集束子彈藥引信獨(dú)立自毀自失效設(shè)計(jì)方法

趙玉清，孫良成，李建強(qiáng)，靳朝陽(yáng)

(豫西工業(yè)集團(tuán)有限公司， 河南 南陽(yáng) 473000)

集束彈藥，也稱子母彈，具有瞬時(shí)火力密集、覆蓋面積廣、殺傷與摧毀效能大等特點(diǎn)。在作戰(zhàn)中具有很強(qiáng)殺傷力的同時(shí)，也存在巨大的隱患，即集束彈藥戰(zhàn)后遺留在戰(zhàn)場(chǎng)上的大量未爆彈藥造成人道主義傷害。因此，降低集束彈藥未爆彈率成為目前國(guó)際社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]介紹了集束彈藥的相關(guān)定義，國(guó)外對(duì)集束彈藥限制條款的應(yīng)對(duì)措施及子彈藥“三自”技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)；文獻(xiàn)[2]分析了集束彈藥公約情況及美國(guó)ATK公司火藥自毀子彈引信(SDF),具有自毀自失效功能，未爆彈率1/100；文獻(xiàn)[3]研究了集束子彈藥“三自”組合設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[4]披露了降低集束子彈藥未爆彈率可采用的技術(shù)路線。

以上文獻(xiàn)針對(duì)集束子彈藥機(jī)械引信的自毀自失效進(jìn)行了分析，但其自毀自失效機(jī)構(gòu)在解除保險(xiǎn)啟動(dòng)激勵(lì)環(huán)節(jié)都與主發(fā)火機(jī)構(gòu)或隔爆機(jī)構(gòu)存在直接或間接的耦合關(guān)系，雖然在“集束彈藥議定書(草案)”中尚沒(méi)有要求自毀機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)與引信發(fā)火機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)各自獨(dú)立，但若隔爆機(jī)構(gòu)沒(méi)有解除保險(xiǎn)則引信瞎火。本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出了集束子彈藥引信獨(dú)立自毀自失效設(shè)計(jì)方法。

1 集束子彈藥引信自毀自失效國(guó)外研究現(xiàn)狀

1.1 自毀自失效內(nèi)涵與外延

在聯(lián)合國(guó)《特定常規(guī)武器公約》(CCW)集束彈藥的談判案文[5]中,自毀自失效有關(guān)定義為：

“自毀裝置”是指除彈藥主引爆裝置之外的一種內(nèi)置或外附的自動(dòng)作用機(jī)構(gòu),以確保內(nèi)置或外附這種機(jī)構(gòu)的彈藥實(shí)現(xiàn)炸毀。

“自失效裝置”是指一種內(nèi)置的自動(dòng)作用機(jī)構(gòu),以使內(nèi)置此機(jī)構(gòu)的彈藥無(wú)法起作用。

自毀裝置的發(fā)火機(jī)理不同于主發(fā)火機(jī)構(gòu)，自毀裝置的啟動(dòng)激勵(lì)與目標(biāo)(區(qū))無(wú)關(guān)，激勵(lì)應(yīng)來(lái)源于子彈藥拋撒或/和飛行環(huán)境[6]；自毀提高了引信綜合作用率，降低了未爆彈率；自毀最終引爆主裝藥；自毀作用率納入考核指標(biāo)。

自失效是對(duì)自毀裝置失效時(shí)的補(bǔ)充，可以通過(guò)起爆引信敏感火工品來(lái)實(shí)現(xiàn)；自失效并未降低未爆彈率，只是降低了未爆彈的危害程度，減少了人道主義傷害；自失效只起爆引信敏感火工品，不引爆主裝藥；自失效只作為一種特征存在，不納入考核指標(biāo)。

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)為達(dá)到國(guó)防部要求,減少未爆彈藥,對(duì)配用于 M915(105 mm) 、M483A1 (155 mm) 、M864 (155 mm) 和多管火箭炮的M80 、M42(155 mm)、M46(155 mm)和M77(GMLRS)子彈引信進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),其中部分方案就是在M223引信的基礎(chǔ)上增加一套獨(dú)立的火藥定時(shí)自毀機(jī)構(gòu)形成XM1160、XM1161和XM1162子彈藥火藥自毀引信系列[7]。

