集束子彈藥引信獨立自毀自失效設(shè)計方法

趙玉清，孫良成，李建強，靳朝陽

(豫西工業(yè)集團有限公司， 河南 南陽 473000)

集束彈藥，也稱子母彈，具有瞬時火力密集、覆蓋面積廣、殺傷與摧毀效能大等特點。在作戰(zhàn)中具有很強殺傷力的同時，也存在巨大的隱患，即集束彈藥戰(zhàn)后遺留在戰(zhàn)場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際社會關(guān)注的熱點。

文獻[1]介紹了集束彈藥的相關(guān)定義，國外對集束彈藥限制條款的應(yīng)對措施及子彈藥“三自”技術(shù)發(fā)展趨勢；文獻[2]分析了集束彈藥公約情況及美國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[3]研究了集束子彈藥“三自”組合設(shè)計方法；文獻[4]披露了降低集束子彈藥未爆彈率可采用的技術(shù)路線。

以上文獻針對集束子彈藥機械引信的自毀自失效進行了分析，但其自毀自失效機構(gòu)在解除保險啟動激勵環(huán)節(jié)都與主發(fā)火機構(gòu)或隔爆機構(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)”中尚沒有要求自毀機構(gòu)解除保險與引信發(fā)火機構(gòu)解除保險各自獨立，但若隔爆機構(gòu)沒有解除保險則引信瞎火。本文針對上述問題，提出了集束子彈藥引信獨立自毀自失效設(shè)計方法。

1 集束子彈藥引信自毀自失效國外研究現(xiàn)狀

1.1 自毀自失效內(nèi)涵與外延

在聯(lián)合國《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)置或外附的自動作用機構(gòu),以確保內(nèi)置或外附這種機構(gòu)的彈藥實現(xiàn)炸毀。

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

自毀裝置的發(fā)火機理不同于主發(fā)火機構(gòu)，自毀裝置的啟動激勵與目標(區(qū))無關(guān)，激勵應(yīng)來源于子彈藥拋撒或/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。

自失效是對自毀裝置失效時的補充，可以通過起爆引信敏感火工品來實現(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。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

美國為達到國防部要求,減少未爆彈藥,對配用于 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)子彈引信進行改進設(shè)計,其中部分方案就是在M223引信的基礎(chǔ)上增加一套獨立的火藥定時自毀機構(gòu)形成XM1160、XM1161和XM1162子彈藥火藥自毀引信系列[7]。

目前國外具有代表性的產(chǎn)品有以色列的M85子彈藥引信，美國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滑塊的離心保險；同時在空氣動力作用下，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，飄帶帶動擊針相對慣性體旋轉(zhuǎn)，從而解除對滑塊的保險，滑塊移動到位；減速翼打開；滑塊運動到位后，自毀錘擊發(fā)延期管，若子彈藥未正常發(fā)火，在延時一定時間后起爆主雷管，子彈藥自毀。M85子彈引信結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

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

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，滑塊的限位保險被解除，離心子在離心力作用下克服彈簧的抗力解除對滑塊的離心保險，飄帶在空氣動力作用下展開。由于飄帶與子彈存在旋轉(zhuǎn)速率差，擊針在飄帶帶動下旋轉(zhuǎn)，擊針旋出后解除對滑塊的主保險；自毀擊針制動塊在離心力作用下飛出。自毀擊針繞軸旋轉(zhuǎn)，刺發(fā)火帽點燃延期藥，自毀自失效裝置啟動：若滑塊正常解除保險，但主發(fā)火未能正常發(fā)火，經(jīng)一定延時，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，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)計分析：XM242子彈引信的自毀機構(gòu)和引信的隔爆機構(gòu)共用一套主擊針保險機構(gòu)。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是作用可靠性差，如果主擊針保險機構(gòu)沒有解除保險，則主發(fā)火機構(gòu)和自毀機構(gòu)均不作用。若自毀失效，則經(jīng)一定延時，延期藥引爆次雷管、起爆主雷管，引信自失效。

3) 美國用于GMLRS多管火箭彈的火藥定時自毀子彈引信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；滑塊移動過程中解除對轉(zhuǎn)子的第一道保險。飄帶帶動擊針旋轉(zhuǎn)，旋出后釋放轉(zhuǎn)子，引信解除第二道保險，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正處于待發(fā)狀態(tài)。碰目標時，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，組合延期索延時一定時間后起爆雷管，子彈引信自失效[10]。用于GMLRS多管火箭彈的火藥定時自毀子彈引信結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖3。

