深水炸彈水下起爆安全型引信結(jié)構(gòu)設(shè)計

方 石，張世林，許桎嶂

(1 海軍駐宜昌地區(qū)軍事代表室，湖北 宜昌 443003；2 中國船舶集團第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；3 武漢高德紅外股份有限公司，湖北 武漢 430073)

0 引言

隨著國際形勢的變化,地域性戰(zhàn)爭將成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要形式,在局部海戰(zhàn)中使用機動靈活的常規(guī)潛艇和反常規(guī)潛艇仍然是現(xiàn)代海戰(zhàn)的重要形式之一。發(fā)達(dá)國家海軍一方面極力提高常規(guī)潛艇性能,另一方面又在新技術(shù)的支撐下使傳統(tǒng)的深水炸彈反潛效能有了革命性的發(fā)展。深水炸彈不僅是價格低廉且使用方便的攻潛武器,有的國家還將其作為水下破障、攔截魚雷、炸毀水雷等多功能使用的武器。配裝引信多采用空投力(重力或入水撞擊力)、水壓環(huán)境或者聲信號實現(xiàn)解除保險[1-3]。國內(nèi)深彈引信由早期的采用撞發(fā)和定深兩種模式來解除保險,發(fā)展到采用觸發(fā)定時聯(lián)合引信模式,起爆方式為觸發(fā)起爆和定時起爆[4]。俄羅斯的PT6-10深彈引信由可變延期和電觸發(fā)及保險機構(gòu)組成,保險機構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)和擊水雙保險結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過發(fā)射裝置實時裝定引信時間。德國研制的“海矛”反潛深彈代表了目前火箭自導(dǎo)深彈發(fā)展的最高水平,主要采用火箭加速度和水壓來解除保險,到達(dá)一定水深后,利用聲納識別目標(biāo)進(jìn)行攻擊[5-7]。

深水炸彈水下爆炸對艦船、潛艇以及大型魚雷、水雷和無人潛航器等水下航行器均有很好的毀傷效果,水下爆炸也是戰(zhàn)斗部設(shè)計、毀傷破壞效應(yīng)研究的基礎(chǔ)課題[8]。試驗研究是研究水下爆炸最可靠途徑。目前國內(nèi)深水炸彈水下爆炸試驗采用電雷管直接同戰(zhàn)斗部對接方式起爆。文獻(xiàn)[9]對深彈實航爆炸試驗方法進(jìn)行了研究,主要針對深水炸彈的結(jié)構(gòu)特點和毀傷形式,提出了實航爆炸試驗的設(shè)計思路、實施要求和測量方法,但起爆方式依舊是將深水炸彈改裝成通過外接電纜加電方式直接引爆,無保險措施。文獻(xiàn)[10]描述了水下武器抗爆科研試驗,戰(zhàn)斗部起爆時依舊缺少專門的試驗引信。水下爆炸試驗通過電雷管或起爆裝置直接同戰(zhàn)斗部對接,無任何保險功能,安全性較差。同時采用電雷管直接起爆方式存在工作不可靠的現(xiàn)象,直接影響試驗成敗。

為驗證深水炸彈對沉底水下目標(biāo)的毀傷效能,需要進(jìn)行大裝藥水下爆炸驗證試驗。深水炸彈配裝引信采用投彈重力和水壓環(huán)境來實現(xiàn)引信冗余保險設(shè)計。在投彈瞬間,利用投彈重力環(huán)境將引信投彈拔銷拔出,解除第一道保險。深水炸彈入水深度在閾值H以上時,水壓機構(gòu)動作開始解除第二道保險,接通點火電路,傳爆序列對正。引信延時t后,引爆戰(zhàn)斗部。深水炸彈實爆毀傷效能試驗采用人工同時布放深水炸彈和水下目標(biāo)的方案,并確認(rèn)布放間距滿足要求。起爆纜放到試驗船上,試驗船撤離試驗區(qū)域后,檢測起爆電路工作狀態(tài),正常后待命。當(dāng)接到起爆命令后,操作人員接通起爆電路,通過起爆電纜起爆深水炸彈,整個試驗實施過程流程復(fù)雜、周期長,不確定因素較多。根據(jù)深水炸彈引信工作特點和水下實爆試驗環(huán)境要求,采用現(xiàn)有配裝全備引信已經(jīng)不能滿足本次試驗使用需求和操作環(huán)境要求,需要重新設(shè)計專用試驗引信。文中針對深水炸彈水下爆炸威力測試毀傷試驗在原全備引信的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種改進(jìn)型試驗用引信。該引信不僅能夠滿足本次水下實爆試驗的使用需求,而且能夠較可靠地解決深水炸彈水下爆炸操作安全和起爆可靠的問題。

