鱼雷引信全电子安全系统保险与解除保险逻辑设计

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2023年12月31日发(作者：)

鱼雷引信全电子安全系统保险与解除保险逻辑设计

甘雨

【摘 要】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.%基于解除保险环境激励的特性和识别方式,选择鱼雷初始弹道水压信息、安全距离信息和目标信息作为解除保险环境激励,设计了一种能够切合鱼雷弹道特性的保险与解除保险逻辑,既实现了解除保险环境激励同保险与解除保险逻辑之间的良好匹配,又能保证鱼雷全弹道的安全性.运用马尔科夫理论,对所设计的保险和解除保险逻辑进行了分析,计算得到的安全性指标远大于GJB373A对引信安全系统的要求,能够满足鱼雷引信高安全性的设计要求.

【期刊名称】《鱼雷技术》

【年(卷),期】2012(020)006

【总页数】5页(P467-471)

【关键词】鱼雷引信;全电子安全系统;保险与解除保险;逻辑设计;安全性

【作 者】甘雨

【作者单位】中国船舶重工集团公司第705研究所昆明分部,云南昆明,650118

【正文语种】中 文

【中图分类】TJ431.7

引信全电子安全系统是集高能起爆技术与微电子技术于一体的高新技术, 从根本上改变了引信的隔离设计思想, 通过环境识别后控制发火电容上电和起爆电路的接通,

具有安全性强、可靠性高、作用迅速等优点, 而引起世界各国的高度重视[1]。全电子安全系统固有的优点使得其可以充分利用武器的发射环境信息、弹道环境信息、目标及目标区环境信息, 实现信息化、灵巧化和智能化。本文借鉴了何光林的电子安全系统逻辑分析思想[2], 注重解除保险环境激励特性和识别方式及保险与解除保险逻辑机构间的匹配性。根据鱼雷弹道的可信环境, 选择安全、可靠和具备唯一性的环境信息作为解除保险环境激励, 以所选择的解除保险环境激励的特性和识别方式为基础, 设计一种能够保证全弹道安全性的鱼雷引信全电子安全系统保险与解除保险逻辑, 可使解除保险环境激励同保险与解除保险逻辑之间实现良好的匹配。

从引信的起爆(点火)功能考虑, 引信作为控制战斗部起爆能量产生的装置存在, 实现对引信中能量流的抑制, 就可很大程度上提高引信安全性。抑制起爆能量流是实现全电子安全系统的最主要手段, 包括对起爆控制系统发火能量的抑制和对爆炸序列能量传递通道的隔断(隔爆)[3]。对直列式传爆序列来说, 最主要手段是对起爆控制系统发火能量的抑制。提高引信固有安全性的主要途径有增加独立保险件的个数、巧妙地设计安全系统的逻辑、实现引信全电子安全系统高安全性和高可靠性。其中,

采用3个保险件最为合理[4]。

为保证发射舰艇及后续弹道的安全性, 鱼雷引信全电子安全系统的安全性设计应考虑发射基、安全距离及目标基的安全性。结合国内外全电子安全系统的设计特点,

设置3级电子保险件(2级静态开关、1级动态开关)对起爆电源进行隔离。鱼雷引信全电子安全系统原理模型见图1。

图中, 该模型主要由2片专用集成电路(appli- cation specific integrated circuit,

ASIC)及外围电路组成, 完成对解除保险环境信息的识别, 并输出相应的信号和指令,

控制3级保险开关(2级静态保险开关、1级动态保险开关)解除保险的时序, 并可靠解除保险, 驱动发火组件充电至发火水平并维持, 具备待爆条件。静态开关Ⅰ设置为第1级保险, 具备静态电保险特征, 对起爆电源的正极进行安全性隔断, 其解除保险激励信号来自鱼雷发射环境中不可逆、具备唯一性、标识鱼雷发射的激励信号,

