Tính toán lý thuyết và thực nghiệm đo tín hiệu của cảm biến гмд-2 trong ngòi nổ 9э249 cho tên lửa igla

Tên lửa & Thiết bị bay N. H.Bình, N.T.Duy, P.Đ.Hùng, L.H.Hiệu,“Tính toán lý thuyết cho tên lửa IGLA.” 24 TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ĐO TÍN HIỆU CỦA CẢM BIẾN ГМД-2 TRONG NGÒI NỔ 9Э249 CHO TÊN LỬA IGLA Nguyễn Hòa Bình1*, Nguyễn Trần Duy1, Phạm Đức Hùng2, Lê Huy Hiệu3 Tóm tắt: Ứng dụng nguyên lý từ tập trung cho cảm biến điện từ dạng xoáy, bài báo tập trung nghiên cứu về cảm biến ГМД-2 trong ngòi nổ 9Э249. Kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm kiểm tra tín hiệu của cảm biến là cơ sở cho việc nghiên cứu, thiết kế cảm biến điện từ cho một số loại ngòi nổ, đặc biệt là đối với ngòi nổ trên các loại tên lửa. Từ khóa: Cơ khí-Vũ khí, Tên lửa, Cảm ứng điện từ, Cảm biến 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngòi nổ 9Э249 đồng bộ với tên lửa 9M39 (Igla) đảm bảo hiệu suất chiến đấu cao của phần chiến đấu khi tiếp cận và chạm mục tiêu (máy bay và các khí cụ bay) nhờ hai cảm biến điện từ ГМД-1 và ГМД-2. Trong đó, ГМД-2 (hình 1) là cảm biến kiểu từ xoáy (CBX), đảm bảo gây nổ phần chiến đấu khi va chạm với mục tiêu và ngay cả trong trường hợp tên lửa không chạm mà chuyển động trượt gần mục tiêu ở một khoảng cách nhất định [1, 5]. Bản chất quá trình cảm nhận mục tiêu và tạo tín hiệu của CBX là sinh ra một suất điện động cảm ứng ( cE ) trong cuộn dây thông qua tương tác giữa từ trường của dòng fuco được sinh ra trong mục tiêu kim loại với từ trường nam châm vĩnh cửu khi có sự chuyển động tương đối giữa chúng. Giá trị của tín hiệu cE xác nhận sự có mặt của mục tiêu trong bán kính lân cận so với ngòi (tên lửa) và nó được cấp vào mạch chấp hành của ngòi để điều khiển gây nổ phần chiến đấu, tùy theo tương quan đầu đạn – mục tiêu. Theo yêu cầu kỹ thuật trong tài liệu thiết kế [2], chúng ta mô phỏng hiện tượng đâm xuyên vuông góc bằng thực nghiệm đo điện áp đầu ra của ГМД-2 – tương tự khi thả rơi vòng thép bao quanh cảm biến – khi đó điện áp đo được trên hai đầu cuộn dây (hai cọc tiếp điểm 1 – hình 1) phải đạt giá trị 0,6cE V (Tiến hành đo trên oxilo với điện trở đầu vào không nhỏ hơn 1KΩ, độ trễ 0,5-10 μs). Chúng ta sẽ khảo sát tính đúng đắn của tính toán lý thuyết thông qua thực nghiệm trên sản phẩm chế tạo tại Việt Nam. Hình 1. Cảm biến xoáy ГМД-2 trong ngòi 9Э-249. 1. Cụm tiếp điểm; 2. Nam châm vĩnh cửu có cuộn dây bên ngoài; 3. Đai ốc phân cực; 4. Thân; 5. Vỏ nhựa; 1 2 3 4 5 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 25 2. TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT 2.1. Cơ sở tính toán Theo nghiên cứu của viện sĩ A.D. Xakharov, bản chất tín hiệu của CBX là nhờ hiệu ứng từ tập trung, làm “biến dạng” về hướng của vecto từ thông đi qua cuộn dây do nam châm vĩnh cửu sinh ra khi nó chuyển động tương đối so với khối kim loại. Như vậy có thể đưa ra một vài giả