加速度开关：硬目标侵彻高g值惯性控制

侵彻引信通常是通过采用感知加速度传感器输出的过载信号来识别弹体侵彻状态，进而计算和判断出靶炸点。传感器模拟信号调理电路通常由电荷放大模块、电压放大模块、滤波电路模块、A/D转换模块等部分组成。在实际应用中，由于环境中不可避免地存在一些干扰因素（如人体静电、周围环境的电磁场，以及弹药发射过程中的不确定性碰撞等），它们都有可能引起诸多处理模块受到干扰，使传感器信号的变化超过阈值，从而造成误判。同时，我国研发应用于侵彻环境下超高过载加速度传感器的技术水平仍未完全满足应用标准。

惯性开关通常由弹簧振子模型构成。平时由于弹簧抗力的作用，钢球振子与开关芯极隔开，开关处于断开状态。当整个惯性开关受到惯性力作用时，质量钢球克服弹簧的抗力向前运动，当钢球运动一定距离后与芯极接触，开关闭合。当惯性力消失或减小到一定值时，弹簧推动钢球向相反方向运动，钢球与芯极接触断开。惯性开关作为一种机械式运动开关，其闭合信号产生的电平信号完全是数字信号，抗干扰能力强，且制作工艺简单，具有实用性。因此，惯性开关在侵彻武器中作为冗余炸点控制的应用是十分重要的。

6.3.3.1　惯性开关结构

加速度开关又称g开关，是感受弹体运动过程中加速度信号并完成相关运动的一类惯性器件，是引信系统中常用的一种重要部件，通常主要用于控制引信爆炸序列中第一级电火工品电路的状态，国内外这方面的应用已比较成熟，而惯性开关在侵彻武器中对于炸点的自适应控制应用方面还没有报道。

图6.19　惯性开关结构和电信号连接示意

如图6.19所示，侵彻引信惯性开关由芯极、绝缘座、弹簧、钢球和外壳组成，其中芯极、弹簧、钢球和外壳为导电体。开关芯极经上拉电阻R1作用连接到控制单元。平时由于弹簧抗力的作用，钢球与开关芯极隔开，开关处于断开状态，芯极电平保持为高电平。当整个惯性开关受到向右的惯性力作用时，钢球克服弹簧的抗力向左运动，钢球运动一定距离后与芯极接触，开关闭合，芯极电压输出为低电平信号。当惯性力消失或减小到一定值时，弹簧推动钢球向右运动，钢球与芯极接触断开，芯极输出高电平信号。

在设计惯性开关时，可将一个劲度系数为k的轻质弹簧一端固定，另一端与质量为m的质量块相连，组成弹簧振子模型（图6.20），用此模型进行分析。该模型建模分析较为成熟，不再赘述。

图6.20　弹簧振子系统

此惯性开关闭合信号产生的是电平信号的改变，完全是数字信号，抗干扰能力强，且制作工艺简单，具有实用性。因此，开展惯性开关在侵彻武器中作为炸点冗余控制的应用是十分重要的工作。

6.3.3.2　惯性开关试验与结果分析

（1）惯性开关试验

根据图6.19的结构，设计了闭合阈值为2 500 g的惯性开关，并设计了基于加速度传感器的信号采集存储测试电路系统，分别进行了单层厚混凝土靶标和三层薄混凝土靶标实弹试验。图6.21所示为惯性开关实物，图6.19所示为惯性开关结构和电信号连接方式，开关芯极与开关外壳分别为电路的正、负极，在静态条件下开关处于开路状态，电路中A点电压在上拉电阻R1作用下，为高电平信号。测试电路板上安装了两个惯性开关，垂直焊接在电路板上，沿弹体轴向安装。图6.22所示为试验现场目标靶布局。

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图6.21　惯性开关

图6.22　试验现场

（a）单层厚靶标；（b）三层靶标

（2）惯性开关试验及结果分析

信号采集过程中以传感器加速度信号为触发信号，采用负延迟触发方式，采集到了整个侵彻过程中的加速度信号和开关闭合状态信号。在侵彻过程中，由于弹体本身的振动，钢球压缩到最大位移位置后，钢球与惯性开关芯极的接触并不是完全紧固式接触，钢球仍然存在振动，与开关芯极接触的电信号是间断性的。但这种间断性可以通过使用惯性开关信号的处理器软件程序来解决。

图6.23所示为弹体在侵彻单层厚靶和多层薄靶板过程中的加速度信号及对应的两路惯性开关的信号。根据图6.23（a）侵彻单层厚混凝土靶过程中加速度信号可知，弹体在靶内侵彻时间历程为9.8ms，而两路惯性开关闭合振动持续时间为9.1ms和8.9ms；相对于加速度传感器信号，一路开关信号在弹体碰靶时延迟0.6ms，在弹体出靶过程中平均提前0.15ms，根据弹体出靶速度200m/s，弹体出靶起爆点距离误差为0.03m，能够满足起爆点精度的要求（表6.2）。

图6.23　侵彻过程中两个惯性开关信号

（a）侵彻单层厚靶试验数据；（b）侵彻三层薄靶试验数据

表6.2　单层厚靶试验惯性开关与加速度传感器信号比较　　ms

图6.23（b）所示为动能弹侵彻多层混凝土靶板信号，惯性开关在三层靶板的入靶时刻判断平均延迟0.4ms，出靶判断平均提前0.18ms，同样能够满足目标层数的识别和炸点控制精度的要求（表6.3）。

表6.3　三层薄靶试验惯性开关与加速度传感器信号比较　　ms