雙模式引信的製作方法

2023-05-03 06:12:01 4

專利名稱:雙模式引信的製作方法
本發明涉及一種用於引爆爆炸性炮彈的引信。尤其涉及一種包括能夠根據目標的堅固程度改變引爆延時時間的目標傳感部件的引信。
使用中等口徑的炮彈在地面攻擊航空器的目前最大的有效射程角在5°和15°的傾角之間時為1219到1524米(4000到5000英尺)。通常，地面攻擊航空器所使用的炮彈是穿甲燃燒式(API)炮彈，其效力取決於動能。API炮彈對堅固(裝甲板式)目標是有效的，而對柔軟的、無裝甲的危險目標其效力就會縮減，因為能量沒有分散在目標內。由於將飛行員和飛機暴露於小型輕武器和移動式防空飛彈，目前最大的有效射程使攻擊機處於危險狀態。
化學能炮彈產生有效的終端聚能藥柱或者爆炸性地成形碎片。雖然沒用於固定翼地面攻擊機，但是所述炮彈在2743至3658米(9000至12000英尺)的擴展射程內對裝甲目標的襲擊是有效的。因為將能量分散於危險目標表面的引信的近乎即時反應，化學能炮彈對柔軟目標的襲擊是無效的。
影響爆炸性炮彈襲擊目標的有效性的一個因素是在擊中目標之後的引爆延時。比如，當目標相對較軟時，如果在炮彈已經進入目標之後引爆，由爆炸、碎片以及目標內的燃燒效果造成的破壞會被加強。相反，在擊中目標表面時通過引爆炮彈，以產生由等離子流或爆炸性成形碎片造成的化學摧毀，堅固目標會被更加有效地摧毀。因此，爆炸性炮彈常常包括一個引信，該引信能夠根據炮彈最有效撞擊來延時引爆。
一個這樣的引信在Wateson等人申請的美國專利5,872,324專利中所公開。一模式引信組件包括一外套，其作為容納助推彈藥的容器，反過來，其準備了主彈頭的起爆。一堅固目標撞擊引信安置在引信組件的前端，如果目標擊中產生了彈頭的物理破碎，其提供了一機械的、即時的彈頭的引爆。安裝在外殼內的第二雷管提供了一信號可操作的定時延時器，該延時器用於穿透堅固目標。在所述彈頭的整體被保持時，這個定時器通過初始擊中和彈頭的連續減速而啟動。一第三雷管為引信提供了一種即時的、中空傳感的引爆能力。第三雷管的操作通過初始擊中開始啟動，並且延時雷管需要中斷所述的連續減速。一旦目標穿透開始，減速速率的任何變化都會由空心傳感器產生主彈頭的即時起爆。
專利號為5,872,324的美國專利在遇到難以穿透的目標時使用撞針引爆炸藥，並使用一個用于堅固目標而不是易於穿透目標的靈敏信號時間延遲器。在遇到軟目標的情況下，一個需要非常嚴格地粘附於小的製造公差機械裝置用於檢測減速度。機動撞針的成功啟動取決於軸向載荷來驅動撞針進入刺入式雷管。如果撞針外套接收到一個由於高傾角擊中的側向載荷，其能量可以粉碎所述撞針，或者產生一個不沿著中心線以產生充足的撞針位移的載荷，以穿透刺入式雷管。此外，擊中的可靠性、製造這些部件的難度、溫度以及發射載荷在操作中都可以產生不必要的變化。
由Min等人申請的美國專利5,255,608公開了一種智能堅固目標武器，其具有一在武器穿透期間目標堅實度實時測定裝置。由用作首位傳感器的加速度計所提供輸入信號。特定長度數據的在線並行處理促進了一些特徵提取的不同模式。所述處理器為使用傳感器信號(加速度計數據)的引信作出堅固的、實時的判定。所使用的特徵狀態包括(1)信號幅度剖面，(2)它們的偏差剖面，以及(3)，突然變化的測量。其目的在於，當高速的穿透器穿過諸如水泥、鋼、泥土、砂子等各種層時使其在合適點引爆。實時判定為使用加速度計數據的引信所提供。
美國專利4,799,427公開了一種用於炮彈，尤其是飛彈的點火裝置，作為撞擊延時的功能和炮彈飛行時間的功能，其中點火的時間是可控的。這就補償了構成目標的材料類型，比如堅固的或者柔軟的，並補償了炮彈在空中飛行的時間量，從而彌補了在穿透目標時減低了的炮彈速率。
