Tổng quan nghiên cứu

Ngòi nổ tên lửa phòng không vác vai (TLPKVV) là một hệ thống cơ - điện tử phức tạp, đóng vai trò then chốt trong việc kích hoạt đầu đạn khi tên lửa tiếp cận mục tiêu. Theo ước tính, độ tin cậy hoạt động của ngòi nổ TLPKVV đạt tới 99,6%, với các tham số kỹ thuật như thời gian mở bảo hiểm xa từ 1,1 đến 1,9 giây, khoảng cách mở bảo hiểm từ 100 đến 400 mét, và thời gian tự hủy từ 14 đến 17 giây. Tuy nhiên, các phương pháp thử nghiệm tĩnh hiện tại chỉ đánh giá được từng cơ cấu riêng lẻ, chưa mô phỏng được toàn bộ quá trình hoạt động tổng hợp của ngòi khi bắn đạn thật.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng một phương pháp điều khiển và giám sát quá trình thử nghiệm ngòi nổ điện tử mô phỏng bắn đạn thật bằng PLC và PC, nhằm mô phỏng vật lý hoạt động của ngòi TLPKVV một cách liên tục, chính xác và sát thực tế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế, chế tạo thiết bị thử nghiệm mô phỏng các trường vật lý (cơ học, điện từ) tác động lên ngòi trong quá trình bay và va chạm mục tiêu, đồng thời thu thập và xử lý dữ liệu để đánh giá độ tin cậy hoạt động của ngòi.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả kiểm tra chất lượng ngòi nổ cơ - điện tử, giảm thiểu chi phí và rủi ro trong thử nghiệm thực tế, đồng thời góp phần phát triển công nghệ điều khiển tự động hóa trong lĩnh vực công nghiệp quốc phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Quan điểm điều khiển học về cấu trúc ngòi nổ: Ngòi nổ được xem như một hệ thống điều khiển gồm ba thành phần chính là hệ thống kích thích, hệ thống bảo hiểm và mạch nổ. Các thành phần này hoạt động liên tục, có sự tương tác qua lại thông qua các tín hiệu điều khiển, đảm bảo ngòi nổ hoạt động chính xác theo thiết kế.

  2. Mô hình động lực học và điện từ trường: Mô hình toán học được xây dựng để giải các bài toán động lực học liên quan đến cơ cấu tạo giả xung va đập và cơ cấu tạo giả từ trường, xác định vận tốc quay trục chính, gia tốc ly tâm, và các thông số kỹ thuật cần thiết để mô phỏng các trường vật lý tác động lên ngòi.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm: lực quán tính dọc trục, cảm biến va đập (ГMД-1), cảm biến từ trường (ГMД-2), cơ cấu bảo hiểm quán tính, cơ cấu mở bảo hiểm hỏa thuật, mạch điện chiến đấu, và thời gian tự hủy.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của ngòi nổ TLPKVV, quy trình thử nghiệm tĩnh hiện hành tại Nhà máy Z129/Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, cùng với các số liệu thực nghiệm từ thiết bị mô phỏng vật lý được chế tạo.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xây dựng mô hình toán học động lực học và điện từ trường để tính toán các thông số vận hành của thiết bị mô phỏng.
  • Thiết kế và chế tạo thiết bị thử nghiệm dựa trên nguyên lý chuyển động tròn tạo lực ly tâm, kết hợp với hệ thống điều khiển PLC và phần mềm giám sát trên PC.
  • Thực hiện các thử nghiệm mô phỏng các giai đoạn hoạt động của ngòi nổ: mở bảo hiểm, kích hoạt cảm biến va đập và từ trường, đo thời gian tự hủy.
  • Phân tích dữ liệu thu thập được để đánh giá độ tin cậy và tính chính xác của mô phỏng.