保证在鱼雷发射出管后才启动全电子安全系统的保险与解除保险流程。静态开关Ⅱ设置为第2级保险, 具备静态电保险特征, 对起爆电源地进行安全性隔断, 其解除保险激励信号来自鱼雷安全距离环境信息, 保证鱼雷在安全距离内的安全性。动态开关设置为第3级保险, 具备动态电保险特征, 其解除保险激励信号来自目标环境信息, 保证鱼雷在安全距离之后的安全性。很大程度上, 正因为设置了由目标环境信息驱动解除保险的第3级保险, 具备目标基安全系统特征, 才能保证鱼雷全弹道的安全性。

对于保险与解除保险装置的复杂性和造价以及安全性水平, 解除保险环境的选择和确定通常是决定性因素,通常保险与解除保险装置的设计随着解除保险环境的唯一性而改变[5]。故鱼雷引信全电子安全系统的设计中一个重要的步骤就在于, 如何在其工作周期内经受的可信环境之中, 选择安全、可靠并具备唯一性的解除保险环境激励信号, 对其进行识别和判断, 驱动安全系统解除保险。解除保险环境激励的选择应贯彻“独特性、时序性、互质性、通用性、窗口特征”的原则, 提高安全系统的安全性和抗干扰性。

1) 第1级保险解除激励——鱼雷初始弹道水压信息。该信息伴随鱼雷发射入水而产生, 对应不同的水深产生不同水压, 是鱼雷入水深度的识别信息。鱼雷从入水到预定搜索深度的过程包括俯仰抑制、按一定角度下潜和拉平3个阶段,此阶段的水压信息特征明显, 时间特性满足0≤t1≤tf≤t2要求(其中: tf为第1级保险解除时刻;

t1为鱼雷发射入水时刻; t2为鱼雷到达预定搜索深度时刻)。水压信息是鱼雷引信安全系统中利用率最高的一种环境信息, 不仅具有典型的鱼雷弹道环境特点, 而且便于识别, 通用性很强[6]。鱼雷初始弹道水压信息的识别可通过采用压力传感器,

在时间t1～t2内对鱼雷初始弹道水压信息进行识别, 若此时水压大于设定值P(视鱼雷作战使用要求而定), 则认为鱼雷已发射入水, 并完成了不可逆的发射动作。将此信息输入到安全系统保险机构的逻辑控制电路中, 驱动第1级保险解除, 实现水压信息解除第1级保险的功能。

2) 第2级保险解除激励——安全距离信息。该信息在鱼雷到达预设定的安全距离后产生, 时间特性满足t3≤ts≤t4(其中: ts为第2级保险解除时刻; t3为鱼雷到达安全距离的最小管制时间, 满足; t4为鱼雷到达预设定安全距离时刻, 满足; L为预设定的安全距离; 为鱼雷最大航行速度; 为鱼雷最小航行速度)。该信息是鱼雷引信安全系统中利用率较高的一种环境信息, 距离特性和时间特性均较明显, 具有典型鱼雷弹道环境特点, 通用性较强。螺旋桨转动信息是不可逆的, 可通过鱼雷螺旋桨的转动圈数计算鱼雷航行距离, 且尾轴转速与航程间的联系较合理, 作为安全距离信息较准确和可靠[6]。因此, 螺旋桨转动信息能很好地实现定距, 可通过脉冲计数电路对螺旋桨的转动次数进行统计, 当脉冲计数值达到规定值时, 向安全系统保险机构的逻辑控制电路输出安全距离信息, 驱动第2级保险解除, 实现安全距离信息解除第2级保险的功能。

3) 第3级保险解除激励——目标信息。目标信息主要是自导系统获得目标参数并进行处理后向全电子安全系统发出的控制指令, 时间特性应满足t4≤td≤t5要求。

其中: td为第3级保险解除时刻; t4为鱼雷自导开机时刻; t5为鱼雷自身攻击目标性能限制下第3级保险解除的最大允许时刻, 且

其中: 为安全系统发火时刻; 为安全系统高压发火电容充电时间; 为海洋环境条件最恶劣时鱼雷自导的最短有效探测距离; 为非触发引信最大作用距离; 为鱼雷最大攻击速度; 为目标最大逃离速度。