由Yates等人申請的美國專利4,375,192公開了一種引信，在預先選擇的距離內穿透目標時或者在彈頭已經穿出預先選擇的許多洞後，該引信用來啟動引爆。另外，對於失誤或者搶救，所述模式以彈頭或跳彈的破碎為基礎。
在上述的專利中，不安全的或者昂貴的機動或者信號裝置用來啟動引爆，或者複雜的算法用來測定炮彈的穿透狀況。因此，需要一種易於生產並可靠的引信，其能在擊中堅固目標時或者在擊中柔軟目標時間延遲之後啟動引爆。這一引信應用到將用于堅固目標的化學能炮彈的終端效果與有效襲擊柔軟目標的延時反應結合起來的炮彈中。
因此，本發明的目的在於提供一種能夠即時或者在基於炮彈減速幅度的時間延遲之後引爆炮彈的可靠的引信。
本發明的特徵在於所述引信用於既可以擊中堅固目標也可以擊中柔軟目標的炮彈。本發明的另一特徵在於加速度計用來測定炮彈的減速度並將其幅度傳遞給引信邏輯電路，該邏輯電路決定是即時引爆炮彈還是在時間延遲之後引爆炮彈。
本發明的優點在於使用加速度計和固態邏輯電路來決定引爆，使所述引信與其它引信相比更加可靠並且還不昂貴。本發明的另一個優點在於炮彈的終端效果是最大化的。
根據本發明，其提供了一種用於炮彈的多模式引信，該炮彈具有至少一個在炮彈擊中目標時產生一個取決於減速速率的電輸出的傳感器，一個邏輯電路電連接到至少一個傳感器，以根據電輸出有效地在柔軟目標和堅固目標之間進行識別，以及一個向起爆炸藥發射引爆信號的引信，從而引爆炮彈。所述引爆信號根據目標識別的時間進行發射。
本發明的多模式引信可以應用於爆炸性炮彈，該炮彈包括一個流線形的金屬外套，一包含在金屬外套內的炸藥，以及同所述炸藥接觸的起爆炸藥。所述多模式引信同起爆炸藥聯繫，以在擊中堅固目標時或者在擊中柔軟目標時間延遲之後引爆炸藥。
上述的目的、特徵和優點結合下面的說明書和附圖中能夠變得更加明了。

圖1示出了具有一位於雙功能引信上的鼻端的本發明炮彈的部分橫截面。
圖2示出了具有一位於雙功能引信上的基座的本發明炮彈的橫截面。
圖3圖示了緊接著擊中柔軟目標或堅固目標之後的減速速率。
圖4為示出引信邏輯順序的應用的方框圖。
圖5圖示了壓電晶體的擊中加速度與電壓輸出之間的關係。
25mm到76mm中等口徑的炮彈用於大量的目前和將來的槍炮系統，其包括襲擊交通車輛、水陸兩用襲擊車輛、固定翼航空器、艦艇以及坦克。目標可以是柔軟目標，比如輕型裝甲車，包括私人車輛、卡車和飛機，地面輔助通訊站和雷達裝置。這些目標通常由用於航空器的0.039英寸(1mm)的鋁來支護或者由用於車輛和地面輔助設備的0.039至0.250英寸(1.0至6.4mm)的鋼來支護。其他目標為堅固目標，比如重型裝甲車、坦克和掩體。這些目標通常被0.5至1.5英寸(12.7至38.0mm)的壓實的均質裝甲(RHA)板支護，該裝甲板的堅固度範圍為300至360BHN(布氏硬度值)。
BHN為一與外加載荷和由球形壓頭所形成持久壓痕的表面積有關的數值，該數值可以由方程計算出BHN＝2P/πD((D-(D2-d2)1/2))其中P為外加載荷，kgf；D為球直徑，mm；d為壓痕的平均直徑，mm。
圖1示出了表現本發明的炮彈10的部分截面，該炮彈具有位於鼻端的雙功能引信。所述炮彈10具有一通常由鋼製成的金屬外套12，當外套12內的炸藥14被引爆時，該金屬殼成為碎片。這些碎片與成形電荷流或者如下所述的爆炸性成形碎片一起增強了危險目標內的終端效果。一種合適的炸藥14為塑性粘結炸藥(PBX)。