thiết [3]: 1. Vùng không gian phản ứng của CBX được xác định thông qua bán kính giới hạn: ghr - là khoảng cách lớn nhất từ bề mặt ngoài của CBX đến bề mặt bao chứa diện tích mục tiêu có tới 99% từ thông do CBX sinh ra đi qua nó: 2 0 0. . . . .gh rr v     (2.1) Trong đó:  - bề dày mục tiêu;  - độ dẫn điện riêng của vật liệu mục tiêu; r - độ từ thẩm tương đối của vật liệu mục tiêu; v0 – tốc độ dịch chuyển của CBX so với mục tiêu; Trong tính toán, ta sử dụng tham số bán kính tính toán tt ghr r . 2. Quy luật thay đổi thành phần dọc trục của cảm ứng từ ( )ZB r tại một điểm cách trục CBX một khoảng r được tính gần đúng từ các quan hệ: - Đối với khoảng cách gần 0 0( 0,1. )r  : 0 2 0( ) . M r r a Z ZB r B e    ; (2.2) - Đối với khoảng cách xa 0 0 0(0,1. 5. )r r   : 0 2 0 ( ) 1 .( ) Z Z M B B r r r    , (2.3) Trong đó: 0 - khoảng cách giữa bề mặt bao ngoài của CBX tới mục tiêu khi bay; 0r - bán kính bao ngoài của CBX; 0ZB - giá trị cảm ứng từ trên bề mặt ngang sườn CBX ở tiết diện trung bình; 2 ,M Ma  - hệ số phản ánh sự tắt dần của từ thông theo bán kính kể từ trục CBX, thông thường 2 2 5Ma mm  , 20,05 0,10(1/ )M mm   . 3. Từ thông xuyên qua mục tiêu sẽ phản xạ hoàn toàn và bị suy giảm dần theo bán kính đến trục CBX cũng theo quy luật nói đến ở trên. 4. Các giá trị 0 0. . . rv   , góc tới  , điện trở cuộn dây dR và độ tự cảm L của nó là hằng số. 5. Sự không đồng nhất biến dạng của từ thông khi gặp mục tiêu với góc nghiêng được tính bằng hệ số 1 2 1 1 . arcco s 1 K        , với 1 0 0/ r   , 2 0/ttr r  . Với các giả thiết trên, qua thực nghiệm kiểm tra sức điện động cảm ứng xuất hiện trong CBX với các loại mục tiêu khác nhau, các nhà khoa học đã đưa ra[4]: m ax 0. . . . .W . . 2 . c M H tt E K K K K v Ф x      (2.4) Trong đó: - ttx - ½ quãng đường chuyển động của mục tiêu trong vùng phản ứng của CBX; Tên lửa & Thiết bị bay N. H.Bình, N.T.Duy, P.Đ.Hùng, L.H.Hiệu,“Tính toán lý thuyết cho tên lửa IGLA.” 26 0 2 0 1 . sin . 1 tt gh tt tt gh R khi x R khi               (2.5) Với 0arccosgh  ; 0 0 ttR    ; - K - Hệ số tính đến độ từ thẩm của vật liệu thân mục tiêu: đối với hợp kim nhôm 1 0,036.(10 )K    ; đối với hợp kim ti-tan 1 0,062.(10 )K    ; đối với thép 1K  . Khi 10 , 1mm K   đối với tất cả các vật liệu; MK - Hệ số tính đến đặc tính sắt từ của vật liệu thân mục tiêu: Với vật liệu phi sắt từ 1MK  ; với vật liệu sắt từ 1,7 2,2MK   ; HK - Hệ số tính đến sự tập trung dòng do sự phân cực của các mặt đầu (Hình 1). Đối với mặt đầu phân cực bằng thép Э12 có bề dày 0,5÷2 mm thì HK =1,3-1,4, nếu không có mặt đầu phân cực thì 1HK  ; - W - Số vòng dây trong cuộn dây của CBX; - 0v - Tốc độ dịch chuyển tương đối giữa mục tiêu và CBX trong vùng phản ứng; - Ф - Phần từ thông bị biến dạng do mục tiêu kim loại và đi qua cuộn dây của CBX; Khi 0 00,1.r  (từ thông ( )zB r có dạng hàm mũ): 2. 0 0 2( 2. / ) ( 2. ) /2 0 0 2 2 2. . . . 