秦棟澤(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西太原030051)

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集束子彈藥引信有關(guān)概念及“三自”組合設(shè)計方法

秦棟澤
(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西太原030051)

摘要:為有助解決集束子彈藥的未爆彈問題,闡述“自毀”、“自失效”、“自失能”、“絕火”概念,分析各個概念的發(fā)展、內(nèi)涵及其技術(shù)實現(xiàn)方式。結(jié)合典型的集束子彈藥“三自”引信,以框圖形式抽象表述其“三自”組合裝置的設(shè)計方法;通過實驗數(shù)據(jù)和理論計算分析典型的集束子彈藥“三自”引信的安全性與可靠性。研究結(jié)果表明:“絕火”與“自失效”、“自失能”內(nèi)涵及實現(xiàn)時所采用的技術(shù)方式有較大區(qū)別;采用“三自”組合后可以增加引信綜合作用率;采用自毀/自失效組合設(shè)計時宜將自毀/自失效裝置與隔爆件一體化設(shè)計,且自毀裝置應(yīng)有冗余保險控制;采用自毀/自失能組合設(shè)計時電子自毀裝置也應(yīng)采用冗余保險控制。

關(guān)鍵詞:兵器科學(xué)與技術(shù);自毀;自失效;自失能;絕火

0　引言

集束彈藥造成的人道主義傷害問題是目前國際社會關(guān)注的熱點(diǎn)之一?！凹鴱椝幾h定書(草案)”中提及的“三自”即“自毀”、“自失效”、“自失能”概念是對國際社會在1996年通過的“禁止或限制使用某些可被認(rèn)為具有過分傷害力或濫殺濫傷作用的常規(guī)武器公約”所附的第二議定書“禁止或限制使用地雷、誘殺裝置和其他裝置的修正議定書”中相同概念的發(fā)展。但國內(nèi)外在1996年后的諸多軍用標(biāo)準(zhǔn)、公開文獻(xiàn)中一直存在絕火概念。為了避免混淆帶來不必要的爭議,本文在文獻(xiàn)[1-2]的基礎(chǔ)上嘗試分析集束子彈藥引信自失效、自失能、絕火在概念上的差異,以及由此帶來技術(shù)方式上的差異,并探討“三自”的設(shè)計方法及增加“三自”后是否會給引信可靠性與安全性帶來負(fù)面影響。

1　相關(guān)概念的發(fā)展以及技術(shù)本質(zhì)

1.1相關(guān)概念的發(fā)展

在“禁止或限制使用地雷、誘殺裝置和其他裝置的修正議定書”中對自毀裝置、自失效裝置、自失能的定義與“集束彈藥議定書(草案)”中對自失效裝置、自失能的定義類似,主要區(qū)別在于對自毀裝置的定義?！凹鴱椝幾h定書(草案)”中自毀裝置的定義是對“禁止或限制使用地雷、誘殺裝置和其他裝置的修正議定書”中自毀裝置定義的發(fā)展,要求“除彈藥主引爆裝置之外的”,限制了采用單一的發(fā)火裝置作為自毀裝置的特定集束子彈藥,同時也要求自毀裝置的發(fā)火機(jī)理不同于主發(fā)火裝置。因此文獻(xiàn)[1]中指出自毀功能的啟動激勵與目標(biāo)(區(qū))無關(guān),啟動激勵應(yīng)來源于子彈藥拋撒或/和飛行環(huán)境,在“集束彈藥議定書(草案)”中尚沒有要求自毀裝置解除保險與引信發(fā)火裝置解除保險各自獨(dú)立。對于“自失效裝置”、“自失能”的定義,“集束彈藥議定書(草案)”與“禁止或限制使用地雷、誘殺裝置和其他裝置的修正議定書”無顯著差別。對于“絕火”概念,兩個議定書都沒有涉及。

1.2相關(guān)概念的技術(shù)本質(zhì)