容納在炮彈10的鼻端部分內的是一軟目標傳感部件16，該傳感部件可以是一機動轉換器或壓電晶體。當炮彈10擊中相對較軟的非裝甲的目標時，比如擊中航空器或者地面輔助設備時，鼻端18的變形同與擊中堅固目標相比是小的。在一個實施例中，柔軟目標鼻端變形關閉了軟目標傳感部件16內的一個機動轉換器。這一轉換器啟動定時裝置，以在所述炮彈10完全處於目標內部之前延遲炮彈10的反應時間。一個合適的延遲時間為150至300微秒。
作為選擇的技術方案，柔軟目標傳感部件16包括一個具有與帶入炮彈鼻端18內的擊中衝擊波成比例的輸出的壓電晶體。由所述壓電晶體形成的信號波由包含在引信20內的邏輯電路進行分析，從而啟動目標內的反應延遲時間。
此外，柔軟目標傳感部件16內的壓電晶體可以用於下述的探測堅固目標。這一方法通過使用一個安裝在炮彈鼻端18內的傳感壓電晶體，簡化了炮彈的設計並增加了它的可靠性。
位於柔軟目標傳感部件16後部的是堅固目標傳感部件22。中等口徑炮彈就能有效抵抗的典型的裝甲或堅固危險目標，由厚度為12.7和38.1mm(0.5英寸和1.5英寸)、硬度在300到360BHN之間的壓實均質裝甲板所保護。較堅固目標的抵抗力增加了啟動堅固目標傳感部件的炮彈鼻端18的變形。堅固目標傳感部件22可以為機動轉換器或第二壓電晶體，當鼻端18的變形接觸到堅固目標傳感部件時，其向引信20的邏輯電路發送一個信號。作為可選擇的技術方案，如上所述，可以使用一個單壓電晶體，其產生一個不同於在軟目標擊中和引信邏輯識別兩者之間產生的波形。
一個用來測定加速度的合適的壓電晶體為一如Kinetic Ceramics公司所生產的壓電晶體部件，該壓電晶體部件具有一個與帶入炮彈鼻端18內的與撞擊衝擊波成比例的輸出。由壓電晶體部件產生的信號波形由引信邏輯電路分析，以即時引爆炮彈或者啟動時間延遲。
摧毀堅固的目標的有效方法就是使用由成形的帶電等離子流或由爆炸成形碎片形成的穿透流。成形的帶電襯套24由合適的襯套材料構成，比如銅、鉭或者鎢。在成形襯套24的凸起表面的後部是所述炸藥14。當被引爆時，炸藥產生使襯套破碎的衝擊波，其迫使由襯套材料形成的等離子流從炮彈10中向前排出。在成形帶電襯套和目標之間具有一凸起距離，在這一距離內，等離子流具有最大的衝量(是等離子流長度和等離子流速度的綜合)。在堅固目標的傳感部件22與成形帶電襯套24之間設置距離「d」，以使所述襯套在破碎時儘可能的接近距離目標的凸起距離。對成形帶電襯套的更加詳盡的描述可以在授權給Funston等人的美國專利6,393,991中發現。
如果堅固目標傳感部件22產生一個信號，所述引信邏輯電路則超越柔軟目標傳感部件24產生的延遲時間的剩餘時間，以確保成形帶電襯套在接近凸起距離內被毀壞。
炮彈10的附加部件包括一安全保護裝置26，以防止過早的引爆炮彈10以及引爆未擊中目標的炮彈10。在引信被觸發之前，炮彈10必須被安全地保護。在從發射噴嘴排出之後，炮彈10的保護裝置可以通過一個由電動定時器所補充的機械作用非直線的轉子的聯合體而獲得一安全距離。通常叫做後坐徑向力和通常被稱為旋轉載荷的預定大小的線性加速度必須很好地符合雙重環境安全和保護功能，以使密封在引信內的第一引信轉子與第二引信高能部件或助推器對齊。在機動安全保護條件滿足之後，保護距離通過在發射時起動的電子延時裝置所進一步擴大。在離開炮口近0.5秒的飛行時間之後，用於引信功能的電路被掐斷，以等待引爆信號。如果在炮彈到達目標所需的時間加上一些誤差幅度的時間之內沒有接收到信號，則炮彈不能引爆。
引爆炸藥28，例如RDX(三次甲基三硝基胺)(1，3，5-trinitro-1，3，5-triazacyclohexane)由通過引線30接收到的由引信20所發射的電信號所引爆。引爆引爆炸藥28所產生的衝擊波引爆炸藥14。