1 M Ma r a Z M M r Ф B a e e a               (2.6) Nếu 0 0 00,1. 5.r r   ( ( )zB r có dạng hàm bậc hai thì): 2 0 0 0 2 2 0 0 2. . 1 1 ( ) .ln 1 . 2. 1 . Z M M M M B r Ф                      (2.7) Khi CBX có điện trở thuần của cuộn dây dR , độ tự cảm của cuộn dây L , sức điện động cảm ứng max( ) .sinc cE t E t ở hai đầu ra của CBX được cấp cho mạch điện bên ngoài thông qua điện trở phụ tải TR , thì cường độ dòng điện qua phụ tải sẽ là: . max 2 2 ( ) .sin . .cos . . ( . ) R t c L c E I t R t L t L e R L                  (2.8) Trong đó: d TR R R   , - Tần số góc của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong CBX: 0.2 tt v T x     (2.9) 2.2. Tính toán cho trường hợp CBX xuyên vuông góc với mục tiêu kim loại Theo [2], mục tiêu sẽ được mô phỏng theo thực nghiệm kiểm tra đo điện áp đầu ra của ГМД-2 – là vành thép 35 có kích thước: D = 78mm, d = 73mm, h = 40mm. Khi đó, vòng thép phải ở trạng thái ban đầu bao quanh CBX, ta có thể xây dựng mô hình toán mô phỏng ở trên như hình 2.1. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 27 Khi tính toán với mô hình trên, ta bỏ qua lực điện từ do CBX tác dụng lên vòng thép. Như vậy, vòng thép sẽ được rơi tự do với vận tốc ban đầu 0 0v  . Mặt khác, để vòng thép đi qua khỏi CBX thì chiều cao rơi nhỏ nhất của nó phải bằng chiều cao của vòng thép (h = 40mm). - Khi đó, vận tốc rơi của ống thép tại thời điểm bề mặt trên của nó ngang bằng với bề mặt trên của CBX (chiều cao rơi h – h0) sẽ được xem là tốc độ tương tác ban đầu 0v . Với CBX có chiều cao của nam châm vĩnh cửu h0 = 14 mm, ta dễ dàng tính được 0 714 /v mm s và vận tốc của vòng thép khi nó thoát khỏi CBX 885 /tv mm s . - Thời gian để vòng thép thay đổi tốc độ từ 0v tới tv chính là khoảng thời gian tạo ra tín hiệu của CBX, ta dễ dàng tính được 17,5t ms . Trong trường hợp này, khoảng cách giữa CBX và vòng thép 0 1,5mm  , 0 35r mm , như vậy 0 00,1.r  - theo giả thiết 2, cảm ứng từ ( )ZB r tại một điểm cách trục CBX một khoảng r được tính gần đúng từ các quan hệ (2.2) và lượng biến đổi từ thông đi qua CBX khi vòng thép trượt qua sẽ được tính theo quan hệ (2.6). Tính toán điện áp cực đại axcmE - theo (2.4) với các tham số đầu vào được thống kê trong bảng 1. Bảng 1. Các tham số tính toán tín hiệu CBX khi vòng thép trượt qua. TT Đại lượng Ký hiệu Giá trị Đơn vị tính 1 Bề dày mục tiêu  2,5 mm 2 Suất dẫn điện riêng của vật liệu mục tiêu   =3,72.104 1/mm 3 Độ từ thẩm tương đối của vật cản:  1+2,14.10-5 4 Độ từ thẩm tuyệt đối: o 1,257.10 -9 Hr/mm 5 Bán kính phản ứng giới hạn của cảm biến ghr 110 mm 6 Khoảng cách giữa bề mặt bao ngoài của CBX tới vành thép 0 1,5 mm 7 Tốc độ tương tác cảm biến với mục tiêu 0v 714 mm/s 8 Bán kính bao ngoài của CBX 0r 35 mm 9 Cảm ứng từ trên bề mặt ngang sườn CBX 0ZB 1,27.10 -6 Wb/mm2 10 Hệ số tính tới sự không đồng nhất biến dạng của từ thông K 0,4 11 Hệ số sắt từ của thân mục tiêu K 1 12 Hệ số sắt từ của vật cản MK 1,7 13 Hệ số tính đến sự tập trung dòng do sự phân cực của các mặt đầu HK 1 14 Số vòng cuộn dây của CBX W 200 vòng Tên lửa & Thiết bị bay N. H.Bình, N.T.Duy, P.