設(shè)計分析：美國用于GMLRS多管火箭彈的火藥定時自毀子彈引信自毀機構(gòu)的保險機構(gòu)是獨立的，但是，這個保險的可靠性差，飄帶散開就可能解除保險。如果擊針沒有解除保險或轉(zhuǎn)子沒有轉(zhuǎn)正，通過自毀機構(gòu)可以起爆雷管，實現(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)。缺點是如果鎖銷不解除保險則引信瞎火，不能自毀、自失效。

2 設(shè)計原理及特性分析

2.1 設(shè)計原理

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

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

設(shè)計分析：子彈引信的自毀自失效機構(gòu)的保險機構(gòu)是獨立的。引信隔爆機構(gòu)的保險機構(gòu)不解除保險，或隔爆件不能運動到位，不影響自毀自失效機構(gòu)作用，引信具有兩套獨立的發(fā)火機構(gòu)，并且，自毀自失效機構(gòu)的發(fā)火能量來自開艙的環(huán)境能，開艙刺發(fā)失效時，利用碰目標的能量繼續(xù)刺發(fā)，自毀機構(gòu)使用了冗余的發(fā)火能量，并且，自毀機構(gòu)的啟動不依賴目標，其優(yōu)點是引信作用可靠性高。引信的保險機構(gòu)和發(fā)火機構(gòu)均利用環(huán)境能，沒有用內(nèi)儲能，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、試驗過程中的傷人事故，提高了部隊使用的安全性。

通過機械的方法實現(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。

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

該設(shè)計方法的解除保險及啟動激勵獨立于發(fā)火機構(gòu)和隔離機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、作用可靠性高、安全性高、體積小，效費比高等優(yōu)點。

2.2 目標應(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)火機構(gòu)。子彈引信目標通常有兩大類型，一種是硬目標(裝甲目標等)，另一種是軟目標(雜草、灌木、沙土、雪地、水塘、水面、叢林、松土、 沼澤、 沙漠，大著角)，兩種目標抗力特性有很大區(qū)別，碰擊硬目標時，慣性發(fā)火機構(gòu)的擊針部件瞬時受到足易使雷管爆炸的能量；碰擊軟目標，力的作用時間較長，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)火機構(gòu)解決了對目標的毀傷功能，不依賴目標發(fā)火的子彈自毀機構(gòu)解決了子彈落姿不正或子彈落入軟介質(zhì)主發(fā)火機構(gòu)瞎火率高的技術(shù)問題[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很重要的指標。在國際軍控背景嚴峻形勢下，已經(jīng)成為子彈藥技術(shù)發(fā)展的首要問題。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)上增加或改進自毀機構(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)計上，著力解決發(fā)火能源，以高可靠自毀/自失效彌補引信主發(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)計值，三種引信配用的子彈未爆彈率都不超過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為彈道敏感機構(gòu)可靠度；RS為安保機構(gòu)可靠度；RT為發(fā)火機構(gòu)可靠度；RSD為自毀自失效機構(gòu)可靠度[13]。則未爆彈率為：RUBR=1-R(Ф)。

帶有獨立自毀自失效機構(gòu)的引信由慣性觸發(fā)機構(gòu)、隔離機構(gòu)、后坐保險機構(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，自毀自失效機構(gòu)的保險激勵和啟動激勵來源于母彈拋撒激勵，并獨立于發(fā)火裝置和安全系統(tǒng)的啟動激勵。其結(jié)構(gòu)設(shè)計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，對降低未爆彈率具有很高的效費比。

據(jù)集束子彈藥目標特性及作用可靠性分析，提出4點自毀自失效機構(gòu)設(shè)計建議：

1) 引信的設(shè)計既要保證觸及軟質(zhì)地面目標時可靠發(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，提高對目標的毀傷效能[15]；

2) 自毀裝置啟動激勵應(yīng)獨立于發(fā)火裝置的啟動激勵，不應(yīng)依賴碰擊目標的環(huán)境[16]；

3) 自毀裝置啟動激勵應(yīng)獨立于安全系統(tǒng)的啟動激勵。當安全系統(tǒng)失效時，自毀裝置應(yīng)能實現(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，自毀火工品均能可靠起爆主雷管，實現(xiàn)自毀和自失效功能。

3 仿真驗證

應(yīng)用隨機模擬方法，即蒙特卡羅方法對自毀和綜合發(fā)火率進行統(tǒng)計仿真。計算前假設(shè)條件：

各組成部分可靠性取值范圍在[0.90,0.99]。

仿真驗證結(jié)果表明，該獨立自毀自失效設(shè)計方法滿足高可靠自毀作用率要求，自毀作用率達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立自毀自失效設(shè)計方法，該設(shè)計方法適應(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、效費比高等特點。

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