的“微切削加工”工艺组装，该工艺有选择地腐蚀掉部分硅片或者增加新的结构层，以形成机械的和机电的装置。MEMS加速度计通常更小、更多功能、更轻、更可靠，并且其售价只是常规大尺寸加速度计的一小部分。
当所述的MEMS加速度计同定位基座引信一起公开时，MEMS加速度计也同样可以与鼻端装药引信仪器一起使用。
图3以曲线示出了在击中或者软目标(参考线52)，或者坚固目标(参考线54)，或者未击中(参考线50)之后的减速速率。炮弹的速度在一般的飞行过程中，由于诸如重力或曳力(速度平方的作用)变量的作用而相对平稳地加速。一旦飞行超过了第一极限时间(参考点56)，则炮弹准备起爆。如果飞行超过了第二极限时间(参考点58)而没有突然减速，则确定目标未被击中并且炮弹不会起爆。
当所述的炮弹击中一柔软目标，计算加速度改变、Δa、经过的时间间隔和Δt产生第一Δa的值。当所述炮弹击中坚固目标时，Δa则很大。一个简单的引信逻辑算法实施例可以按如下方式进行描述。
如果|Δa|≥x则y＝0；
如果|Δa|＜x则y＝150毫秒。
其中a等于炮弹的加速度；
x等于用于识别坚固目标和柔软目标的预设的极限值。X必须超过一些最小值，以显示出一个目标已经被击中；并且
y等于延迟时间。
考虑到最大的击中速率为3000英尺每秒(914.4米每秒)，1毫秒的试用速率足够在炮弹的传感部件毁坏之前确保正确的逻辑函数。
引信的逻辑电路可以参考图4被最好的理解。引信逻辑电路可以使用预编程序的微处理器，例如由KDI Precision Products，inc.ofCincinnati，OH生产的微处理器。所述的微处理器为由电能作为能源的固态设备，该电能由诸如由Miltec SA所制造的反相发电机(set backgenerator)所提供。所述电能存储在设置在引信内的阈电平中的电容器中，以作出延时或即时反应的决定。具有储电电容器的微处理器密封在模制多聚物内，用来抵抗加速度和旋转载荷的影响。
加速度计42电连接到引信逻辑电路60。加速度计42能够向引信逻辑电路60发射成比例信号62。引信逻辑电路60接收此成比例信号62，和量值64相比，并发射两者其中之一的信号：(1)如果信号62符合或超过量值64，发射即时引爆起爆炸药28的信号66，或者(2)如果信号4降到量值64之下时，发射在时间延迟70之后的信号68。
中等口径的炮弹使用撞击倾角达到75度NATO能够摧毁柔软目标。在这些倾角内，加速度的轴向分量足够用来起爆。然而对于坚固目标或较大倾角来说，如果轴向分量很小，三维传感部件对确保其功能是有用的。
单压电晶体来确定目标类型并将这一信息提供给引信逻辑电路的使用可以由下面的例子来说明。
                          示例
由Kinetic Ceramics，of Hayward CA生产的速率灵敏度为0.37Mv/g压电晶体被安装于模拟炮弹中。其重量在炮弹的鼻端通过改变其高度而被降低，以模拟变化的重力撞击的加速度。从1000g至10000g的撞击加速度力用来模拟击中柔软目标，超过20000g的撞击加速度力用来模拟击中坚固目标。压电晶体产生的电压在这些所模拟的撞击力之后被记录下来。如图5所示，目标类型从输出电压中可以轻易的确定出来。大约3伏特或者稍低的输出电压相应于柔软目标，大约4伏特或者稍高的输出电压相应于坚固目标。在测量中存在约±17％的标准偏差。
很明显，根据本发明提供了一完全满足上文所公开的目的、特征和优点的引信。然而根据本发明所公开的具体实施例，很明显许多替换方案和修改和改变同样可应用于本发明，并且这些替换方案、修改和变换同样包含在随后的权利要求的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种用于炮弹(10，40)的多模式引信，其特征在于：
至少一个在所述炮弹(10，40)击中目标时根据减速速率产生电输出(62)的传感器(16，22，42)；
一个电连接到所述至少一个传感器(16，22，42)以根据所述电输出(62)有效地在柔软目标与坚固目标之间进行识别的逻辑电路(60)；
一向起爆炸药(28)发射引爆信号(66，68)以引爆所述炮弹(10，40)的引信(20)，所述的引爆信号(66，68)在按照目标识别的时间进行发射。
2.如权利要求1所述的多模式引信(20)，其特征在于：所述的至少一个传感器(16，22)为单压电晶体，并且所述的电输出(62)为取决于所述减速速率的电压。
3.如权利要求2所述的多模式引信(20)，其特征在于：如果所述的电压小于3伏特，则所述的逻辑电路(60)确定柔软目标被击中。