1 引信結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 全備引信結(jié)構(gòu)功能

深水炸彈全備引信由投彈拔銷保險機構(gòu)、水壓保險機構(gòu)、隔爆機構(gòu)、接電保險開關(guān)電路和輔助失效機構(gòu)等組成,如圖1所示。全備引信通過投彈拔銷保險機構(gòu)將隔爆機構(gòu)限位鎖定,電雷管和導(dǎo)爆管處于隔爆狀態(tài),此時接電保險開關(guān)處于發(fā)火線路斷開、電雷管短接模式,確保引信平時處于安全狀態(tài)。

圖1 全備引信結(jié)構(gòu)Fig.1 The diagram of assembled fuze

深水炸彈通過安裝在船上的投放裝置投放,裝彈時先將全備引信與戰(zhàn)斗部旋合形成全備彈,再裝入投放裝置的投彈管內(nèi)。使用前取下運輸保險蓋,將全備引信投彈拔銷的拉索環(huán)取出并套掛在投放裝置掛鉤上。在船抵達(dá)目標(biāo)上方過程中,投放裝置揚起使投彈管伸出舷外而處于垂直投彈位置。投彈時擋彈器動作解除對穩(wěn)定器護圈的約束,深水炸彈靠自身重力墜落。圖2為某深水炸彈投彈場景。

圖2 全備引信隨某深水炸彈投彈場景Fig.2 A assembled fuse is dropped with a depth bomb

在深水炸彈入水墜落過程中,其引信投彈拔銷動作,剪斷保險銷,拔出投彈拔銷,解除了鋼珠對隔爆機構(gòu)中水壓桿自鎖約束,釋放水壓桿,露出水壓機構(gòu)進(jìn)水口通道。深水炸彈墜落入水后,海(湖)水經(jīng)過鋼珠座進(jìn)水口進(jìn)入密封底螺和水壓膜形成的密閉內(nèi)腔中,產(chǎn)生靜水壓力壓縮水壓膜變形,水壓膜變形后緊貼水壓桿圓臺面,在靜水壓作用下壓縮水壓彈簧。當(dāng)水壓不大于H0水深靜水壓時,水壓機構(gòu)不動作;當(dāng)水壓超過H水深靜水壓時,水壓機構(gòu)動作到位后,一方面接通引信電源,啟動引信電路,另一方面解除隔爆狀態(tài),使傳爆序列對正,深水炸彈處于待爆狀態(tài)。當(dāng)引信控制線路板計時達(dá)到t時,引信電路輸出電雷管起爆信號,引爆電雷管,并通過傳爆序列最終引爆深水炸彈戰(zhàn)斗部。

彈入水后,海(湖)水將通過鋼珠座內(nèi)部管道進(jìn)入失效機構(gòu)內(nèi),緩慢將失效部件溶化。若深水炸彈未正常起爆,海(湖)水在溶化完失效機構(gòu)后通過引信殼體進(jìn)水孔通道進(jìn)入引信內(nèi)腔,浸沒電池、控制線路板和保險開關(guān)等控制線路,致使引信電池等電子器件失效,從而達(dá)到破壞引信電路而自失效的目的。引信因內(nèi)腔浸水而失去正常輸出點火起爆功能,保證后續(xù)爆炸物處理過程中的安全性。