集束子彈藥引信“自毀”、“自失效”、“自失能”的概念和技術(shù)本質(zhì)見文獻(xiàn)[1]與文獻(xiàn)[2]。為了比較說明“絕火”概念,在此給出了自毀、自失效、自失能、絕火的英文解釋?！白詺А钡挠⑽膯卧~Self-destruction的詞根destruction原意為:1)破壞、消滅、毀滅、滅絕、殺戮;2)被毀、遭破壞;3)毀滅的事實(或狀況)、毀滅(或破壞)的原因(或方式方法);4)破壞的手段、破壞物?！白允А钡挠⑽膯卧~Self-neutralisation詞根的原意為中和,中立狀態(tài)?！白允堋钡挠⑽膯卧~Self-deactivation詞根的原意為:1)使無效,使失去效果;2)使失去活力,使停止作用;3)停止使用(工廠等),應(yīng)用于軍事中指撤銷,遣散(軍隊、軍事單位),使(一個師、團(tuán)等)處于癱瘓狀態(tài);使復(fù)員,斷開(或拆除、卸除)(炸彈等)的引信,使(炸彈、炮彈等)不能爆炸;4)在化學(xué)中使(化學(xué)品催化劑、神經(jīng)等)滅活化,使減活化,使鈍化?！敖^火”的英文單詞sterilization的原意為:1)滅菌,消毒,絕育;2)絕育手術(shù),絕育狀態(tài);3)不毛,貧瘠;不毛狀態(tài),貧瘠狀態(tài),(土地的)貧瘠化,無用狀態(tài),不起作用狀態(tài)。

文獻(xiàn)[3]對于“絕火”概念有比較權(quán)威的解釋: Sterilization:a design feature which permanently prevents a fuze from functioning,該解釋中引信絕火強(qiáng)調(diào)的是引信永遠(yuǎn)不能作用。文獻(xiàn)[4]中“絕火”指一種永久防止引信作用的設(shè)計特性。文獻(xiàn)[5]中“絕火”指當(dāng)彈藥已經(jīng)完成其預(yù)定目的時,在規(guī)定的事件和時間后永遠(yuǎn)不能作用。文獻(xiàn)[6]中“絕火”指能永久防止引信作用的設(shè)計特性。文獻(xiàn)[7]中“絕火”指在規(guī)定的事件和時間后,當(dāng)彈藥已經(jīng)完成其作戰(zhàn)使命或不按設(shè)計要求作用時,手工布設(shè)武器具有按預(yù)定程序永久不能激活其含能材料的功能。通過以上文獻(xiàn)及”絕火”的英文原意可以看出“絕火”強(qiáng)調(diào)“永遠(yuǎn)”這一時間概念,而“自失效”的概念中沒有強(qiáng)調(diào)“永遠(yuǎn)”這一時間概念,其詞根的含義也沒有體現(xiàn)時間概念,表述為一種狀態(tài)?！白允堋钡挠⑽脑庵杏型ㄟ^對關(guān)鍵部件的控制使彈藥不能爆炸的解釋,在“禁止或限制使用地雷、誘殺裝置和其他裝置的修正議定書”、“集束彈藥議定書(草案)”所提供的中譯版中強(qiáng)調(diào)不可逆轉(zhuǎn)。

綜上可見,絕火在技術(shù)上實現(xiàn)時,必須將引信內(nèi)的全部含能材料鈍化才符合“絕火”的定義,實質(zhì)上與引信自毀有相同的效果,但與自毀相比在技術(shù)上實現(xiàn)難度更大?！白允А笨梢酝ㄟ^起爆首發(fā)火工品或者恢復(fù)到保險狀態(tài)來實現(xiàn)?！白允堋敝饕òl(fā)火能量、首發(fā)火工品、爆炸序列三者之一的能量耗竭來實現(xiàn)。若首發(fā)火工品與爆炸序列全部鈍化不能作用,則屬于“絕火”。由此可見,個別文獻(xiàn)中將電源放電稱為“絕火”或者將“自失能”、“絕火”統(tǒng)稱為“自失效”都不夠嚴(yán)謹(jǐn)?！白允А薄ⅰ白允堋?、“絕火”概念的內(nèi)涵不同,要求達(dá)到的降低未爆彈藥的危害程度不同,技術(shù)實現(xiàn)方式也不同,不能混淆。

2　“三自”組合設(shè)計方法

2.1自毀/自失效組合

目前國外具有代表性的產(chǎn)品為美國ATK公司開發(fā)的XM242引信與歐洲迪爾公司對DM 1384進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計的自毀引信(SDF)。