目前國(guó)外具有代表性的產(chǎn)品有以色列的M85子彈藥引信，美國(guó)ATK公司開發(fā)的XM242火藥自毀子彈引信和應(yīng)用于GMLRS多管火箭彈的火藥定時(shí)自毀子彈引信。

1) M85火藥自毀子彈引信

子彈藥引信作用原理：子彈藥按預(yù)定數(shù)量串裝在母彈中；母彈拋撒子彈藥后，由于高速旋轉(zhuǎn)，離心子在離心力作用下克服彈簧的抗力解除對(duì)滑塊的離心保險(xiǎn)；同時(shí)在空氣動(dòng)力作用下，飄帶夾脫落，飄帶打開，子彈藥穩(wěn)定飛行；在極阻尼力矩作用下，飄帶帶動(dòng)擊針相對(duì)慣性體旋轉(zhuǎn)，從而解除對(duì)滑塊的保險(xiǎn)，滑塊移動(dòng)到位；減速翼打開；滑塊運(yùn)動(dòng)到位后，自毀錘擊發(fā)延期管，若子彈藥未正常發(fā)火，在延時(shí)一定時(shí)間后起爆主雷管，子彈藥自毀。M85子彈引信結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

設(shè)計(jì)分析：M85火藥自毀子彈引信的自毀機(jī)構(gòu)和引信的隔爆機(jī)構(gòu)共用一套保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)——主擊針和離心子組成的冗余保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是作用可靠性差，如果保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)沒(méi)有解除保險(xiǎn)，主發(fā)火機(jī)構(gòu)和自毀機(jī)構(gòu)均不發(fā)生作用，也沒(méi)有自失效功能。

2) XM242火藥自毀子彈引信

XM242火藥自毀子彈引信是以M85子彈為基型，改進(jìn)型M42或M46(配用于155mm M864E2)子彈[8]。

XM242火藥自毀子彈引信作用原理：子彈藥在裝填前去掉安全夾，按預(yù)定數(shù)量串裝在母彈中；子彈藥被拋出后，滑塊的限位保險(xiǎn)被解除，離心子在離心力作用下克服彈簧的抗力解除對(duì)滑塊的離心保險(xiǎn)，飄帶在空氣動(dòng)力作用下展開。由于飄帶與子彈存在旋轉(zhuǎn)速率差，擊針在飄帶帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，擊針旋出后解除對(duì)滑塊的主保險(xiǎn)；自毀擊針制動(dòng)塊在離心力作用下飛出。自毀擊針繞軸旋轉(zhuǎn)，刺發(fā)火帽點(diǎn)燃延期藥，自毀自失效裝置啟動(dòng)：若滑塊正常解除保險(xiǎn)，但主發(fā)火未能正常發(fā)火，經(jīng)一定延時(shí)，延期藥引爆次雷管、起爆主雷管，集束子彈藥自毀[9]。若自毀失效，則經(jīng)一定延時(shí)，延期藥引爆次雷管、起爆主雷管，引信自失效。XM242子彈引信結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

設(shè)計(jì)分析：XM242子彈引信的自毀機(jī)構(gòu)和引信的隔爆機(jī)構(gòu)共用一套主擊針保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是作用可靠性差，如果主擊針保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)沒(méi)有解除保險(xiǎn)，則主發(fā)火機(jī)構(gòu)和自毀機(jī)構(gòu)均不作用。若自毀失效，則經(jīng)一定延時(shí)，延期藥引爆次雷管、起爆主雷管，引信自失效。