1.2 試驗引信結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過分析配裝的全備引信工作原理和主要結(jié)構(gòu)功能特點,結(jié)合試驗方案相關(guān)要求,本次試驗引信將在該引信方案基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。試驗引信設(shè)計原則是在保證操作過程中的安全和作用可靠條件下,保持引信接口、隔爆機構(gòu)和傳爆序列等基本結(jié)構(gòu)不變,主要針對解除保險原理和起爆方式等進(jìn)行設(shè)計。

試驗引信采用水壓環(huán)境和人工遠(yuǎn)程控制來解除保險,總體結(jié)構(gòu)上主要由密封保險機構(gòu)、水壓保險機構(gòu)、隔爆機構(gòu)、保險螺釘、殼體及其它零部件等組成。引信總體結(jié)構(gòu)如圖3所示,接電關(guān)系組成如圖4所示。

圖3 試驗引信組成結(jié)構(gòu)Fig.3 Composition diagram of experimental fuze

圖4 改裝引信接線圖Fig.4 Experimental fuze wiring diagram

試驗引信對比全備引信,主要取消控制線路板、投彈拔銷、失效機構(gòu)、檢測端口和電池盒等部件,主要改變?nèi)绫?所列。改進(jìn)要點是控制試驗引信的進(jìn)水通道和進(jìn)水時機,保證在布放過程中試驗引信始終處于保險狀態(tài)。

表1 引信改裝前后主要變化Table 1 Main changes before and after improved fuze

試驗引信對比全備引信,主要增加了密封保險機和輔助保險,文中對密封保險機構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計,結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 密封保險結(jié)構(gòu)Fig.5 The diagram of sealing arming device

密封保險主要保證在勤務(wù)處理過程中操作安全和控制水壓通道能否正常打開,在遭遇電雷管意外發(fā)火爆炸時,可保障試驗人員操作處理過程的安全;輔助保險主要保證水壓機構(gòu)平時限位鎖死,防止水壓機構(gòu)因跌落等沖擊慣性力或人為操作導(dǎo)致其解除保險,保證在勤務(wù)處理和使用過程中試驗引信始終處于保險狀態(tài)。

試驗引信工作原理:試驗引信在入水深度達(dá)H以上后,采用人工起爆的方式通過點火電纜將密封座上的電雷管引爆,炸開試驗引信密封保險進(jìn)水孔通道。海(湖)水經(jīng)過進(jìn)水口流入試驗引信內(nèi)部,水壓膜變形產(chǎn)生壓力,壓縮水壓彈簧,水壓桿在湖水壓力作用下發(fā)生位移,使得導(dǎo)爆管、電雷管、傳爆序列對正,改變傳爆序列的隔爆狀態(tài),并且接通保險開關(guān)形成通路,電雷管由短接狀態(tài)轉(zhuǎn)入通路狀態(tài),最終試驗引信進(jìn)入待發(fā)狀態(tài)。二次點火起爆試驗引信內(nèi)電雷管,即可起爆深水炸彈。試驗引信在出水深度在H以下時,水壓保險機構(gòu)開始恢復(fù)保險狀態(tài)動作,待引信出水深度在H0以下時,水壓保險機構(gòu)完全恢復(fù)至保險狀態(tài)。

勤務(wù)處理中試驗引信的水密連接器進(jìn)行短接處理。試驗引信經(jīng)氣密檢測合格后即可旋上密封蓋和保險螺釘裝箱封存待用。使用時將試驗引信卸下密封蓋和保險螺釘,通過專用工具將試驗引信旋緊至戰(zhàn)斗部后,將試驗引信的水密連接器與點火電纜上的水密連接器對接即可使用。

2 相關(guān)計算

為保證電雷管爆炸后能夠可靠炸通密封保險部件進(jìn)水孔通道,且不引起引信殼體變形和降低密封保險部件中壓纜結(jié)構(gòu)的連接強度。密封座和密封壓螺選用不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)材料,電雷管選用WD1040型。引信殼體內(nèi)安裝鋁合金防護板和密封壓螺,避免電雷管爆炸產(chǎn)生的破孔碎片損傷起爆電纜。