利用目标信息, 引信可实现目标信息解除保险的安全设计模式, 为通用的环境信息[6]。式(1)表达了利用目标信息解除第3级保险, 实现目标基安全系统的充要条件。为获取准确的目标信息, 完成目标基安全系统解除保险系统的要求, 设计中须充分考虑自导系统和非触发引信的目标探测性能, 提高鱼雷自导系统与引信安全系统的匹配性, 尽可能减少自导系统及引信安全系统完成目标信息处理的时间及高压发火电容的充电时间。

保险与解除保险逻辑是全电子安全系统的控制中枢, 根据自身的工作状态和识别的解除保险环境激励, 有序地控制着安全系统从初始安全系统逐渐过渡到待发状态。因此, 保险与解除保险逻辑的设计是全电子安全系统安全性设计的根本所在。保险与解除保险逻辑的设计主要从时间特性、时序逻辑、窗口特性等方面展开。以上述所选择3种信息作为3个解除保险环境激励, 它们彼此独立, 具备互质性, 在时间上有良好的时序特性。此外, 初始弹道水压信息和安全距离信息均具有良好的窗口特性。故保险与解除保险逻辑采用的控制模式为: 初始弹道水压信息、安全距离信息和目标信息顺序作用, 依次解除第1级~第3级保险, 其中初始弹道水压信息和安全距离信息增加时间窗识别机构。

采用此控制模式的全电子安全系统保险与解除保险逻辑如图2所示。图中, 鱼雷初始弹道水压信息在时间窗内出现则解除第1级保险; 安全距离信息在第1级保险解除后出现, 并且在时间窗内出现则解除第2级保险; 目标信息在第2级保险解除后出现则解除第3级保险, 使安全系统达到待发状态。

保险与解除保险逻辑时序特性如图3所示。具体工作时序为: 1) 以鱼雷发射时刻作为全电子安全系统解除保险过程的时间零点; 2) 在至之间(时间窗内)出现初始弹道水压信息则视为正常, 解除第1级保险; 3) 在第1级保险正常解除的前提下, 在至之间(时间窗内)出现安全距离信息则视为正常, 解除第2级保险; 4) 在第2级保险正常解除的前提下, 出现目标信息则视为正常, 解除第3级保险, 当高压发火电容的电能达到发火能量要求时, 全电子安全系统处于待发状态; 5) 在全电子安全系统处于待发状态后, 起爆信号出现则视为正常, 全电子安全系统发火, 引爆冲击片雷管; 6)

在时间之后, 全电子安全系统进入绝火状态, 禁止解除保险和发火等操作; 7) 当初始弹道水压信息、安全距离信息、目标信息及起爆信号出现的时序未符合图3所示的逻辑时序要求时, 则全电子安全系统进入故障保险状态, 禁止解除保险和发火等操作。

在引信安全系统安全性的分析理论研究方面, 施坤林提出了马尔可夫理论在引信安全系统分析中的应用[7]。利用随机过程的Markov理论, 计算图2所示的全电子安全系统保险与解除保险逻辑在带电检测过程或上电后发射前意外解除保险的概率,

并将这一时间历程分为n个时间间隔。

假设: 1) 在每个时间间隔中, 解除保险环境激励出现的概率相同, 其概率为pi, i=1,

2, 3, …; 2) 环境激励应符合以下假设: 独立性——在2个不相重叠的区间[t1, t2]和[t3, t4]中出现的激励次数互相独立; 齐次性——在区间[t1, t2]内出现的次数只与区间大小t2 ~ t1有关, 而与起点t1无关; 普通性——在充分小的时间间隔内, 最多只出现一次激励; 3) 所有零部件都正常工作; 4) 在ti～ti+1期间, 系统的状态转移概率为pjk, j, k=1, 2, 3, …; 5) λ的定义: λ=Δt/T, T是所分区间的大小, Δt是某环境激励的作用时间, 一般取Δt≤0.01T[8]。