XM242引信作用原理:集束子彈藥在安裝前去掉保險夾,然后串裝在集束彈藥中;集束子彈藥被拋撒后,對滑塊的限位保險解除,飄帶在空氣動力作用下展開,由于飄帶與集束子彈藥存在旋轉(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,同時也解除了對自毀擊針擋塊的保險;自毀擊針擋塊在離心力作用下飛出,自毀擊針繞軸旋轉(zhuǎn),刺發(fā)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,由延期藥、火帽、次雷管組成的組合延期管起爆主雷管,集束子彈藥自毀;若滑塊未能正常運(yùn)動,經(jīng)一定延時,組合延期管起爆主雷管,集束子彈藥引信自失效[8]。XM242引信結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　XM242引信結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of XM242 fuze

該類型引信的自毀/自失效裝置進(jìn)行抽象后如圖2所示,主要由擊發(fā)機(jī)構(gòu)和組合延期管組成。擊發(fā)機(jī)構(gòu)、組合延期管與主雷管都位于隔爆件上,三者之間的位置關(guān)系不因隔爆件運(yùn)動與否而改變,降低了運(yùn)動時的位置要求,該種設(shè)計方法隔爆件采用滑塊易于實現(xiàn)。

圖2　自毀/自失效裝置A原理框圖Fig.2 Functional block diagram of self-destruction/ self-neutralisation device A

歐洲迪爾公司為DM 1384集束子彈藥設(shè)計的SDF引信作用原理:集束子彈藥串裝在集束彈藥中,集束彈藥開艙后集束子彈藥被拋撒;飄帶在空氣動力作用下展開,飄帶展開后將與飄帶連接的銷子從滑塊拔出,滑塊的保險被解除;在彈簧抗力的推動下滑塊移動,滑塊移動后解除對隔爆轉(zhuǎn)子的第一道保險;由于飄帶與集束子彈藥存在旋轉(zhuǎn)速率差,飄帶帶動擊針旋轉(zhuǎn),擊針旋出后解除對滑塊的主保險,釋放隔爆轉(zhuǎn)子,隔爆轉(zhuǎn)子在扭簧的作用下轉(zhuǎn)正;滑塊在內(nèi)置驅(qū)動彈簧與離心力的作用下移動到位,移動到位后刺發(fā)組合延期管,到達(dá)設(shè)定延時后組合延期管起爆主雷管,若轉(zhuǎn)子正常轉(zhuǎn)正集束子彈藥引信自毀;若轉(zhuǎn)子未能正常轉(zhuǎn)正,則組合延期管起爆雷管造成集束子彈藥引信自失效[9]。SDF引信結(jié)構(gòu)見圖3.

圖3　SDF引信結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of SDF fuze

該類型引信的自毀/自失效裝置進(jìn)行抽象后如圖4所示,主要由擊發(fā)機(jī)構(gòu)和組合延期管組成。隔爆件為垂直轉(zhuǎn)子,隔爆件運(yùn)動時,組合延期管也一直與主雷管保持一定距離,通過開孔確保主雷管能被引爆。此方法的實質(zhì)為主雷管沿著側(cè)雷管進(jìn)行軸向轉(zhuǎn)動,結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)。

另一種典型的自毀/自失效裝置C(如圖5所示),主要由水平隔爆轉(zhuǎn)子、擊發(fā)機(jī)構(gòu)和2個側(cè)雷管組成。擊發(fā)機(jī)構(gòu)有1個固定的戳擊位置,相應(yīng)在隔爆件上,保險和解除保險位置有2個戳擊點(diǎn)。在隔爆件這2個位置處安裝側(cè)雷管,使其處于保險和解除保險位置時,擊發(fā)機(jī)構(gòu)均可以起爆側(cè)雷管,并且能引爆主雷管,實現(xiàn)自毀或自失效。該種設(shè)計方法適合采用針刺發(fā)火方式起爆,主要優(yōu)點(diǎn)在于無需采用延期火藥,貯藏性好。

圖4　自毀/自失效裝置B原理框圖Fig.4 Functional block diagram of self-destruction/ self-neutralisation device B

圖5　自毀/自失效裝置C原理框圖Fig.5 Functional block diagram of self-destruction/ self-neutralisation device C

2.2自毀/自失能組合

自毀/自失能組合設(shè)計典型產(chǎn)品為如圖6所示的M230SD集束子彈藥引信與M234/ M235/ M236系列引信。這兩類引信的自毀、自失能作用原理相同:集束子彈藥被拋撒后儲備電池激活,即啟動電路定時自毀模式,若滑塊運(yùn)動到位,主發(fā)火失敗一定延時后集束子彈藥自毀。若自毀也失敗,到達(dá)設(shè)定的延時后電源自失能[10-11]。