圖2示出了根據本發明的第二實施例所描述的炮彈40的橫截面，該實施例具有定位基座雙功能引信。這一炮彈的大量部件同上述炮彈10的部件相似，並且這些相似的部件由相同的附圖標記所標識。同引信20通信的通訊裝置為加速度計42，並最好位於引信20內。所述加速度計能夠識別炮彈減速的速率，並產生一同減速的速率成比例的電信號。加速度計42可以是一機械或壓電晶體裝置，但最好是微機械系統(MEMS)。
MEMS是機械部件、傳感器、致動器，和使用微組裝技術的涉及普通矽襯底的電子儀器的集成。當使用集成電路(IC)工藝程序(例如CMOS、Bipola或者NICMOS工藝)組裝所述的電子儀器時，所述的微機械部件通過使用相容的「微切削加工」工藝組裝，該工藝有選擇地腐蝕掉部分矽片或者增加新的結構層，以形成機械的和機電的裝置。MEMS加速度計通常更小、更多功能、更輕、更可靠，並且其售價只是常規大尺寸加速度計的一小部分。
當所述的MEMS加速度計同定位基座引信一起公開時，MEMS加速度計也同樣可以與鼻端裝藥引信儀器一起使用。
圖3以曲線示出了在擊中或者軟目標(參考線52)，或者堅固目標(參考線54)，或者未擊中(參考線50)之後的減速速率。炮彈的速度在一般的飛行過程中，由於諸如重力或曳力(速度平方的作用)變量的作用而相對平穩地加速。一旦飛行超過了第一極限時間(參考點56)，則炮彈準備起爆。如果飛行超過了第二極限時間(參考點58)而沒有突然減速，則確定目標未被擊中並且炮彈不會起爆。
當所述的炮彈擊中一柔軟目標，計算加速度改變、Δa、經過的時間間隔和Δt產生第一Δa的值。當所述炮彈擊中堅固目標時，Δa則很大。一個簡單的引信邏輯算法實施例可以按如下方式進行描述。
如果|Δa|≥x則y＝0；如果|Δa|＜x則y＝150毫秒。
其中a等於炮彈的加速度；x等於用於識別堅固目標和柔軟目標的預設的極限值。X必須超過一些最小值，以顯示出一個目標已經被擊中；並且y等於延遲時間。
考慮到最大的擊中速率為3000英尺每秒(914.4米每秒)，1毫秒的試用速率足夠在炮彈的傳感部件毀壞之前確保正確的邏輯函數。
引信的邏輯電路可以參考圖4被最好的理解。引信邏輯電路可以使用預編程序的微處理器，例如由KDI Precision Products，inc.ofCincinnati，OH生產的微處理器。所述的微處理器為由電能作為能源的固態設備，該電能由諸如由Miltec SA所製造的反相發電機(set backgenerator)所提供。所述電能存儲在設置在引信內的閾電平中的電容器中，以作出延時或即時反應的決定。具有儲電電容器的微處理器密封在模製多聚物內，用來抵抗加速度和旋轉載荷的影響。
加速度計42電連接到引信邏輯電路60。加速度計42能夠向引信邏輯電路60發射成比例信號62。引信邏輯電路60接收此成比例信號62，和量值64相比，並發射兩者其中之一的信號(1)如果信號62符合或超過量值64，發射即時引爆起爆炸藥28的信號66，或者(2)如果信號4降到量值64之下時，發射在時間延遲70之後的信號68。
中等口徑的炮彈使用撞擊傾角達到75度NATO能夠摧毀柔軟目標。在這些傾角內，加速度的軸向分量足夠用來起爆。然而對于堅固目標或較大傾角來說，如果軸向分量很小，三維傳感部件對確保其功能是有用的。
單壓電晶體來確定目標類型並將這一信息提供給引信邏輯電路的使用可以由下面的例子來說明。