Cỡ mẫu thử nghiệm bao gồm nhiều lần thử với các ngòi nổ TLPKVV thực tế, sử dụng phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên để đảm bảo tính đại diện. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm, từ 2018 đến 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết bị mô phỏng tạo lực ly tâm đạt ≥ 17g: Thiết bị sử dụng trục quay thẳng đứng với tốc độ điều chỉnh từ 0 đến 420 vòng/phút, tạo ra lực ly tâm tương đương lực quán tính dọc trục trong điều kiện bắn thật. Gia tốc ly tâm tối đa đạt 30g, vượt mức yêu cầu kỹ thuật.

  2. Mô phỏng chính xác các giai đoạn hoạt động của ngòi: Thiết bị mô phỏng thành công ba giai đoạn chính: mở bảo hiểm xa (thời gian mở bảo hiểm T1 đo được trong khoảng 1,1-1,9 giây), kích hoạt cảm biến va đập và từ trường, và đo thời gian tự hủy (T2 trong khoảng 14-17 giây). Tỷ lệ sai số so với dữ liệu thực tế dưới 5%.

  3. Hệ thống điều khiển PLC và phần mềm giám sát PC hoạt động ổn định: Việc sử dụng PLC giúp đơn giản hóa việc lập trình và điều khiển thiết bị, đồng thời phần mềm WinCC trên PC cung cấp giao diện trực quan, thu thập và xử lý dữ liệu thời gian thực, hỗ trợ đánh giá kết quả thử nghiệm.

  4. Cơ cấu giải phóng cơ học và điện từ hoạt động hiệu quả: Cơ cấu giải phóng khối va đập và vòng thép mô phỏng xung va đập và từ trường được điều khiển bằng nam châm điện, đảm bảo kích hoạt chính xác cảm biến ГMД-1 và ГMД-2. Quãng đường chuyển động của khối va đập ≥ 40mm, vòng thép ≥ 50mm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

Thảo luận kết quả

Kết quả thử nghiệm cho thấy thiết bị mô phỏng vật lý hoạt động ngòi nổ TLPKVV bằng PLC và PC có khả năng tái tạo chính xác các trường vật lý và quá trình hoạt động của ngòi trong điều kiện bắn thật. So với các phương pháp thử nghiệm tĩnh truyền thống, thiết bị mới khắc phục được nhược điểm chỉ đánh giá rời rạc từng cơ cấu, đồng thời mở rộng khả năng mô phỏng các cơ cấu điện - từ phức tạp.

Dữ liệu thu thập được có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian mở bảo hiểm, biểu đồ xung kích hoạt cảm biến, và bảng so sánh thời gian tự hủy giữa mô phỏng và thực tế, giúp trực quan hóa hiệu quả mô phỏng.

So sánh với một số nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa và mô phỏng vật lý, phương pháp này có ưu điểm về tính liên tục, hệ thống và khả năng giám sát trực tiếp trên máy tính, góp phần nâng cao độ tin cậy trong đánh giá chất lượng ngòi nổ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng thiết bị mô phỏng trong quy trình kiểm tra sản xuất: Áp dụng thiết bị mô phỏng để thay thế hoặc bổ sung cho các thử nghiệm tĩnh truyền thống, nhằm giảm thiểu chi phí và rủi ro trong thử nghiệm thực tế. Thời gian thực hiện trong vòng 1 năm, do các phòng thí nghiệm kiểm tra chất lượng đảm nhiệm.

  2. Nâng cấp phần mềm giám sát và phân tích dữ liệu: Phát triển thêm các module phân tích tự động, cảnh báo lỗi và báo cáo kết quả chi tiết, giúp tăng hiệu quả đánh giá và giảm thiểu sai sót. Thời gian phát triển dự kiến 6 tháng, do nhóm kỹ thuật phần mềm thực hiện.

  3. Mở rộng mô phỏng cho các loại ngòi nổ cơ - điện tử khác: Nghiên cứu điều chỉnh thiết bị và mô hình toán học để áp dụng cho các loại ngòi nổ có cấu trúc phức tạp tương tự, nâng cao tính ứng dụng của công nghệ. Thời gian nghiên cứu mở rộng khoảng 2 năm, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp quốc phòng.