图2所示的全电子安全系统保险与解除保险状态定义: ①保险状态, 第1级、第2级和第3级保险均处于保险状态; ② 第1级保险解除状态, 第2级和第3级保险仍

处于保险状态; ③ 第1级和第2级保险均处于解除状态, 第3级保险仍处于保险状态; ④ 待发状态, 第1级、第2级和第3级保险均解除; ⑤ 系统处于故障保险状态,

或第1级保险解除, K2打开; 或第1级保险解除, K3打开; 或第1级、第2级和第3级保险均处于保险状态, K1打开。全电子安全系统逻辑机构状态转换关系见图4。

状态转移分析:

①→①: 第1级保险解除激励未出现, 则状态转移概率;

①→②: 第1级保险解除激励在时间窗内出现, 但第2级保险解除激励和第3级保险解除激励未出现, 则状态转移概率;

①→③: 状态转移概率有以下2种情况: a) 第1级保险解除激励在时间窗内出现和第2级保险解除激励在时间窗内出现, 但第3级保险解除激励未出现, 则; b) 第1级保险解除激励在时间窗内出现和第2级保险解除激励在时间窗内出现, 但第3级保险解除激励在第1级保险解除激励和第2级保险解除激励之前出现, 则, 所以状态转移概率;

①→④: 第1级保险解除激励在时间窗内出现和第2级保险解除激励在时间窗内出现, 且第3级保险解除激励在时间窗以后出现,系统从保险状态过渡到待发状态, 则状态转移概率;

①→⑤: 系统进入故障保险状态, 则状态转移概率;

②→②: 第2级保险解除激励未出现, 则状态转移概率;

②→③: 状态转移概率有以下2种情况: a) 第2级保险解除激励在时间窗内出现, 但第3级保险解除激励未出现, 则;b)第2级保险解除激励在时间窗内出现, 但第3级保险解除激励在第2级保险解除激励之前出现,则, 所以状态转移概率;

②→④: 第2级保险解除激励在时间窗内出现, 而第3级保险解除激励在时间窗后出现, 则状态转移概率;

②→⑤: 系统进入故障保险状态, 则状态转移概率;

③→③: 第3级保险解除激励未出现, 则状态转移概率;

③→④: 第3级保险解除激励在时间窗后出现, 则状态转移概率;

④→④: 系统处于待发状态, 且起爆信号未出现, 则状态转移概率;

⑤→⑤: 系统处于故障保险状态, 则状态转移概率;

其余的元素均为0, 即状态转换图中无连线的状态转移概率。

则一步转移概率矩阵为

N步转移概率矩阵为。

期间, 系统解除保险的概率为

期间, 系统解除保险的概率为

期间, 系统解除保险的概率为

期间, 系统解除保险的概率为

因此, 安全系统解除保险的概率P为

根据鱼雷作战情况以及航行情况, 选取合适的参数(), 代入转移概率矩阵, 计算安全系统解除保险的概率。假设P1=P2=P3=10-3, λ=10-2, n=50[4], 图2所示的鱼雷引信全电子安全系统保险与解除保险逻辑在带电检测过程或上电后发射前意外解除保险的概率为1.0816×10-9, 能够满足鱼雷引信高安全性的设计要求。

本文所设计的鱼雷引信全电子安全系统保险与解除保险逻辑充分利用鱼雷的发射环境信息、弹道环境信息、目标及目标区环境信息, 实现鱼雷引信全电子安全系统信息化、灵巧化、智能化, 为鱼雷引信全电子安全系统的工程实现提供了一定的理论基础。

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本文标签： 保险解除系统信息环境