示例由Kinetic Ceramics，of Hayward CA生產的速率靈敏度為0.37Mv/g壓電晶體被安裝於模擬炮彈中。其重量在炮彈的鼻端通過改變其高度而被降低，以模擬變化的重力撞擊的加速度。從1000g至10000g的撞擊加速度力用來模擬擊中柔軟目標，超過20000g的撞擊加速度力用來模擬擊中堅固目標。壓電晶體產生的電壓在這些所模擬的撞擊力之後被記錄下來。如圖5所示，目標類型從輸出電壓中可以輕易的確定出來。大約3伏特或者稍低的輸出電壓相應於柔軟目標，大約4伏特或者稍高的輸出電壓相應于堅固目標。在測量中存在約±17％的標準偏差。
很明顯，根據本發明提供了一完全滿足上文所公開的目的、特徵和優點的引信。然而根據本發明所公開的具體實施例，很明顯許多替換方案和修改和改變同樣可應用於本發明，並且這些替換方案、修改和變換同樣包含在隨後的權利要求
的保護範圍之內。
權利要求
1.一種用於炮彈(10，40)的多模式引信，其特徵在於至少一個在所述炮彈(10，40)擊中目標時根據減速速率產生電輸出(62)的傳感器(16，22，42)；一個電連接到所述至少一個傳感器(16，22，42)以根據所述電輸出(62)有效地在柔軟目標與堅固目標之間進行識別的邏輯電路(60)；一向起爆炸藥(28)發射引爆信號(66，68)以引爆所述炮彈(10，40)的引信(20)，所述的引爆信號(66，68)在按照目標識別的時間進行發射。
2.如權利要求
1所述的多模式引信(20)，其特徵在於所述的至少一個傳感器(16，22)為單壓電晶體，並且所述的電輸出(62)為取決於所述減速速率的電壓。
3.如權利要求
2所述的多模式引信(20)，其特徵在於如果所述的電壓小於3伏特，則所述的邏輯電路(60)確定柔軟目標被擊中。
4.如權利要求
1所述的多模式引信(20)，其特徵在於所述的至少一個傳感器(42)為一加速度計，並且所述的電輸出(62)為取決於所述減速速率的電壓。
5.如權利要求
4所述的多模式引信(20)，其特徵在於所述的加速度計為MEMS裝置。
6.如權利要求
1所述的多模式引信(20)，其特徵在於所述的至少一個傳感器(16，22)為兩個傳感器，柔軟目標傳感器(16)安裝在比堅固目標傳感器(22)離所述目標近的地方。
7.如權利要求
6所述的多模式引信(20)，其特徵在於所述的柔軟目標傳感器(16)和堅固目標傳感器(22)從由壓電晶體和機動轉換器組成的組中進行獨立選擇。
8.如權利要求
6所述的多模式引信(20)，其特徵在於所述的柔軟目標傳感器(16)在目標被擊中時起動，向所述的邏輯電路(60)發送第一電信號，並且所述的堅固目標傳感器(22)僅在堅固目標被擊中時向所述的邏輯電路(60)發送第二電信號。
9.如權利要求
8所述的多模式引信(20)，其特徵在於所述的邏輯電路(60)是程序化的，以使所述的第二電信號超越所述的第一電信號。
10.一種爆炸性炮彈(10，40)，其特徵在於一個流線形的金屬外套(12)；一包含在所述金屬外套(12)內的炸藥(14)；同所述炸藥(14)接觸的起爆炸藥(28)；一同所述起爆炸藥(28)聯繫的多模式引信(20)，以在擊中堅固目標時或者在緊接擊中柔軟目標的時間延遲之後有效地引爆所述炸藥(14)。
11.如權利要求
10所述的爆炸性炮彈(10)，其特徵在於所述的多模式引信(20)安裝在所述炸藥(14)的前部。
12.如權利要求
10所述的爆炸性炮彈(40)，其特徵在於所述的多模式引信(20)安裝在所述炸藥(14)的後部。
13.如權利要求