3) 美國(guó)用于GMLRS多管火箭彈的火藥定時(shí)自毀子彈引信SDF

子彈引信作用原理：子彈藥按預(yù)定數(shù)量串裝在母彈中，母彈拋撒子彈藥后，飄帶展開，固定在飄帶上的鎖銷從滑塊中拔出，滑塊被釋放，滑塊上的擊針刺發(fā)延期索，自毀裝置啟動(dòng)；滑塊移動(dòng)過(guò)程中解除對(duì)轉(zhuǎn)子的第一道保險(xiǎn)。飄帶帶動(dòng)擊針旋轉(zhuǎn)，旋出后釋放轉(zhuǎn)子，引信解除第二道保險(xiǎn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正處于待發(fā)狀態(tài)。碰目標(biāo)時(shí)，擊針刺發(fā)雷管，起爆子彈藥；若未正常起爆，則延期索起爆雷管，子彈自毀； 若轉(zhuǎn)子未轉(zhuǎn)正，組合延期索延時(shí)一定時(shí)間后起爆雷管，子彈引信自失效[10]。用于GMLRS多管火箭彈的火藥定時(shí)自毀子彈引信結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖3。

設(shè)計(jì)分析：美國(guó)用于GMLRS多管火箭彈的火藥定時(shí)自毀子彈引信自毀機(jī)構(gòu)的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)是獨(dú)立的，但是，這個(gè)保險(xiǎn)的可靠性差，飄帶散開就可能解除保險(xiǎn)。如果擊針沒(méi)有解除保險(xiǎn)或轉(zhuǎn)子沒(méi)有轉(zhuǎn)正，通過(guò)自毀機(jī)構(gòu)可以起爆雷管，實(shí)現(xiàn)自失效(由于轉(zhuǎn)子未轉(zhuǎn)正，所以雷管未到位，不能起爆子彈藥)。缺點(diǎn)是如果鎖銷不解除保險(xiǎn)則引信瞎火，不能自毀、自失效。

2 設(shè)計(jì)原理及特性分析

2.1 設(shè)計(jì)原理

為了提高引信綜合發(fā)火率，提出了高作用可靠性、小體積獨(dú)立自毀自失效設(shè)計(jì)方法，其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4。

其工作原理如下：平時(shí)，隔爆件分別被極阻尼保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的擊針(兼慣性發(fā)火機(jī)構(gòu))和慣性保險(xiǎn)銷鎖定在隔爆位置，自毀自失效機(jī)構(gòu)的擊針被其保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)鎖定在保險(xiǎn)狀態(tài)，處于安全狀態(tài)；發(fā)射時(shí)，慣性保險(xiǎn)銷解除保險(xiǎn)。母彈開艙時(shí)，自毀自失效機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)，同時(shí)，自毀自失效機(jī)構(gòu)的擊針刺向延期索，自毀延期開始計(jì)時(shí)。母彈拋撒后，隔爆件的限位保險(xiǎn)解除，飄帶在空氣動(dòng)力作用下展開，由于飄帶與子彈存在旋轉(zhuǎn)速率差，擊針在飄帶帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，擊針旋出后解除隔爆機(jī)構(gòu)的第二道保險(xiǎn)。隔爆件運(yùn)動(dòng)到待發(fā)位置。子彈碰目標(biāo)，慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)的擊針刺發(fā)主雷管，引爆子彈；若慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)的擊針未正常刺發(fā)主雷管，則自毀時(shí)間到后，自毀自失效機(jī)構(gòu)的雷管引爆主雷管，實(shí)現(xiàn)引信自毀；若隔爆機(jī)構(gòu)的隔爆件未運(yùn)動(dòng)到位，自毀自失效機(jī)構(gòu)的雷管也引爆主雷管，實(shí)現(xiàn)引信自失效。若自毀自失效機(jī)構(gòu)在開艙時(shí)未正常刺發(fā)延期索，子彈碰目標(biāo)時(shí)，自毀自失效機(jī)構(gòu)的擊針繼續(xù)刺發(fā)延期索，經(jīng)一定自毀時(shí)間后，子彈自毀。

