結合MIL-STD-1316F探討子彈藥引信安全性設計中的若干問題*

秦棟澤,何光林

(1 中北大學機電工程學院, 太原 030051;2 先進制造技術山西省重點實驗室, 太原 030051; 3 北京理工大學機電學院, 北京 100081 )

0 引言

《引信安全性設計準則》(GJB373A-1997)被視為引信行業的首要標準,該準則等效參照了美軍“引信設計的安全性標準”(MIL-STD-1316C和MIL-STD-1316D),該標準的貫徹使我國引信的安全性顯著提高。當前,美軍最新的“引信設計的安全性標準”MIL-STD-1316F(下文簡稱1316F)在2017年8月發布[1]。該標準與MIL-STD-1316E[2]發布間隔時間長達18年(以往更新版本的間隔周期是7年),1316F體現了美軍近年來對引信安全性的最新理解和認識,值得借鑒。國內等效采用1316F更新文獻[3] GJB373A—1997引信安全性設計準則(下文簡稱GJB373A)工作也已經啟動。

由于子彈藥經歷的彈道環境與整體彈藥的彈道環境有差異,在設計中有其需要單獨注意的問題。1316F不惜筆墨對子彈藥引信專門提出了一些要求,這些要求在GJB373A中沒有。當前,國內對1316F一些新提法的內涵以及技術的實現方式進行研究的文獻不多。文獻[4-9]主要以解決未爆彈問題為出發點,對子彈藥引信設計中的“三自”、可靠性問題進行研究。文中主要結合1316F從安全性角度對子彈藥引信設計中的若干問題進行探討。

1 關于子彈藥引信安全系統冗余保險的設計問題

1316F中的5.7條,條目為“含有子彈藥的彈藥”,該條款要求,“對含有子彈藥的子母式彈藥, 應適用下列各項:1) 4.3 條所述的概率和條件應適用于子彈藥引信系統。2)系統危險性分析應證明4.3 條的要求得到滿足”。

1316F的4.3 條是關于引信安全失效率與安全失效的分析。1316F的5.7條要求子彈藥引信與整體彈藥引信的安全失效率要求相同。要達到安全失效率的要求,子彈藥引信需要設置受控于不同環境力的冗余保險。

1316F與此密切相關的還有4.2.4款,條目為“子彈藥解除隔離”。該條款要求,“引信系統應該設計成:所有子彈藥均不得僅僅因為在母彈發射前的可信意外事故導致的子彈藥從母彈中散落,而解除隔離”。

美軍MIL-STD-1316E,以及我國的GJB373A都沒有相應的這兩個條款。為了進一步理解該條款的內涵和技術本質,下文結合一些典型子彈藥引信如美國傳統的M223子彈藥引信以及M85子彈藥引信進行探討。

圖1為M223子彈藥引信示意圖。作用原理:未裝入母彈前,子彈藥有一道手工保險,即圖1中的保險夾和銷。裝入母彈時手工拔掉該道保險,子彈藥裝入母彈后處于套裝狀態,上一枚子彈藥藥型罩約束住下一枚子彈藥引信處于折疊狀態的穩定帶、擊針及滑塊,使穩定帶不能張開,與穩定帶相連接的擊針不能上移。母彈開艙后,子彈藥分離,子彈藥利用穩定帶實現飛行穩定,在氣動環境作用下穩定帶帶動擊針相對引信體微旋轉運動,解除對滑塊的約束,滑塊在彈簧和離心力作用下運動到位[10]。

為了便于描述及分析問題,將子彈藥套裝時,上一枚子彈藥藥型罩對下一枚子彈藥引信提供的這種保險稱為“嵌套保險”。該保險是擊針解除保險程序中的一個環節,可以用來啟動一道保險的解除保險程序。公開近二十年的MIL-HDBK-145C認為該保險在嵌套狀態時同樣也限制了滑塊的運動,是一道獨立保險[10]。結合1316F的4.2.4款和4.2.2款(強調環境激勵水平)來看該觀點疑似不妥。4.2.4款專門強調在母彈發射前子彈藥從母彈中散落,說明出現這種事故的概率不低,不能忽視。從另一個側面說明嵌套保險利用的是在發射周期開始之前引信可能受到的環境激勵水平,這不符合1316F的4.2.2款要求。因此,嵌套保險可以用來啟動一道保險的解除保險程序,但不能作為一道獨立保險。筆者認為M223子彈藥引信不符合1316F的要求。

圖1 M223子彈藥引信示意圖

M223子彈藥引信應屬于雙重環境串聯保險,環境分別是:① 拋撒環境;②子彈藥飛行氣動環境——極阻尼力矩驅動擊針相對引信體微旋轉運動,解除對滑塊的約束。圖2為M223子彈藥引信保險裝置作用過程示意框圖。