4.如权利要求1所述的多模式引信(20)，其特征在于：所述的至少一个传感器(42)为一加速度计，并且所述的电输出(62)为取决于所述减速速率的电压。
5.如权利要求4所述的多模式引信(20)，其特征在于：所述的加速度计为MEMS装置。
6.如权利要求1所述的多模式引信(20)，其特征在于：所述的至少一个传感器(16，22)为两个传感器，柔软目标传感器(16)安装在比坚固目标传感器(22)离所述目标近的地方。
7.如权利要求6所述的多模式引信(20)，其特征在于：所述的柔软目标传感器(16)和坚固目标传感器(22)从由压电晶体和机动转换器组成的组中进行独立选择。
8.如权利要求6所述的多模式引信(20)，其特征在于：所述的柔软目标传感器(16)在目标被击中时起动，向所述的逻辑电路(60)发送第一电信号，并且所述的坚固目标传感器(22)仅在坚固目标被击中时向所述的逻辑电路(60)发送第二电信号。
9.如权利要求8所述的多模式引信(20)，其特征在于：所述的逻辑电路(60)是程序化的，以使所述的第二电信号超越所述的第一电信号。
10.一种爆炸性炮弹(10，40)，其特征在于：
一个流线形的金属外套(12)；
一包含在所述金属外套(12)内的炸药(14)；
同所述炸药(14)接触的起爆炸药(28)；
一同所述起爆炸药(28)联系的多模式引信(20)，以在击中坚固目标时或者在紧接击中柔软目标的时间延迟之后有效地引爆所述炸药(14)。
11.如权利要求10所述的爆炸性炮弹(10)，其特征在于：所述的多模式引信(20)安装在所述炸药(14)的前部。
12.如权利要求10所述的爆炸性炮弹(40)，其特征在于：所述的多模式引信(20)安装在所述炸药(14)的后部。
13.如权利要求10所述的爆炸性炮弹(10，40)，其特征在于：所述的多模式引信(20)包括在目标被击中时向逻辑电路(60)发送第一电信号的柔软目标传感器(16)，以及仅在坚固目标被击中时向所述的逻辑电路(60)发送第二电信号的坚固目标传感器(22)，其中所述的柔软目标传感器(16)安装在比所述坚固目标传感器(22)离所述目标近的地方，所述逻辑电路(60)电连接到所述至少一个传感器(16，22，42)以根据所述电输出(62)有效地在柔软目标与坚固目标之间进行识别，以及引信(20)向所述的起爆炸药(28)发送引爆信号从而引爆所述的炸药(14)。
14.如权利要求13所述的爆炸性炮弹(10，40)，其特征在于：所述的柔软目标传感器(16)和坚固目标传感器(22)从由压电晶体和机动转换器组成的组中进行独立选择。
15.如权利要求14所述的爆炸性炮弹(10，40)，其特征在于：所述的逻辑电路(60)是程序化的，以使所述的第二电信号超越所述的第一电信号。
16.如权利要求10所述的爆炸性炮弹(10，40)，其特征在于：所述的多模式引信(20)包括一个压电晶体，该压电晶体在柔软目标被击中时具有第一输出，在坚固目标被击中时具有第二输出，逻辑电路(60)电连接到所述的压电晶体，以根据所述的电输出(62)有效地在柔软目标和坚固目标之间进行识别，以及引信(20)向所述的起爆炸药(28)发送起爆信号从而引爆所述炸药(14)。
17.如权利要求10所述的爆炸性炮弹(10，40)，其特征在于：所述的多模式引信(20)包括一个MEMS加速度计(42)，该MEMS加速度计(42)在柔软目标被击中时具有第一输出，在坚固目标被击中时具有第二输出，逻辑电路(60)电连接到所述的MEMS加速度计(42)上，以根据所述的电输出(62)有效地在柔软目标和坚固目标之间进行识别，以及引信(20)向所述的起爆炸药(28)发送起爆信号从而引爆所述炸药(14)。
18.如权利要求10所述的爆炸性炮弹(10，40)，其特征在于：一成形的带电衬套(24，15)安装在所述爆炸性炮弹(10，40)的鼻端(18)与所述炸药(14)之间。
19.如权利要求18所述的爆炸性炮弹(10，40)，其特征在于：在所述的鼻端(18)与所述的成形带电衬套(24)之间的距离d大约等于所述的成形衬套(24)的凸起距离。
20.如权利要求18所述的爆炸性炮弹(10，40)，其特征在于：所述的成形带电衬套(24，15)设置在所述的坚固目标传感器(22)与所述的炸药(14)之间。
21.如权利要求20所述的爆炸性炮弹(10)，其特征在于：在所述的坚固目标传感器(22)与所述的成形带电衬套(24)之间的距离d大约等于所述的成形衬套(24)的凸起距离。
CNA028250192A 2001-12-14 2002-12-11 双模式引信 Pending CN1605014A (zh)

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