風速對子彈引信發火率的影響

【裝備理論與裝備技術】

風速對子彈引信發火率的影響

趙玉清，劉萌萌，李建強，盛鵬，杜金濤

(豫西工業集團有限公司, 河南 南陽473000)

摘要：在子母彈子彈拋撒后的運動過程中，有可能受到風速這一不穩定外部因素的影響，有必要研究風速對子彈引信發火率的影響。過去的一些學者曾對子彈引信安全系統以及尾帶的氣動力特性等方面進行研究，以改進子彈的工作性能，從而提高發火率，例如文獻[1]提出的子彈引信安全系統，根據仿真的結果，提出了改進建議；文獻[2]通過分析子彈尾帶對子彈落姿和可靠性的影響，通過機理分析和試驗驗證得出了相關參數的優化調整方案；文獻[3]從子母彈子彈開艙與拋撒環境著手，分析子彈運動狀態和影響子彈穩定性的主要因素，從而提高子彈引信解除保險和子彈終點毀傷的可靠性；然而在子彈拋撒后的運動過程中，風速這一不穩定的外部因素極有可能影響子彈的正常工作，這一外界干擾因素往往被人們所忽視，橫向風速對子彈發火率的影響有可能超乎人們的想象，目前對此的研究甚少，因此分析風速對子彈發火率的影響，對子彈引信的設計以及在規定風速條件下進行生產驗收是很有必要的。

關鍵詞：子彈；引信；發火率；風速；擊針受力

收稿日期：2015-04-17

作者簡介：趙玉清(1962—)，男，高級工程師，主要從事引信及子彈藥研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.003

中圖分類號：TJ43

文章編號：1006-0707(2015)09-0010-05

收稿日期：2015-04-29

基金項目：國家自然科學基金資助(61473306)

收稿日期：2015-02-17

基金項目：成都軍區裝備維修科學研究(裝計[2014]47號)

本文引用格式：趙玉清，劉萌萌，李建強，等.風速對子彈引信發火率的影響[J].四川兵工學報，2015(9):10-13.

Citationformat:ZHAOYu-qing,LIUMeng-meng,LIJian-qiang,etal.AnalysisoftheInfluenceofWindSpeedofBombletFuzeFiringRate[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(9):10-13.

AnalysisoftheInfluenceofWindSpeedofBombletFuzeFiringRate

ZHAOYu-qing,LIUMeng-meng,LIJian-qiang,SHENGpeng,DUJin-tao

(YuxiIndustrialGroupCo.,LTD.,Nanyang473000,China)

Abstract:The movements of the bomblets after being dispensed might be impacted by some external instability factors. Therefore, it is necessary to study the influence of wind speed on the firing rate of bomblet fuzes. By analyzing the stress on the tail belt, the projectile and the firing pin, it turned out through matlab calculation that the damping moment will increase as the wind speed getting faster. Then the damping moment may be stronger than the active moment so as to affect the rotation of the firing pin and lead to the consequence of a misfiring of fuses. Two sets of dispensing tests were carried out to verify the liability of the calculation, and the results have shown that the wind speed can directly affect the firing rate of the bomblet fuses, when conduct the design tests and evaluation tests, the influence of the wind speed on firing rate of the fuses cannot be overlooked during the acceptance tests.

Keywords:bomblet;fuze;firingrate;windspeed;thestressonfiringpin

近年來，集束彈藥子彈發火率問題在國際上受到廣泛關注，集束彈藥議定書草案[1]要求子彈具有99%的發火率，因此分析影響子彈發火率的因素很有必要。過去的一些學者曾對子彈引信安全系統以及尾帶的氣動力特性等方面進行研究，以改進子彈的工作性能，從而提高發火率，例如文獻[2]中提出的子彈引信安全系統，根據仿真的結果，提出了改進建議；文獻[3]中通過分析子彈尾帶對子彈落姿和可靠性的影響，通過機理分析和試驗驗證得出了相關參數的優化調整方案；文獻[4]中從子母彈子彈開艙與拋撒環境著手，分析子彈運動狀態和影響子彈穩定性的主要因素，從而提高子彈引信解除保險和子彈終點毀傷的可靠性。然而在子彈拋撒后的運動過程中，風速這一不穩定的外部因素極有可能影響子彈的正常工作，這一外界干擾因素往往被人們所忽視，橫向風速對子彈發火率的影響有可能超乎人們的想象，目前對此的研究甚少，因此分析風速對子彈發火率的影響，對子彈引信的設計以及在規定風速條件下進行生產驗收是很有必要的。

1子彈工作過程及引信結構

圖1所示為美軍M77型子彈結構圖，上部為M223子彈引信，下部為子彈戰斗部。

圖1　 M77型子彈結構

目前，美軍裝備的子彈引信主要包括以下幾種：M223型子彈引信、M230型子彈引信、M231型子彈引信、M43A1型殺傷子彈引信、改進型M230子彈引信、M234型機電子彈引信、M235型機電子彈引信。子彈引信基本上都是以M223引信為基型或以M223引信的尾帶，擊針、慣性筒組成的風動螺桿保險機構為基型。因此，主要介紹M223子彈引信的結構原理，并以此為代表分析風速對子彈引信發火率的影響。M223子彈引信具有保險/解除保險標志，子彈引信瞎火率3%[5-6]。