圖2 M223子彈藥引信保險裝置作用過程的示意框圖

但是除嵌套保險外,子彈藥引信仍具有受控于不同環境力的冗余保險,那么這種設計是滿足美軍1316F的要求,如M85子彈藥引信。該引信由以色列IMI公司研制。被諸多國家所裝備,并在實戰中有過使用[11]。作用過程:子彈藥拋撒后在空氣動力作用下,子彈藥引信頂端的穩定帶夾脫落,穩定帶打開,子彈藥穩定飛行;在離心力作用下,離心子克服離心彈簧的抗力解除了對滑塊的第一道保險;在穩定帶拉力作用下擊針解除對滑塊的第二道保險,滑塊在離心力和彈簧的作用下運動到位,定位銷鎖定滑塊;在滑塊運動到位后,驅動自毀擊針戳擊延期管。如子彈藥未正常發火,則延期管延時15 s后點燃雷管,子彈藥自毀[11]。圖3為M85子彈藥引信結構示意圖。

圖3 M85子彈藥引信結構示意圖

M85子彈藥引信屬于三重環境并聯保險,環境分別是:① 拋撒環境；②子彈藥飛行氣動環境——穩定帶通過擊針解除對滑塊的約束；③離心環境——離心子通過離心力解除對滑塊的約束。該引信的固有安全性比較高,但是該引信自毀機構設計的并不出色,可靠性較低,限于篇幅此處不展開討論。圖4為M85子彈藥引信保險裝置作用過程的示意框圖。

圖4 M85子彈藥引信保險裝置作用過程的示意框圖

2 關于子彈藥自毀裝置的設計問題

為了降低未爆彈率,在子彈藥引信中增加自毀裝置已經取得共識。1316F的5.5條 對“自毀”進行了解釋,釋義是“如果系統技術文件有要求,自毀裝置應該被包含。與相同彈藥配用沒有自毀裝置的引信相比,自毀裝置不能增加操作者的危害概率。自毀裝置的自毀作用應不能發生在發射前和達到安全分離距離或引信延遲解除隔離前。”GJB373A對自毀的解釋是“引信根據系統要求的適應性,應考慮含有自毀特性并引爆彈藥。自毀不應發生在發射及完成延期解除保險之前。”

GJB373A與1316F的釋義有較大的區別,區別主要有兩點。第一點明確要求自毀裝置的增加不能給操作者帶來安全性問題。與相同彈藥配用沒有自毀裝置的引信相比,增加自毀裝置可能給操作者帶來安全性問題,主要體現在手榴彈引信上。對于子彈藥引信,由于安裝在母彈中,只要安全系統性能完善,是否設置自毀裝置對操作者的安全沒有影響。第二點強調自毀裝置的自毀作用不能發生在發射前和沒有達到安全分離距離或引信延遲解除隔離前。與GJB373A區別在于增加了自毀裝置解除保險不能發生在沒有達到安全分離距離前的描述。

下文重點針對第二點進行分析。首先,自毀裝置的自毀作用不能發生在發射前被啟動這一條比較容易理解,對于子彈藥引信的自毀裝置其作用應不能發生在發射前,即自毀裝置不能給勤務處理帶來安全性問題。其次,自毀裝置的自毀作用應不能在達到安全分離距離前。此處有一概念“安全分離距離”,指的是彈藥戰斗部距離發射點的安全距離,在該距離上萬一戰斗部爆炸,不會對發射點和裝備造成危害,因此它本質上是取決于戰斗部的威力特性。“延遲解除隔離距離或時間”是根據戰斗部的安全分離距離來決定的,即它必須大于安全分離距離,它是引信的性能特征,為的是保證發射安全性。1316F強調安全分離距離是為了將要求描述的更加清晰。對于子母式彈藥的“安全分離距離”是一般由母彈引信來保證的。同時在此處還強調自毀裝置的自毀作用應不能在引信延遲解除隔離前,那么對于子母式彈藥,雖然部分子彈藥引信設置有延遲解除隔離裝置,自毀裝置也是安裝在子彈藥引信中,但1316F在此處強調的引信延遲解除隔離,指的是母彈的引信。

一般而言,對于子彈藥引信是否需要設置延遲解除隔離裝置,主要取決于3個因素：一是一單發母彈中所裝子彈藥的數量,如果數量很多,為防止拋撒初始段子彈藥間的相互碰撞引起發火,往往設置延遲解除隔離裝置(子彈藥引信常將擊針作為安全系統的保險件)。二是在拋撒初始段子彈藥飛行姿態不穩定,為避免發火控制系統受姿態振動而提前發火,設置延遲解除隔離裝置。這些均與“安全分離距離”無關。三是作戰系統對“安全分離距離”以外的安全性有要求,如作戰系統要求除對發生系統和人員以外還需要對編隊中的其它系統進行保護,以圖5所示的前后編隊直升機攻擊為例。后面直升機發射的火箭式子母彈可能就在前面直升機的附近開艙,為了保護鄰機,子彈藥引信需要設置延遲解除隔離裝置。