設(shè)計(jì)分析：子彈引信的自毀自失效機(jī)構(gòu)的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)是獨(dú)立的。引信隔爆機(jī)構(gòu)的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)不解除保險(xiǎn)，或隔爆件不能運(yùn)動(dòng)到位，不影響自毀自失效機(jī)構(gòu)作用，引信具有兩套獨(dú)立的發(fā)火機(jī)構(gòu)，并且，自毀自失效機(jī)構(gòu)的發(fā)火能量來(lái)自開艙的環(huán)境能，開艙刺發(fā)失效時(shí)，利用碰目標(biāo)的能量繼續(xù)刺發(fā)，自毀機(jī)構(gòu)使用了冗余的發(fā)火能量，并且，自毀機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)不依賴目標(biāo)，其優(yōu)點(diǎn)是引信作用可靠性高。引信的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和發(fā)火機(jī)構(gòu)均利用環(huán)境能，沒(méi)有用內(nèi)儲(chǔ)能，自然滿足了“自失能”的要求。引信全壽命周期的安全性好，有效避免了子彈引信研制、裝配、試驗(yàn)過(guò)程中的傷人事故，提高了部隊(duì)使用的安全性。

通過(guò)機(jī)械的方法實(shí)現(xiàn)了子彈藥的“自毀”、“自失效”和“自失能”的三自功能。其結(jié)構(gòu)工藝性好，適合大批量生產(chǎn)，它的成本只有同類電引信的三分之一。

利用一個(gè)機(jī)構(gòu)多種用途的設(shè)計(jì)，在引信體積不變的情況下較好的實(shí)現(xiàn)了上述功能。如極阻尼保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)又是慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)；自毀機(jī)構(gòu)又是自失效機(jī)構(gòu)并共用一個(gè)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)；自毀自失效機(jī)構(gòu)的發(fā)火機(jī)構(gòu)與保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)采用嵌套式設(shè)計(jì)，從而減小了體積。

該設(shè)計(jì)方法的解除保險(xiǎn)及啟動(dòng)激勵(lì)獨(dú)立于發(fā)火機(jī)構(gòu)和隔離機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、作用可靠性高、安全性高、體積小，效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 目標(biāo)應(yīng)力特性分析

破甲、殺傷雙用途子彈引信一般采用慣性觸發(fā)發(fā)火機(jī)構(gòu)。子彈引信目標(biāo)通常有兩大類型，一種是硬目標(biāo)(裝甲目標(biāo)等)，另一種是軟目標(biāo)(雜草、灌木、沙土、雪地、水塘、水面、叢林、松土、 沼澤、 沙漠，大著角)，兩種目標(biāo)抗力特性有很大區(qū)別，碰擊硬目標(biāo)時(shí)，慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)的擊針部件瞬時(shí)受到足易使雷管爆炸的能量；碰擊軟目標(biāo)，力的作用時(shí)間較長(zhǎng)，擊針部件受到的慣性力較小，不易滿足針刺雷管的發(fā)火能量要求。特別是在子彈落姿不正的情況下，引信瞎火率高。因此，主發(fā)火機(jī)構(gòu)解決了對(duì)目標(biāo)的毀傷功能，不依賴目標(biāo)發(fā)火的子彈自毀機(jī)構(gòu)解決了子彈落姿不正或子彈落入軟介質(zhì)主發(fā)火機(jī)構(gòu)瞎火率高的技術(shù)問(wèn)題[11]。

2.3 可靠性分析

子彈藥引信綜合作用率是集束子彈藥一項(xiàng)很重要的指標(biāo)。在國(guó)際軍控背景嚴(yán)峻形勢(shì)下，已經(jīng)成為子彈藥技術(shù)發(fā)展的首要問(wèn)題。根據(jù)子彈藥引信綜合作用率表示式：P=1-(1-P1)(1-P2)，其中P為子彈藥引信綜合作用率，P1為子彈藥引信主發(fā)火率，P2為子彈藥引信自毀作用率。此表示式在提高子彈藥引信綜合作用率方面有兩層含義，一層是提高子彈藥引信主發(fā)火率，二是提高子彈藥引信自毀作用率。主發(fā)火技術(shù)成熟，再提升空間不大，效果甚微。而在原有子彈藥引信基礎(chǔ)上增加或改進(jìn)自毀機(jī)構(gòu)以提高自毀作用率，從而提高綜合作用率，其技術(shù)提升空間大，效果顯著。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，著力解決發(fā)火能源，以高可靠自毀/自失效彌補(bǔ)引信主發(fā)火率的不足。表1為典型集束子彈藥自毀自失效引信的作用率統(tǒng)計(jì)值，三種引信配用的子彈未爆彈率都不超過(guò)1%。