  4. Đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì thiết bị: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ thuật viên và cán bộ vận hành nhằm đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định và hiệu quả lâu dài. Thời gian đào tạo 3 tháng, do đơn vị sản xuất thiết bị phối hợp với nhà trường thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn về mô phỏng vật lý và điều khiển thiết bị thử nghiệm, hỗ trợ phát triển các hệ thống điều khiển phức tạp trong công nghiệp quốc phòng.

  2. Cán bộ kỹ thuật và quản lý tại các nhà máy sản xuất ngòi nổ và thiết bị quốc phòng: Tham khảo để áp dụng phương pháp thử nghiệm mới, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí thử nghiệm thực tế.

  3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật điều khiển, tự động hóa và cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng thực tế của kiến thức điều khiển tự động và mô phỏng vật lý trong lĩnh vực quốc phòng.

  4. Các đơn vị nghiên cứu phát triển công nghệ quốc phòng: Hỗ trợ trong việc thiết kế, chế tạo và đánh giá các loại ngòi nổ cơ - điện tử hiện đại, góp phần nâng cao năng lực công nghiệp quốc phòng trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị mô phỏng có thể áp dụng cho các loại ngòi nổ khác ngoài TLPKVV không?
    Thiết bị được thiết kế linh hoạt với mô hình toán học có thể điều chỉnh để mô phỏng các loại ngòi nổ cơ - điện tử tương tự, tuy nhiên cần hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật phù hợp với từng loại ngòi cụ thể.

  2. Phương pháp mô phỏng vật lý có ưu điểm gì so với thử nghiệm tĩnh truyền thống?
    Phương pháp mô phỏng vật lý cho phép đánh giá hoạt động liên tục, tổng thể của ngòi nổ trong các điều kiện gần sát thực tế bắn, giảm thiểu tiêu hao sản phẩm thử nghiệm và tăng độ chính xác trong đánh giá.

  3. Làm thế nào để đảm bảo an toàn khi vận hành thiết bị mô phỏng?
    Thiết bị được trang bị chắn an toàn quanh khu vực quay, sử dụng nguồn điện ổn định, có hệ thống điều khiển tự động và các cơ cấu bảo vệ, đồng thời nhân viên vận hành được đào tạo bài bản về an toàn lao động.

  4. Dữ liệu thu thập từ thiết bị được xử lý như thế nào?
    Dữ liệu được thu thập qua PLC và phần mềm WinCC trên PC, xử lý thời gian thực, hiển thị biểu đồ và bảng số liệu, hỗ trợ phân tích và đánh giá độ tin cậy hoạt động của ngòi nổ.

  5. Chi phí đầu tư thiết bị mô phỏng có phù hợp với điều kiện kinh tế hiện nay?
    Thiết bị sử dụng các linh kiện phổ biến, bộ nguồn switching nhỏ gọn, PLC và phần mềm thương mại, giúp giảm chi phí đầu tư so với các thiết bị chuyên dụng phức tạp, phù hợp với điều kiện kinh tế của các đơn vị quốc phòng trong nước.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình và thiết bị mô phỏng vật lý hoạt động ngòi nổ TLPKVV, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và mô phỏng sát thực tế bắn.
  • Thiết bị tạo được lực ly tâm ≥ 17g, mô phỏng chính xác các giai đoạn mở bảo hiểm, kích hoạt cảm biến và thời gian tự hủy với sai số dưới 5%.
  • Hệ thống điều khiển PLC và phần mềm giám sát PC hoạt động ổn định, hỗ trợ thu thập và phân tích dữ liệu hiệu quả.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng kiểm tra, giảm chi phí thử nghiệm thực tế và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp quốc phòng.
  • Đề xuất các bước tiếp theo gồm triển khai ứng dụng thực tế, nâng cấp phần mềm, mở rộng mô phỏng cho các loại ngòi khác và đào tạo nhân lực vận hành thiết bị.

Quý độc giả và các đơn vị quan tâm được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp công nghệ mô phỏng vật lý hoạt động ngòi nổ để nâng cao hiệu quả nghiên cứu và sản xuất trong lĩnh vực quốc phòng.