2.1 計算模型

下面采用AUTODYN軟件進(jìn)行密封保險部件電雷管開孔能力和連接強度數(shù)值模擬,依據(jù)設(shè)計尺寸建立二維有限元模型如圖6所示。計算模型包括炸藥、密封座、引信殼體和密封壓螺四部分,均采用拉格朗日算法。為保證計算精確性,將其網(wǎng)格盡可能加密處理。密封座、密封壓螺和引信殼體采用MAT_JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程。電雷管裝藥主要由起爆藥(氮化鉛)和輸出藥(太安)組成,氮化鉛爆熱1 524 kcal/kg,太安爆熱1 400 kcal/kg[11]。根據(jù)梯恩梯當(dāng)量法,忽略殼體影響,采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程描述,其材料模型參數(shù)如表2和表3 所列[12-16]。對厚度分別為1.5 mm、2 mm和3 mm的進(jìn)水孔分別進(jìn)行數(shù)值仿真。炸藥(電雷管)計算采用端面起爆。

表2 太安主要材料參數(shù)Table 2 Material parameters of main explosive

表3 不銹鋼和鋁合金材料模型及其狀態(tài)方程參數(shù)Table 3 Material model and equation of state parameters of steel

圖6 電雷管破孔有限元模型Fig.6 Finite element model of electric detonator hole breaking

2.2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

如圖7所示為密封座進(jìn)水口厚度取2 mm時爆炸載荷作用不同時刻等效應(yīng)力云圖。當(dāng)炸藥(電雷管)爆轟后,爆轟波沿軸向以近似平面波迅速傳爆至密封座頂部進(jìn)水口處,密封壓座進(jìn)水口部受到炸藥爆轟產(chǎn)物的沖擊載荷后,其等效應(yīng)力達(dá)到12.5 GPa左右,發(fā)生塑性變形直至屈服失效,在進(jìn)水口處形成花瓣狀開孔和崩裂現(xiàn)象,破片速度達(dá)到560 m/s,撞擊密封壓螺,形成輕微凹坑。密封座側(cè)壁和引信殼體無變形現(xiàn)象,密封壓螺和引信殼體之間螺紋連接無變形或剪切現(xiàn)象發(fā)生。而取密封座進(jìn)水口厚度為3 mm時,進(jìn)水口處形成鼓包開裂現(xiàn)象,未能完全將進(jìn)水口炸通。同時炸藥(電雷管)爆轟波反向壓力傳至密封座底部,形成局部高壓沖擊區(qū)域,導(dǎo)致防護板發(fā)生變形。

圖7 電雷管破孔等效應(yīng)力云圖Fig.7 Equivalent stress cloud chart of electric detonator breaking hole

仿真結(jié)果表明:密封座進(jìn)水口部位采用2 mm設(shè)計厚度時,炸藥(電雷管)能夠可靠炸開進(jìn)水口通道,且不影響密封座側(cè)壁和引信殼體的變形,密封壓螺和引信殼體連接無變形和松動現(xiàn)象,能夠較好地保證密封座和壓纜結(jié)構(gòu)的預(yù)緊壓力。

3 試驗引信試驗結(jié)果分析

3.1 試驗引信解除保險試驗分析

根據(jù)仿真計算結(jié)果開展試驗驗證,驗證試驗引信能否正常解除保險和點火工作。試驗中密封座進(jìn)水口厚度為2 mm,試驗共進(jìn)行5枚,均為同一技術(shù)狀態(tài)。試驗前先將輔助保險螺釘拆除,通過點火電纜控制密封座中電雷管起爆,炸開試驗引信密封機構(gòu)進(jìn)水孔通道,水壓機構(gòu)感受到水壓從而解除保險,傳爆序列對正,水壓開關(guān)形成點火通路,電雷管由短接狀態(tài)進(jìn)入待發(fā)火狀態(tài)。通過起爆器引爆電雷管可實現(xiàn)試驗引信的安全起爆。