Đ.Hùng, L.H.Hiệu,“Tính toán lý thuyết cho tên lửa IGLA.” 28 Kết quả tính toán lý thuyết nhận được: - Giá trị hiệu điện áp lớn nhất tại hai đầu ra của CBX là: ax 0,96cmE V ; - Thời gian xuất hiện tín hiệu điện áp (độ dài xung nhận được): 17,5t ms . - Đồ thị biểu diễn tín hiệu ( ) ax .sin( . )с t сmE E t được thể hiện trên hình 2.2 3. THỰC NGHIỆM KIỂM TRA 3.1. Tiến hành thử nghiệm 3.1.1 Chuẩn bị - Vòng thép 35 tiêu chuẩn (1- Hình 3.1) - Cảm biến điện từ dạng xoáy ГМД-2, chế tạo tại VN (2 - Hình 3.1); - Dụng cụ đo: Ôxi nhãn hiệu Protek 5200 (1 – Hình 3.2); - Thiết bị thử nghiệm: Thiết bị kiểm tra chức năng ГМД-2 chế (2 – Hình 3.2); Hình 3.1. Chuẩn bị sản phẩm và dụng cụ thử nghiệm 1- Vòng thép 35; 2- CBX được chế tạo tại VN 3.1.2 Tiến hành thử nghiệm Tiến hành lắp ráp thiết bị, dụng cụ đo và kết nối với CBX được thể hiện trên hình 3.2 - Lồng vòng thép bên ngoài CBX rồi đưa chúng vào trong thiết bị thử nghiệm; - Tiến hành cố định CBX bên trong thiết bị thử nghiệm; - Nối các đầu đo của ô xillo với hai đầu ra của CBX sao cho đúng: đầu đo dương (+) của ô xilo với dây đỏ, đầu đo âm (-) của ô xilo với dây đen; - Từ từ nâng vòng thép trong thiết bị thử lên trên, sao cho bề mặt dưới của vòng thép ngang bằng với bề mặt dưới của nam châm vĩnh cửu trên CBX; - Thả tay nâng vòng thép sao cho nó trượt dọc trục CBX và rơi xuống dưới đáy thiết bị thử; - Tín hiệu điện áp nhận được sẽ thể hiện trên màn hình ô xilo. Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn tín hiệu của CBX xuất hiện khi vòng thép trượt qua. Đồ thị biểu diễn tín hiệu CBX 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 1. 5 3 4. 5 6 7. 5 9 10 .5 12 13 .5 15 16 .5 Thời gian (ms) S ứ c đ iệ n đ ộ n g c ả m ứ n g ( V ) Series1 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 29 3.2. Kết quả thử nghiệm và thảo luận Sau khi tiến hành thử nghiệm thả rơi vòng thép, kết quả đo trên ôxillo được thể hiện trên hình 3.2. So sánh kết quả thực nghiệm kiểm tra chức năng CBX trên ô xilo (hình 3.2) với kết quả tính toán lý thuyết (hình 2.2), chúng ta nhận thấy: - Biên độ điện áp nhận được trong thực nghiệm ax 0,8cmE V , nhỏ hơn so với kết quả lý thuyết tính được ( ax 0,96cmE V ); - Độ rộng xung tín hiệu trong thực nghiệm 25t ms , lớn hơn so với khoảng thời gian xuất hiện tín hiệu khi tính toán ( 17,5t ms ). Chứng tỏ rằng: Trong khi tính toán lý thuyết, chúng ta đã bỏ qua sự tác động của lực điện từ do CBX tác dụng lên vòng thép. Sau khi thực nghiệm kiểm tra, thấy rằng các kết quả trên là hoàn toàn hợp lý, bởi: Do sự tác động của lực điện từ lên vòng thép nên tốc độ trượt của nó khi qua CBX sẽ bị giảm đi, tương ứng với thời gian chuyển động tương đối của vòng thép so với CBX cũng lớn hơn và sức điện động sinh ra trong thực tế cũng sẽ bị giảm đi – so với tính toán lý thuyết. Tên lửa & Thiết bị bay N. H.Bình, N.T.Duy, P.