M223子彈引信由擊針、尾帶、慣性筒、滑塊及其簧、M55針刺雷管、蓋、保險夾等零件組成。零件很少，引信結構相當簡單，零件加工工藝性好，滿足了低成本、大批量生產的要求。導爆藥在子彈中，子彈與子彈引信鉚接在一起。子彈裝入母彈前去掉保險夾[7-8]。

M223子彈引信作用原理：在發射前，子彈成串裝于母彈內，子彈引信處于保險狀態。母彈飛至預定的開艙點時，時間引信開始工作，母彈開艙拋出子彈，子彈相互分離，上一發子彈不再限制下一發子彈，子彈引信解除第一道保險，同時子彈上的尼龍尾帶展開，使子彈穩定飛行。由于子彈尾帶與擊針鉚接在一起，子彈尾帶受空氣阻力作用，子彈尾帶帶動擊針旋轉的轉速小于子彈的轉速，擊針從子彈引信中旋出，釋放滑塊，引信解除第二道保險，滑塊在離心力和彈簧力的共同作用下運動到位，使擊針與雷管對正。碰到目標時，擊針和慣性筒在慣性力作用下擊發雷管，子彈中的導爆藥、成型裝藥依次作用，完成毀傷任務[9-10]。

2主要部件受力分析

2.1尾帶的動力學特征分析

從空氣動力學的角度來看，柔性穩定帶的受力和剛性尾翼不同，它是靠阻力來起穩定作用的，下面將穩定帶的阻力作簡要分析。

尾帶上的阻力可以分為兩個部分，即阻力Rx在彈的軸線上的投影，假設此軸向力為X1，即X1=Rxcosδ，當阻力Rx在垂直彈軸方向上投影時，便成為法向力Y1，即Y1=Rxsinδ，如圖2所示為有風情況情況下尾帶的受力示意圖。

圖2　穩定帶的受力分析

圖2中軸向力X1和法向力Y1的無量綱系數分別為CXScosδ和CXSsinδ，其中δ表示攻角，CXS表示穩定帶的阻力系數，其大小為

(1)

其中：RXS為穩定帶的總阻力；ρ為空氣密度；νr為彈體相對空氣的速度；S為彈身最大橫截面積。

2.2有風情況下彈體所受空氣動力和力矩

(2)

2.2.1彈體在有風時的空氣動力

1) 阻力Ry。彈體所受阻力的方向沿相對速度矢量的反方向，相對速度大小為彈體相對地面速度與風速的和速度值，該阻力的表達式為

Ry=ρvrScy(-vr)/2

(3)

其中：S為彈體橫截面積；Cy為阻力系數。

2) 升力Rz。彈體所受升力在相對速度vr與彈軸組成的平面內并垂直于相對速度v，與彈軸在vr的同一側，升力的大小可表示為如下，其中cz為升力系數。

(4)

3) 重力。彈體飛行時在空中所受重力為

G = mg

(5)

2.2.2彈體在有風時的空氣動力矩

1) 靜力矩Mz。有風時彈體所受靜力矩可表示為

(6)

2) 赤道阻尼力矩Mzz。赤道阻尼力矩是彈體擺動的力矩，與彈體擺動角速度ω方向相反，即

Mzz=-ρvrSldmzzω/2

(7)

3) 極阻尼力矩Mxz。該力矩由彈體繞縱軸旋轉的角速度ωξ所引起，阻止彈體的旋轉，故其矢量方向與ωξ方向相反，它在彈軸坐標系的分量為[5]

Mxz=-ρvrSldmxzωξ/2

(8)

2.3擊針受力及力矩分析

根據上面對尾帶和彈體的受力分析可得，擊針所受力和力矩包括，一是阻力帶提供的拉力F及極阻尼力矩，其中拉力來自于空氣阻力；二是彈體牽連力Fq和螺紋連接摩擦力和摩擦力矩，彈體牽連力可分解為軸向力和徑向力；三是慣性筒所受的離心力Fl1，作用于擊針上的正壓力N及其產生的摩擦力和摩擦力矩；四是擊針所受的離心力Fl2及其產生的摩擦力和摩擦力矩，如圖3所示。

圖3　擊針受力分析

為簡化計算，不考慮擊針和慣性筒的裝配偏心，因此，其所受離心力按0計算，圖3為擊針的受力分析圖，其中ox,oy為彈體坐標軸，計算時將各個力投影到彈體坐標軸上進行運算，風速w為水平方向。對于擊針的螺紋鏈接，螺母所受的軸向載荷是沿螺紋各圈分布的，該螺紋為三角形螺紋，為便于分析，用集中載荷Fz代替，并設Fz作用于螺紋中徑圓周的一點上，而徑向力Fj均勻的作用在各個牙型面上，擊針螺紋處受力情況如圖4所示，α為牙型角，N′為法向反力，令

fv=f/cosβ

(9)

fv為當量摩擦系數。

螺紋軸向壓力和徑向壓力產生的摩擦力Fj，Fz的大小分別為

(9)