10所述的爆炸性炮彈(10，40)，其特徵在於所述的多模式引信(20)包括在目標被擊中時向邏輯電路(60)發送第一電信號的柔軟目標傳感器(16)，以及僅在堅固目標被擊中時向所述的邏輯電路(60)發送第二電信號的堅固目標傳感器(22)，其中所述的柔軟目標傳感器(16)安裝在比所述堅固目標傳感器(22)離所述目標近的地方，所述邏輯電路(60)電連接到所述至少一個傳感器(16，22，42)以根據所述電輸出(62)有效地在柔軟目標與堅固目標之間進行識別，以及引信(20)向所述的起爆炸藥(28)發送引爆信號從而引爆所述的炸藥(14)。
14.如權利要求
13所述的爆炸性炮彈(10，40)，其特徵在於所述的柔軟目標傳感器(16)和堅固目標傳感器(22)從由壓電晶體和機動轉換器組成的組中進行獨立選擇。
15.如權利要求
14所述的爆炸性炮彈(10，40)，其特徵在於所述的邏輯電路(60)是程序化的，以使所述的第二電信號超越所述的第一電信號。
16.如權利要求
10所述的爆炸性炮彈(10，40)，其特徵在於所述的多模式引信(20)包括一個壓電晶體，該壓電晶體在柔軟目標被擊中時具有第一輸出，在堅固目標被擊中時具有第二輸出，邏輯電路(60)電連接到所述的壓電晶體，以根據所述的電輸出(62)有效地在柔軟目標和堅固目標之間進行識別，以及引信(20)向所述的起爆炸藥(28)發送起爆信號從而引爆所述炸藥(14)。
17.如權利要求
10所述的爆炸性炮彈(10，40)，其特徵在於所述的多模式引信(20)包括一個MEMS加速度計(42)，該MEMS加速度計(42)在柔軟目標被擊中時具有第一輸出，在堅固目標被擊中時具有第二輸出，邏輯電路(60)電連接到所述的MEMS加速度計(42)上，以根據所述的電輸出(62)有效地在柔軟目標和堅固目標之間進行識別，以及引信(20)向所述的起爆炸藥(28)發送起爆信號從而引爆所述炸藥(14)。
18.如權利要求
10所述的爆炸性炮彈(10，40)，其特徵在於一成形的帶電襯套(24，15)安裝在所述爆炸性炮彈(10，40)的鼻端(18)與所述炸藥(14)之間。
19.如權利要求
18所述的爆炸性炮彈(10，40)，其特徵在於在所述的鼻端(18)與所述的成形帶電襯套(24)之間的距離d大約等於所述的成形襯套(24)的凸起距離。
20.如權利要求
18所述的爆炸性炮彈(10，40)，其特徵在於所述的成形帶電襯套(24，15)設置在所述的堅固目標傳感器(22)與所述的炸藥(14)之間。
21.如權利要求
20所述的爆炸性炮彈(10)，其特徵在於在所述的堅固目標傳感器(22)與所述的成形帶電襯套(24)之間的距離d大約等於所述的成形襯套(24)的凸起距離。
專利摘要
一種用於炮彈(10，40)的多模式引信(20)具有至少一個傳感器(16，22，42)，在炮彈(10，40)擊中目標時，該傳感器產生一取決於減速速率的電輸出(62)，一個電連接到所述至少一個傳感器(16，22，42)以根據所述電輸出(62)有效地在柔軟目標與堅固目標之間進行識別的邏輯電路(60)，以及一向起爆炸藥(28)發射引爆信號(66，68)以引爆所述炮彈(10，40)的引信(20)。所述的引爆信號在取決於目標識別的時間進行發射。本發明的多模式引信(20)可以應用於爆炸性炮彈(10，40)，該炮彈包括一個流線形的金屬外套(12)，一包含在金屬外套內(12)的炸藥(14)，以及同所述炸藥(14)接觸的起爆炸藥(28)。所述多模式引信(20)同起爆炸藥(28)聯繫，以在擊中堅固目標時或者在擊中柔軟目標時間延遲之後引爆炸藥(14)。
文檔編號F42C7/00GKCN1605014SQ02825019
公開日2005年4月6日 申請日期2002年12月11日
發明者弗蘭克·M·博恩 申請人:通用動力軍火及戰術系統公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan