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<br /> <br /> TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ĐO TÍN HIỆU CỦA CẢM<br /> BIẾN ГМД-2 TRONG NGÒI NỔ 9Э249 CHO TÊN LỬA IGLA<br /> Nguyễn Hòa Bình1*, Nguyễn Trần Duy1, Phạm Đức Hùng2, Lê Huy Hiệu3<br /> Tóm tắt: Ứng dụng nguyên lý từ tập trung cho cảm biến điện từ dạng xoáy, bài báo tập trung<br /> nghiên cứu về cảm biến ГМД-2 trong ngòi nổ 9Э249. Kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm<br /> kiểm tra tín hiệu của cảm biến là cơ sở cho việc nghiên cứu, thiết kế cảm biến điện từ cho một số loại<br /> ngòi nổ, đặc biệt là đối với ngòi nổ trên các loại tên lửa.<br /> Từ khóa: Cơ khí-Vũ khí, Tên lửa, Cảm ứng điện từ, Cảm biến<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Ngòi nổ 9Э249 đồng bộ với tên lửa 9M39 (Igla) đảm bảo hiệu suất chiến đấu cao của phần<br /> chiến đấu khi tiếp cận và chạm mục tiêu (máy bay và các khí cụ bay) nhờ hai cảm biến điện từ<br /> ГМД-1 và ГМД-2. Trong đó, ГМД-2 (hình 1) là cảm biến kiểu từ xoáy (CBX), đảm bảo gây nổ<br /> phần chiến đấu khi va chạm với mục tiêu và ngay cả trong trường hợp tên lửa không chạm mà<br /> chuyển động trượt gần mục tiêu ở một khoảng cách nhất định [1, 5].<br /> 5 3<br /> 4<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2<br /> 1<br /> <br /> Hình 1. Cảm biến xoáy ГМД-2 trong ngòi 9Э-249.<br /> 1. Cụm tiếp điểm; 2. Nam châm vĩnh cửu có cuộn dây bên ngoài;<br /> 3. Đai ốc phân cực; 4. Thân; 5. Vỏ nhựa;<br /> Bản chất quá trình cảm nhận mục tiêu và tạo tín hiệu của CBX là sinh ra một suất điện động<br /> cảm ứng ( Ec ) trong cuộn dây thông qua tương tác giữa từ trường của dòng fuco được sinh ra<br /> trong mục tiêu kim loại với từ trường nam châm vĩnh cửu khi có sự chuyển động tương đối giữa<br /> chúng. Giá trị của tín hiệu Ec xác nhận sự có mặt của mục tiêu trong bán kính lân cận so với<br /> ngòi (tên lửa) và nó được cấp vào mạch chấp hành của ngòi để điều khiển gây nổ phần chiến<br /> đấu, tùy theo tương quan đầu đạn – mục tiêu.<br /> Theo yêu cầu kỹ thuật trong tài liệu thiết kế [2], chúng ta mô phỏng hiện tượng đâm xuyên<br /> vuông góc bằng thực nghiệm đo điện áp đầu ra của ГМД-2 – tương tự khi thả rơi vòng thép bao<br /> quanh cảm biến – khi đó điện áp đo được trên hai đầu cuộn dây (hai cọc tiếp điểm 1 – hình 1)<br /> phải đạt giá trị Ec  0, 6V (Tiến hành đo trên oxilo với điện trở đầu vào không nhỏ hơn 1KΩ,<br /> độ trễ 0,5-10 μs). Chúng ta sẽ khảo sát tính đúng đắn của tính toán lý thuyết thông qua thực<br /> nghiệm trên sản phẩm chế tạo tại Việt Nam.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 24 N. H.Bình, N.T.Duy, P.Đ.Hùng, L.H.Hiệu,“Tính toán lý thuyết … cho tên lửa IGLA.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2. TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT<br /> 2.1. Cơ sở tính toán<br /> Theo nghiên cứu của viện sĩ A.D. Xakharov, bản chất tín hiệu của CBX là nhờ hiệu ứng từ<br /> tập trung, làm “biến dạng” về hướng của vecto từ thông đi qua cuộn dây do nam châm vĩnh cửu<br /> sinh ra khi nó chuyển động tương đối so với khối kim loại. Như vậy có thể đưa ra một vài giả<br /> thiết [3]:<br /> 1. Vùng không gian phản ứng của CBX được xác định thông qua bán kính giới hạn: rgh - là<br /> khoảng cách lớn nhất từ bề mặt ngoài của CBX đến bề mặt bao chứa diện tích mục tiêu có tới<br /> 99% từ thông do CBX sinh ra đi qua nó:<br /> rgh   . 2 . .r .0 .v0 (2.1)<br /> Trong đó:  - bề dày mục tiêu;<br />  - độ dẫn điện riêng của vật liệu mục tiêu;<br />  r - độ từ thẩm tương đối của vật liệu mục tiêu;<br /> v0 – tốc độ dịch chuyển của CBX so với mục tiêu;<br /> Trong tính toán, ta sử dụng tham số bán kính tính toán rtt  rgh .<br /> 2. Quy luật thay đổi thành phần dọc trục của cảm ứng từ BZ (r ) tại một điểm cách trục CBX<br /> một khoảng r được tính gần đúng từ các quan hệ:<br /> - Đối với khoảng cách gần (  0  0,1.r0 ) :<br /> r  r0<br /> <br /> a2 M<br /> BZ ( r )  BZ 0 .e ; (2.2)<br /> - Đối với khoảng cách xa (0,1.r0   0  5.r0 ) :<br /> BZ 0<br /> BZ (r )  , (2.3)<br /> 1   M .( r  r0 ) 2<br /> Trong đó: 0 - khoảng cách giữa bề mặt bao ngoài của CBX tới mục tiêu khi bay;<br /> r0 - bán kính bao ngoài của CBX;<br /> BZ 0 - giá trị cảm ứng từ trên bề mặt ngang sườn CBX ở tiết diện trung bình;<br /> a2 M ,  M - hệ số phản ánh sự tắt dần của từ thông theo bán kính kể từ trục CBX,<br /> 2<br /> thông thường a2 M  2  5mm , M  0,05  0,10(1/ mm ) .<br /> 3. Từ thông xuyên qua mục tiêu sẽ phản xạ hoàn toàn và bị suy giảm dần theo bán kính đến trục<br /> CBX cũng theo quy luật nói đến ở trên.<br /> 4. Các giá trị v0 . 0 . . r , góc tới  , điện trở cuộn dây Rd và độ tự cảm L của nó là hằng<br /> số.<br /> 5. Sự không đồng nhất biến dạng của từ thông khi gặp mục tiêu với góc nghiêng được tính bằng<br /> hệ số K  1 . a rc c o s 1   1 , với 1   0 / r0 , 2  rtt / r0 .<br /> <br />  1  2<br /> Với các giả thiết trên, qua thực nghiệm kiểm tra sức điện động cảm ứng xuất hiện trong CBX<br /> với các loại mục tiêu khác nhau, các nhà khoa học đã đưa ra[4]:<br />  (2.4)<br /> E c m ax  . K  . K  . K M . K H .W .v 0 . Ф<br /> 2 . x tt<br /> Trong đó: - xtt - ½ quãng đường chuyển động của mục tiêu trong vùng phản ứng của CBX;<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 25<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br />  1  0<br />  R tt . sin  khi    gh<br /> x tt   (2.5)<br />  R . 1   2 khi   <br />  tt 0 gh<br /> <br /> 0<br /> Với  gh  arccos 0 ; 0  ;<br /> Rtt<br /> -K - Hệ số tính đến độ từ thẩm của vật liệu thân mục tiêu: đối với hợp kim nhôm<br /> K  1  0,036.(10   ) ; đối với hợp kim ti-tan K  1  0,062.(10   ) ; đối với thép<br /> K  1 . Khi   10 mm , K  1 đối với tất cả các vật liệu; K M - Hệ số tính đến đặc tính<br /> sắt từ của vật liệu thân mục tiêu: Với vật liệu phi sắt từ K M  1 ; với vật liệu sắt từ<br /> K M  1,7  2,2 ; K H - Hệ số tính đến sự tập trung dòng do sự phân cực của các mặt đầu<br /> (Hình 1). Đối với mặt đầu phân cực bằng thép Э12 có bề dày 0,5÷2 mm thì K H =1,3-1,4, nếu<br /> không có mặt đầu phân cực thì K H  1 ;<br /> - W - Số vòng dây trong cuộn dây của CBX;<br /> - v0 - Tốc độ dịch chuyển tương đối giữa mục tiêu và CBX trong vùng phản ứng;<br /> - Ф - Phần từ thông bị biến dạng do mục tiêu kim loại và đi qua cuộn dây của CBX;<br /> Khi  0  0,1.r0 (từ thông Bz ( r ) có dạng hàm mũ):<br />  r0 <br />  Ф  2. . B Z 0 .a 22M  e  ( 2.  / a2 . M ) .  e  ( r0  2.  0 ) / a 2 M  (2.6)<br />  a2M  1 <br /> Nếu 0,1.r0   0  5.r0 ( Bz ( r ) có dạng hàm bậc hai thì):<br /> 2. .B Z 0  1  1   M ( r0   0 ) 2  <br /> Ф   .ln   (2.7)<br /> 1   M . 02  2. M  1   M . 20 <br /> Khi CBX có điện trở thuần của cuộn dây Rd , độ tự cảm của cuộn dây L , sức điện động cảm<br /> ứng Ec (t )  Ec max .sin t ở hai đầu ra của CBX được cấp cho mạch điện bên ngoài thông<br /> qua điện trở phụ tải RT , thì cường độ dòng điện qua phụ tải sẽ là:<br /> R<br /> E c m ax  .t <br /> I c (t )  R<br />   .sin  t   . L .cos  t   . L .e L<br />  (2.8)<br /> R   ( .L ) 2<br /> 2<br />  <br /> Trong đó: R  Rd  RT ,  - Tần số góc của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong CBX:<br /> 2  .v0<br />   (2.9)<br /> T xtt<br /> 2.2. Tính toán cho trường hợp CBX xuyên vuông góc với mục tiêu kim loại<br /> Theo [2], mục tiêu sẽ được mô phỏng theo thực nghiệm kiểm tra đo điện áp đầu ra của ГМД-2<br /> – là vành thép 35 có kích thước: D = 78mm, d = 73mm, h = 40mm. Khi đó, vòng thép phải ở trạng<br /> thái ban đầu bao quanh CBX, ta có thể xây dựng mô hình toán mô phỏng ở trên như hình 2.1.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 26 N. H.Bình, N.T.Duy, P.Đ.Hùng, L.H.Hiệu,“Tính toán lý thuyết … cho tên lửa IGLA.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Khi tính toán với mô hình trên, ta bỏ qua lực điện từ do CBX tác dụng lên vòng thép. Như<br /> vậy, vòng thép sẽ được rơi tự do với vận tốc ban đầu v0  0 . Mặt khác, để vòng thép đi qua<br /> khỏi CBX thì chiều cao rơi nhỏ nhất của nó phải bằng chiều cao của vòng thép (h = 40mm).<br /> - Khi đó, vận tốc rơi của ống thép tại thời điểm bề mặt trên của nó ngang bằng với bề mặt<br /> trên của CBX (chiều cao rơi h – h0) sẽ được xem là tốc độ tương tác ban đầu v0 . Với CBX có<br /> chiều cao của nam châm vĩnh cửu h0 = 14 mm, ta dễ dàng tính được v0  714 mm / s và vận<br /> tốc của vòng thép khi nó thoát khỏi CBX vt  885mm / s .<br /> - Thời gian để vòng thép thay đổi tốc độ từ v0 tới vt chính là khoảng thời gian tạo ra tín<br /> hiệu của CBX, ta dễ dàng tính được t  17,5ms .<br /> Trong trường hợp này, khoảng cách giữa CBX và vòng thép  0  1,5mm , r0  35mm , như<br /> vậy 0  0,1.r0 - theo giả thiết 2, cảm ứng từ BZ ( r ) tại một điểm cách trục CBX một khoảng<br /> r được tính gần đúng từ các quan hệ (2.2) và lượng biến đổi từ thông đi qua CBX khi vòng<br /> thép trượt qua sẽ được tính theo quan hệ (2.6). Tính toán điện áp cực đại Ecmax - theo (2.4) với<br /> các tham số đầu vào được thống kê trong bảng 1.<br /> Bảng 1. Các tham số tính toán tín hiệu CBX khi vòng thép trượt qua.<br /> Ký<br /> TT Đại lượng Giá trị Đơn vị tính<br /> hiệu<br /> 1 Bề dày mục tiêu  2,5 mm<br /> 2 Suất dẫn điện riêng của vật liệu mục tiêu   =3,72.104 1/mm<br /> 3 Độ từ thẩm tương đối của vật cản:  1+2,14.10-5<br /> 4 Độ từ thẩm tuyệt đối: o 1,257.10-9 Hr/mm<br /> 5 Bán kính phản ứng giới hạn của cảm biến rgh 110 mm<br /> 6 Khoảng cách giữa bề mặt bao ngoài của CBX tới vành thép 0 1,5 mm<br /> 7 Tốc độ tương tác cảm biến với mục tiêu v0 714 mm/s<br /> 8 Bán kính bao ngoài của CBX r0 35 mm<br /> 9 Cảm ứng từ trên bề mặt ngang sườn CBX BZ 0 1,27.10-6 Wb/mm2<br /> 10 Hệ số tính tới sự không đồng nhất biến dạng của từ thông K 0,4<br /> 11 Hệ số sắt từ của thân mục tiêu K 1<br /> 12 Hệ số sắt từ của vật cản KM 1,7<br /> Hệ số tính đến sự tập trung dòng do sự phân cực của các KH<br /> 13 1<br /> mặt đầu<br /> 14 Số vòng cuộn dây của CBX W 200 vòng<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 27<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> Kết quả tính toán lý thuyết nhận được:<br /> - Giá trị hiệu điện áp lớn nhất tại hai đầu ra của CBX là: Ecmax  0, 96V ;<br /> - Thời gian xuất hiện tín hiệu điện áp (độ dài xung nhận được): t  17,5ms .<br /> - Đồ thị biểu diễn tín hiệu Eс ( t )  Eсmax .sin(.t ) được thể hiện trên hình 2.2<br /> <br /> Đồ thị biểu diễn tín hiệu CBX<br /> <br /> 1.2<br /> Sức điện động cảm ứng (V)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br /> <br /> 0.8<br /> <br /> 0.6 Series1<br /> <br /> 0.4<br /> <br /> 0.2<br /> <br /> 0<br /> .5<br /> <br /> <br /> <br /> .5<br /> <br /> <br /> <br /> .5<br /> 0<br /> <br /> 5<br /> <br /> 3<br /> <br /> 5<br /> <br /> 6<br /> <br /> 5<br /> <br /> 9<br /> <br /> <br /> <br /> 12<br /> <br /> <br /> <br /> 15<br /> 1.<br /> <br /> <br /> <br /> 4.<br /> <br /> <br /> <br /> 7.<br /> <br /> <br /> <br /> 10<br /> <br /> <br /> <br /> 13<br /> <br /> <br /> <br /> 16<br /> Thời gian (ms)<br /> <br /> <br /> Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn tín hiệu của CBX xuất hiện khi vòng thép trượt qua.<br /> <br /> 3. THỰC NGHIỆM KIỂM TRA<br /> 3.1. Tiến hành thử nghiệm<br /> 3.1.1 Chuẩn bị<br /> - Vòng thép 35 tiêu chuẩn (1- Hình 3.1)<br /> - Cảm biến điện từ dạng xoáy ГМД-2, chế tạo tại VN (2 - Hình 3.1);<br /> - Dụng cụ đo: Ôxi nhãn hiệu Protek 5200 (1 – Hình 3.2);<br /> - Thiết bị thử nghiệm: Thiết bị kiểm tra chức năng ГМД-2 chế (2 – Hình 3.2);<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3.1. Chuẩn bị sản phẩm và dụng cụ thử nghiệm<br /> 1- Vòng thép 35; 2- CBX được chế tạo tại VN<br /> 3.1.2 Tiến hành thử nghiệm<br /> Tiến hành lắp ráp thiết bị, dụng cụ đo và kết nối với CBX được thể hiện trên hình 3.2<br /> - Lồng vòng thép bên ngoài CBX rồi đưa chúng vào trong thiết bị thử nghiệm;<br /> - Tiến hành cố định CBX bên trong thiết bị thử nghiệm;<br /> - Nối các đầu đo của ô xillo với hai đầu ra của CBX sao cho đúng: đầu đo dương (+) của ô<br /> xilo với dây đỏ, đầu đo âm (-) của ô xilo với dây đen;<br /> - Từ từ nâng vòng thép trong thiết bị thử lên trên, sao cho bề mặt dưới của vòng thép ngang<br /> bằng với bề mặt dưới của nam châm vĩnh cửu trên CBX;<br /> - Thả tay nâng vòng thép sao cho nó trượt dọc trục CBX và rơi xuống dưới đáy thiết bị thử;<br /> - Tín hiệu điện áp nhận được sẽ thể hiện trên màn hình ô xilo.<br /> <br /> <br /> <br /> 28 N. H.Bình, N.T.Duy, P.Đ.Hùng, L.H.Hiệu,“Tính toán lý thuyết … cho tên lửa IGLA.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3.2. Kết quả thử nghiệm và thảo luận<br /> Sau khi tiến hành thử nghiệm thả rơi vòng thép, kết quả đo trên ôxillo được thể hiện trên<br /> hình 3.2.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> So sánh kết quả thực nghiệm kiểm tra chức năng CBX trên ô xilo (hình 3.2) với kết quả tính<br /> toán lý thuyết (hình 2.2), chúng ta nhận thấy:<br /> - Biên độ điện áp nhận được trong thực nghiệm Ecmax  0,8V , nhỏ hơn so với kết quả lý<br /> thuyết tính được ( Ecmax  0, 96V );<br /> - Độ rộng xung tín hiệu trong thực nghiệm t  25ms , lớn hơn so với khoảng thời gian xuất<br /> hiện tín hiệu khi tính toán ( t  17,5ms ).<br /> Chứng tỏ rằng: Trong khi tính toán lý thuyết, chúng ta đã bỏ qua sự tác động của lực điện từ do<br /> CBX tác dụng lên vòng thép. Sau khi thực nghiệm kiểm tra, thấy rằng các kết quả trên là hoàn<br /> toàn hợp lý, bởi: Do sự tác động của lực điện từ lên vòng thép nên tốc độ trượt của nó khi qua<br /> CBX sẽ bị giảm đi, tương ứng với thời gian chuyển động tương đối của vòng thép so với CBX<br /> cũng lớn hơn và sức điện động sinh ra trong thực tế cũng sẽ bị giảm đi – so với tính toán lý thuyết.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 29<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Qua thực tế nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm kiểm tra chức năng của sản phẩm<br /> CBX ГМД-2 trên ngòi nổ 9Э249 của tên lửa Igla, nhóm tác giả nhận thấy:<br /> - Việc xây dựng một lý thuyết tường minh để thiết kế CBX là rất khó khăn, phức tạp do tính<br /> đặc thù của dạng cảm biến này là sử dụng ảnh hưởng của dòng Fuco xuất hiện trong khối kim<br /> loại khi nó chuyển động tương đối so với nguồn từ trường;<br /> - Vận dụng các công thức thực nghiệm đã được công bố trong một số tài liệu [3, 4] để tính<br /> toán cho một kết cấu cụ thể, trong điều kiện hiện nay là giải pháp tối ưu;<br /> - Kết hợp nghiên cứu thiết kế theo tài liệu được chuyển giao, chế tạo CBX ГМД-2 tại Việt nam<br /> và thử nghiệm kiểm tra chức năng của nó. Kết quả thử nghiệm được so sánh với kết quả tính toán<br /> ở trên để khẳng định tính đúng đắn của các công thức đã áp dụng. Qua đó đã cho thấy các công<br /> thức thực nghiệm ở trên hoàn toàn có thể áp dụng vào thực tế nghiên cứu, thiết kế CBX;<br /> - So sánh các kết quả lý thuyết và thực nghiệm đã nêu trong bài báo với yêu cầu kỹ thuật của<br /> tài liệu chuyển giao [2] ( Ecmax  0, 6V ) – trong cùng điều kiện thử nghiệm, một lần nữa khẳng<br /> định tính chân thực và khoa học của kết quả nghiên cứu, chế tạo CBX ГМД-2 tại Việt Nam.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. “Ngòi nổ 9Э249 - Thuyết minh kỹ thuật”, Viện Vũ khi – Tổng cục CNQP, 2013.<br /> [2]. “Ngòi nổ 9Э249 – Bản vẽ sản phẩm, Tập 1”, Viện Vũ khi – Tổng cục CNQP, 2013.<br /> [3]. Г.А. Сулин, “Сенсорные системы боеприпасов”, Учеь. пособие/ БГТУб 1998.<br /> [4]. Г.А. Сулин, “Теоретические основы расчета сенсорных систем”, Министерство<br /> образованя Российской Федерации Балтийский государственный технический<br /> уиверситет Военмех. Санкт-Петербург, 2000.<br /> [5]. Министерство Обороны СССР “Преносный зенитный ракетный комплекс Игла<br /> (9К38) – Техническое описание и инструкция по эксплуатация 9К38 ТО”, Москва<br /> Военное издательство, 1987.<br /> <br /> ABSTRACT<br /> CALCULATING THEORY AND EXPERIMENTALLY MEASUREMENT OF SIGNAL<br /> SENSOR IN ГМД-2 OF FUZE 9Э249 FOR MISSILE IGLA<br /> <br /> Application principle of magnetic focused for electromagnetic sensor of vortices form,<br /> the article concentrated research on sensor ГМД-2 in 9Э249 fuze. Results of theoretical<br /> calculations and experimental test of the sensor signal is the basis for the study and<br /> design of electromagnetic sensors for certain types of fuses, especially for fuses on the<br /> missile.<br /> Keywords: Mechanical-Weapon, Missiles, Electromagnetic induction, Sensors.<br /> <br /> <br /> Nhận bài ngày 7 tháng 4 năm 2015<br /> Hoàn thiện ngày 28 tháng 5 năm 2015<br /> Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 6 năm 2015<br /> <br /> <br /> Địa chỉ: 1 Viện Tên lửa, Viện KH-CN Quân sự; *Email: binhngatula@gmail.com;<br /> 2 3<br /> Khoa Vũ khí, Học viện Kỹ thuật quân sự; Cục Kỹ thuật - Quân chủng PK-KQ.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 30 N. H.Bình, N.T.Duy, P.Đ.Hùng, L.H.Hiệu,“Tính toán lý thuyết … cho tên lửa IGLA.”<br />