表1 典型集束子彈藥自毀自失效引信的作用率

為便于分析問(wèn)題，將引信抽象為彈道敏感裝置，安保裝置，發(fā)火裝置和自毀自失效裝置，建立可靠度模型[12]。

假設(shè)子彈藥引信綜合作用可靠度為R(Ф)：R(Ф)=Ф(RD，RS，RT，RSD)，其中Ф為單調(diào)線性函數(shù)；RD為彈道敏感機(jī)構(gòu)可靠度；RS為安保機(jī)構(gòu)可靠度；RT為發(fā)火機(jī)構(gòu)可靠度；RSD為自毀自失效機(jī)構(gòu)可靠度[13]。則未爆彈率為：RUBR=1-R(Ф)。

帶有獨(dú)立自毀自失效機(jī)構(gòu)的引信由慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)、隔離機(jī)構(gòu)、后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)組成，其綜合作用可靠度模型如圖5所示[14]。

綜合作用可靠度為：R(Ф)=RD2·RS2[1-(1-RD1·RS1·RT)(1-RSD)]。

如圖5所示，自毀自失效機(jī)構(gòu)的保險(xiǎn)激勵(lì)和啟動(dòng)激勵(lì)來(lái)源于母彈拋撒激勵(lì)，并獨(dú)立于發(fā)火裝置和安全系統(tǒng)的啟動(dòng)激勵(lì)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保了母彈飛行安全，大幅度提高了子彈藥的綜合發(fā)火率，對(duì)降低未爆彈率具有很高的效費(fèi)比。

據(jù)集束子彈藥目標(biāo)特性及作用可靠性分析，提出4點(diǎn)自毀自失效機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)建議：

1) 引信的設(shè)計(jì)既要保證觸及軟質(zhì)地面目標(biāo)時(shí)可靠發(fā)火,又要保證引信彈道上安全；在確保安全性的前提下，提高作用可靠性，提高對(duì)目標(biāo)的毀傷效能[15]；

2) 自毀裝置啟動(dòng)激勵(lì)應(yīng)獨(dú)立于發(fā)火裝置的啟動(dòng)激勵(lì)，不應(yīng)依賴碰擊目標(biāo)的環(huán)境[16]；

3) 自毀裝置啟動(dòng)激勵(lì)應(yīng)獨(dú)立于安全系統(tǒng)的啟動(dòng)激勵(lì)。當(dāng)安全系統(tǒng)失效時(shí)，自毀裝置應(yīng)能實(shí)現(xiàn)自失效功能，引爆引信中的敏感火工品；

4) 不管安全系統(tǒng)是否解除保險(xiǎn)，自毀火工品均能可靠起爆主雷管，實(shí)現(xiàn)自毀和自失效功能。

3 仿真驗(yàn)證

應(yīng)用隨機(jī)模擬方法，即蒙特卡羅方法對(duì)自毀和綜合發(fā)火率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)仿真。計(jì)算前假設(shè)條件：

各組成部分可靠性取值范圍在[0.90,0.99]。

仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，該獨(dú)立自毀自失效設(shè)計(jì)方法滿足高可靠自毀作用率要求，自毀作用率達(dá)99%以上，綜合發(fā)火作用率99%以上，如圖6所示。

4 結(jié)論

1) 本文提出了集束子彈藥引信獨(dú)立自毀自失效設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法適應(yīng)發(fā)射環(huán)境和彈道環(huán)境，具有作用可靠性高、安全性高、效費(fèi)比高等特點(diǎn)。

2) 仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，該獨(dú)立自毀自失效設(shè)計(jì)方法滿足高可靠自毀作用率要求，自毀作用率達(dá)99%以上，綜合發(fā)火作用率99%以上。