試驗結(jié)果如圖8所示。從試驗回收結(jié)構(gòu)可以看出:引信尾部輸出端密封底螺呈開花狀,孔徑約50 mm,試驗引信均正常點火。拆卸工作后引信,密封座進(jìn)水口采用2 mm厚度時,炸藥(電雷管)起爆后,能夠可靠地將進(jìn)水口炸通,開口部位呈輕微翻邊花瓣狀,密封壓螺表面有明顯的撞擊侵蝕痕跡,防護板在雷管反向爆轟壓力沖擊下產(chǎn)生裂痕。密封壓螺和引信殼體無變形,壓纜結(jié)構(gòu)無松動或損傷。

圖8 試驗引信解除保險試驗結(jié)果Fig.8 Arming reliability results of experimental fuze

試驗結(jié)果表明:試驗引信解除保險動作正常,傳爆序列工作可靠,具備配合某深水炸彈開展水下爆炸威力測試條件。

3.2 試驗引信安全性試驗分析

參照相關(guān)的要求[17]開展試驗引信1.5 m跌落、12 m跌落、戰(zhàn)術(shù)振動、運輸試驗和震動試驗,用于考核引信經(jīng)過裝卸、搬運和運輸后的安全性。試驗過程如圖9所示,其中1.5 m跌落試驗分別采用全備引信配試驗砂彈以及裸露全備引信方法進(jìn)行, 12 m跌落試驗采用裝入工程塑料包裝箱方法進(jìn)行,分別進(jìn)行水平方向、頭向下、底向下、頭向下45°角、尾向下45°角五種姿態(tài)自由跌落;運輸試驗采用卡車裝載全備引信配試驗砂彈長途運輸方法進(jìn)行,結(jié)果表明:試驗引信經(jīng)過裸彈1.5 m和帶包裝箱12 m跌落后,均不燃不爆,屬于安全狀態(tài);試驗引信經(jīng)過運輸試驗和戰(zhàn)術(shù)振動試驗后,引信完好,無損壞,性能正常。試驗情況如表4所列。

表4 試驗引信安全性試驗情況Table 4 The Safety test situation of fuze

圖9 改進(jìn)引信安全性試驗Fig.9 Safety experiments of improved fuze

3.3 試驗引信起爆某深水炸彈試驗分析

試驗總體布置方案如圖10所示,試驗彈通過懸掛繩和布放繩懸掛在浮球下方,定深為H1。目標(biāo)通過懸掛繩和保護繩分別懸掛在兩個浮筒下方,浮筒之間通過帶法蘭的距離控制桿連接以準(zhǔn)確控制爆距。自由場壓力傳感器懸掛在距離控制桿下方,根據(jù)戰(zhàn)斗部中心到目標(biāo)幾何中心的距離等距布放壓力傳感器,在浮動沖擊平臺內(nèi)緩沖平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測量。共進(jìn)行3枚試驗彈爆炸威力測試試驗,引信均可靠起爆,戰(zhàn)斗部正常工作,如圖11所示。

圖10 測試試驗總體布局Fig.10 Overall layout of the experiment

圖11 深水炸彈成功起爆場景Fig.11 Successful initiation scene of a depth bomb

4 結(jié)論

通過分析某全備引信結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和功能特點,結(jié)合某型深水炸彈水下爆炸威力測試需求特點和功能環(huán)境變化,開展了一種試驗用引信結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。系統(tǒng)分析了試驗引信改進(jìn)要點、主要零部件構(gòu)成、保險機構(gòu)工作過程和解除保險原理等。仿真與試驗結(jié)果表明:試驗引信能夠可靠解除保險,密封保險中的壓纜結(jié)構(gòu)連接可靠無松動,試驗引信能夠正常起爆。

試驗引信通過跌落和運輸安全性試驗驗證,并配合某深水炸彈成功開展湖上水下爆炸威力測試。結(jié)果表明:該試驗引信能夠滿足試驗使用安全性和工作可靠性要求,且結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷,具有一定的工程應(yīng)用價值,可向類似大型水下爆炸試驗中推廣應(yīng)用。