通過以上分析可見對于子彈藥自毀裝置,1316F的5.5條應該理解為:子彈藥自毀裝置的自毀作用應不能在母彈發射前和達到安全分離距離或母彈引信延遲解除隔離前作用。當然對于設置了延遲解除隔離裝置的子彈藥引信,其自毀作用也要發生在延期解除隔離后。因為,自毀的主要目的是避免出現未爆彈,減少爆炸物處理的負擔和危險性。在延期解除隔離之前自毀,則造成子彈藥空爆,降低了子彈藥正常發火的可靠性,對于機載空中編隊,甚至可能造成對編隊內其它飛機的誤傷。

圖5 前后編隊直升機攻擊示意圖

下文將結合M85子彈藥引信和M230SD子彈藥引信對子彈藥引信自毀裝置進行探討。通過前文介紹的M85子彈藥引信作用原理可見,其自毀裝置的啟動是在母彈發射后,在母彈引信延遲解除隔離之后,在子彈藥引信安全系統解除隔離后。該子彈藥引信自毀裝置的設計滿足1316F的5.5條要求。圖6為M85子彈藥引信自毀通道的作用示意框圖。

圖6 M85子彈藥引信自毀通道的作用過程示意框圖

M230子彈藥引信配用于直升機發射的火箭子母彈。M230SD是為了解決未爆彈問題,在M230子彈藥引信基礎上增加相對獨立的自毀裝置形成的方案。作用過程:母彈拋撒子彈藥后,子彈藥相互分離,儲備式鋰電池在拋撒環境的作用下被激活,定時自毀裝置啟動,利用穩定裝置打開時的拉力切斷保險銷,滑塊在彈簧的作用下向外運動,在無返回力矩擒縱機構控制下經1.5 s延時,滑塊運動到位, 雷管與導爆管對正。若子彈藥未正常起爆,自毀延時時間到后自毀裝置輸出起爆控制信號,子彈藥自毀[10-12]。圖7為M230SD子彈藥引信示意圖。圖8為自毀通道作用示意框圖。

M230SD子彈藥引信自毀裝置與M85子彈藥引信自毀裝置在技術本質上有兩個較大區別:

①出于提高自毀可靠性的目的,其啟動時機,是在子彈藥引信解除隔離前。

②由于戰術要求,該子彈藥具有延遲解除隔離裝置。

圖7 M230SD子彈藥引信示意圖

圖8 M230SD子彈藥引信自毀通道作用示意框圖

對于第一點區別,M230SD子彈藥的自毀裝置啟動時機雖然由拋撒環境驅動電池激活機構控制,若要實現自毀作用,仍需要安全系統解除隔離,只要安全系統設計合理(此處暫不討論M230SD的安全與解除保險裝置本身是否滿足1316F),則自毀裝置不會帶來安全性問題,其自毀裝置的啟動時機也滿足1316F的5.5條。

對于第二點,由于M230SD子彈藥引信設置了延遲解除隔離裝置,自毀裝置的作用也是在子彈藥引信延遲解除隔離后。

綜上可見:子彈藥引信自毀裝置屬于其發火控制系統的一部分,盡管發火控制系統也有“保險裝置”,但它管的是“在何種條件下允許向起爆器輸出點火信號”,而不是“何種條件下解除隔離”。且一般子彈藥的自毀裝置與發火系統是共用爆炸序列的,因此要求子彈藥引信自毀的輸出點火信號一定發生在子彈藥引信解除隔離之后,但子彈藥引信自毀的啟動時機與子彈藥引信安全系統是否解除隔離無關,雖然1316F只要求子彈藥引信自毀裝置作用不能在母彈發射前和達到安全分離距離或母彈引信延遲解除隔離前。在設計中對于設置有延期解除隔離裝置的子彈藥引信,自毀作用應在延期解除隔離后,對于沒有延期解除隔離裝置的子彈藥引信,自毀作用應在安全系統解除隔離后。

3 結論

結合1316F對子彈藥引信設計中的幾個問題進行了探討。總的來看,1316F對子彈藥引信的要求有嚴有寬,嚴的是子彈藥嵌套保險不能作為冗余保險中的一道獨立保險,對于子彈藥引信自毀裝置的設計要求則相對寬松,不要求子彈藥引信自毀的啟動時機在子彈藥安全系統解除隔離后。

研究所得結論為:子彈藥引信需設置獨立環境的冗余保險,嵌套保險不能獨立作為冗余保險中的一道保險,但可以作為子彈藥引信用來啟動一道保險的解除保險程序。子彈藥引信的自毀裝置啟動時機與子彈藥引信安全系統是否解除隔離無關,雖然1316F只要求子彈藥引信自毀裝置不在母彈發射前和達到安全分離距離或母彈引信延遲解除隔離前作用,但在設計中對于設置有延期解除隔離裝置的子彈藥引信,自毀作用應在延期解除隔離后,對于沒有延期解除隔離裝置的子彈藥引信,自毀作用應在安全系統解除隔離后。