摩擦力矩大小分別為

(10)

式(10)中：θ為摩擦角；r為螺紋半徑；l為螺紋長度。

圖4　螺紋受力示意圖

3計算結果及試驗驗證

3.1風速對擊針受力影響結果分析

根據上一節受力分析結果可以計算出隨著風速變化彈體阻力的變化情況，以及主擊針受力和力矩的大小。在此選用的相關參數如下：彈重為182g，彈體直徑38.9mm，彈長45mm，彈形系數為1.25，擊針直徑5mm，平均彈道傾角73.5°，平衡落速為34.8m/s。代入已知參數便可以得到計算結果，圖5顯示的是空氣阻力隨速的速的變化情況，根據某基地介紹，當高度小于1 000m的情況下，在實際的靶場試驗中，若風速大于30m/s，則不進行試驗，通常情況下的實際風速在20m/s以下，在此選定的風速變化區間為0～50m/s，以便更好的研究風速對子彈發火率的影響。從圖5可以看出，空氣阻力隨著橫向風速的增大而增大，升力的變化情況與阻力相同，只是由于升力系數和阻力系數的差異，使得力的大小有所不同。將計算得到的阻力與升力分解為彈體軸向力和徑向力后便可以計算軸向摩擦力和徑向摩擦力的大小。

圖5　空氣阻力隨風速的變化

表1顯示的是擊針所受軸向摩擦力和徑向摩擦力的數值計算結果，從表中可以看出，軸向摩擦力隨風速的增大而增大，而徑向摩擦力隨風速的增大而減小，根據表中數據變可以計算得到摩擦力矩隨風速的變化情況。

表1　摩擦力隨風速的變化情況

圖6顯示的是軸向和徑向摩擦阻力矩之和隨風速變化的計算結果，從圖6中可以看出，風速越大，擊針所受摩擦力矩越大，圖7顯示的是阻力帶提供的阻尼力矩隨風速的變化情況，從圖7中可以看出，阻尼力矩也隨風速的增大而增大，但是相比摩擦力矩來說該阻力矩數值較小。由此可得，當風速過大時，由于兩種阻力矩的增加使得擊針所受主動力矩無法克服阻力矩，擊針不能相對于彈體轉動，或者相對轉速較小，無法完成整個的旋出過程，由此影響彈體成功解除保險，導致子彈瞎火。綜合以上的計算結果可以得出，子彈的發火率會隨風速的增大而減小。

圖6　摩擦力矩隨風速的變化情況

圖7　極阻尼力矩隨風速的變化情況

3.2試驗驗證風速對發火率的影響

為了驗證運算結果的可靠性，對某加榴炮子母彈進行了母彈拋撒子彈發火性試驗，試驗分為兩組，試驗數據如表2所示：兩次試驗為同一批子彈，同一門炮，同一批母彈，唯一區別就是高空橫向風速差別大。從表2結果可以看出，在1 000m高度，風速為10.3m/s時，子彈瞎火8枚，發火率較高；而當風速為22.2m/s時，瞎火40枚子彈，造成子彈發火率不滿足要求，那么，為什么在地面風速減小后，引信還不解除保險呢，這是因為所試驗的子彈引信裝有差動輪系，造成擊針解除保險時間較長，部分子彈引信在落地時還沒有完全解除保險。試驗結果與前面的計算結果基本吻合，也就是說拋撒子彈時，必須考慮外界因素的影響，若風速較大，彈體阻力與阻尼力矩均增大，從而導致轉速達不到要求的數值，會導致擊針無法成功解除保險，從而子彈瞎火。

表2　兩組試驗數據對比

綜合計算結果及試驗結果，可以認為橫向風速對子彈發火率是有直接影響的，尤其是當風速為水平方向時，本文討論的就是該種情況。從計算結果來看，當風速達到15m/s以上時，瞎火子彈數目會明顯增多，在今后的子彈拋撒試驗時需要考慮這一因素，以免使得因為外界條件的干擾而影響試驗結果。此外，也可以從改進子彈的結構方面著手，減小風速對其正常工作的影響，從而使得子彈在風速較大的情況下也能有較高發火率。

4結論

本文通過分析風速對子彈受力情況的影響，得到了隨著橫向風速的變化，擊針所受阻尼力矩的變化情況，從計算結果中可以看出，風速的增大會使得擊針所受阻尼力矩增大，使得擊針所受主動力矩無法克服該阻力矩，這時可能會導致擊針無法正常旋出，從而無法成功解除保險，子彈瞎火，發火率下降。為驗證運算結果的可靠性，進行了兩組子彈拋撒試驗，試驗結果表明，橫向風速對子彈的瞎火率是有直接影響的，在設計和鑒定試驗時應考慮極限風速對引信可靠性的影響。在產品驗收試驗中不能忽視這一因素的干擾，從而提高試驗的成功率。

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(責任編輯周江川)