Đ.Hùng, L.H.Hiệu,“Tính toán lý thuyết cho tên lửa IGLA.” 30 4. KẾT LUẬN Qua thực tế nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm kiểm tra chức năng của sản phẩm CBX ГМД-2 trên ngòi nổ 9Э249 của tên lửa Igla, nhóm tác giả nhận thấy: - Việc xây dựng một lý thuyết tường minh để thiết kế CBX là rất khó khăn, phức tạp do tính đặc thù của dạng cảm biến này là sử dụng ảnh hưởng của dòng Fuco xuất hiện trong khối kim loại khi nó chuyển động tương đối so với nguồn từ trường; - Vận dụng các công thức thực nghiệm đã được công bố trong một số tài liệu [3, 4] để tính toán cho một kết cấu cụ thể, trong điều kiện hiện nay là giải pháp tối ưu; - Kết hợp nghiên cứu thiết kế theo tài liệu được chuyển giao, chế tạo CBX ГМД-2 tại Việt nam và thử nghiệm kiểm tra chức năng của nó. Kết quả thử nghiệm được so sánh với kết quả tính toán ở trên để khẳng định tính đúng đắn của các công thức đã áp dụng. Qua đó đã cho thấy các công thức thực nghiệm ở trên hoàn toàn có thể áp dụng vào thực tế nghiên cứu, thiết kế CBX; - So sánh các kết quả lý thuyết và thực nghiệm đã nêu trong bài báo với yêu cầu kỹ thuật của tài liệu chuyển giao [2] ( ax 0,6cmE V ) – trong cùng điều kiện thử nghiệm, một lần nữa khẳng định tính chân thực và khoa học của kết quả nghiên cứu, chế tạo CBX ГМД-2 tại Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. “Ngòi nổ 9Э249 - Thuyết minh kỹ thuật”, Viện Vũ khi – Tổng cục CNQP, 2013. [2]. “Ngòi nổ 9Э249 – Bản vẽ sản phẩm, Tập 1”, Viện Vũ khi – Tổng cục CNQP, 2013. [3]. Г.А. Сулин, “Сенсорные системы боеприпасов”, Учеь. пособие/ БГТУб 1998. [4]. Г.А. Сулин, “Теоретические основы расчета сенсорных систем”, Министерство образованя Российской Федерации Балтийский государственный технический уиверситет Военмех. Санкт-Петербург, 2000. [5]. Министерство Обороны СССР “Преносный зенитный ракетный комплекс Игла (9К38) – Техническое описание и инструкция по эксплуатация 9К38 ТО”, Москва Военное издательство, 1987. ABSTRACT CALCULATING THEORY AND EXPERIMENTALLY MEASUREMENT OF SIGNAL SENSOR IN ГМД-2 OF FUZE 9Э249 FOR MISSILE IGLA Application principle of magnetic focused for electromagnetic sensor of vortices form, the article concentrated research on sensor ГМД-2 in 9Э249 fuze. Results of theoretical calculations and experimental test of the sensor signal is the basis for the study and design of electromagnetic sensors for certain types of fuses, especially for fuses on the missile. Keywords: Mechanical-Weapon, Missiles, Electromagnetic induction, Sensors. Nhận bài ngày 7 tháng 4 năm 2015 Hoàn thiện ngày 28 tháng 5 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 6 năm 2015 Địa chỉ: 1 Viện Tên lửa, Viện KH-CN Quân sự; *Email: binhngatula@gmail.com; 2 Khoa Vũ khí, Học viện Kỹ thuật quân sự; 3Cục Kỹ thuật - Quân chủng PK-KQ.