圖6　M230SD與M234/ M235/ M236系列引信Fig.6 M230SD and M234/ M235/ M236 fuzes

M230SD集束子彈藥引信自毀/自失能裝置抽象后見圖7,主要由電源、控制電路和側(cè)雷管組成。通過延時控制電路定時起爆側(cè)雷管,然后引爆主雷管自毀,自毀失敗后通過控制電路實現(xiàn)自失能。該種自毀/自失能裝置電源通過拋撒啟動,自毀裝置一般只有一道保險,發(fā)火方式采用電發(fā)火。M234/ M235/ M236系列與M230SD集束子彈藥引信的主要區(qū)別在于電源與控制電路都在隔爆件滑塊上安裝。

M234/ M235/ M236系列引信抽象后的自毀/自失能裝置B原理框圖見圖8.

圖7　自毀/自失能裝置A原理框圖Fig.7 Functional block diagram of self-destruction/ self-deactivation device A

圖8　自毀/自失能裝置B原理框圖Fig.8 Functional block diagram of self-destruction/ self-deactivation device B

3　可靠性與安全性分析

3.1可靠性分析

表1為典型的集束子彈藥“三自”引信的綜合作用率(包括發(fā)火與自毀,國外一般稱為戰(zhàn)術(shù)模式)、主發(fā)火率及自毀作用率的統(tǒng)計。從表1中可以看到,國際社會在靶場驗收可靠性時,主要進(jìn)行3項考核,即綜合作用率考核、主發(fā)火率考核與自毀作用率的考核。出現(xiàn)這種情況的主要原因在于“集束彈藥議定書(草案)”討論后期不再有低危未爆彈率的提法,主要要求提高集束子彈藥的主發(fā)火率及自毀作用率,自失效、自失能作為一種功能存在,不單獨(dú)考核。

從自毀效率研究的角度而言,在技術(shù)實現(xiàn)方式中自毀/自失效裝置A將所有的自毀/自失效組件安裝在隔爆件中,其位置關(guān)系不因隔爆件運(yùn)動與否而改變,降低了運(yùn)動時的位置要求,優(yōu)于將自毀/自失效組件分開的自毀/自失效裝置B,有較高的自毀可靠性。自毀/自失效裝置C在隔爆件上安裝了3個雷管,未將擊發(fā)機(jī)構(gòu)安裝在隔爆件中,自毀可靠性低于自毀/自失效裝置A.自毀/自失能裝置A的自毀/自失能組件分開,導(dǎo)致其綜合作用可靠性不及自毀/自失能裝置B.

表1　典型集束子彈藥“三自”引信綜合作用率[8-11]Tab.1 Comprehensive effects of“three-self”fuzes fortypical cluster submunitions　%

3.2安全性分析

由于自失效、自失能不會造成安全性問題,本文僅討論增加自毀功能給引信帶來的安全性差異。表2列出了典型集束子彈藥“三自”引信的保險件。借鑒引信勤務(wù)處理安全性失效概率不大于1×10-6的要求,假設(shè)每一保險件可能發(fā)生錯誤的裝配、環(huán)境激勵、保險件損毀三種情況造成安全性問題,借鑒GJB/ Z 29A—2003引信典型故障樹手冊,每一種情況的發(fā)生概率設(shè)為1×10-5[12],依據(jù)系統(tǒng)的串并聯(lián)關(guān)系進(jìn)行建模,計算模型與計算結(jié)果見表3.

表2　典型集束子彈藥“三自”引信的保險件[8-11]Tab.2 Safety features of“three-self”fuzes for typical cluster submunitions

表3　典型集束子彈藥“三自”引信的安全性計算結(jié)果Tab.3 Calculated results of safety of“three-self”fuzes for typical cluster submunitions

由表3安全性計算結(jié)果可見自毀/自失效裝置A、自毀/自失效裝置C發(fā)生安全性問題的概率要低于自毀/自失效裝置B.從安全性角度而言,隔爆件與自毀/自失效裝置一體化的安全性優(yōu)于將隔爆件與自毀/自失效裝置分開設(shè)計,因為一體化后其位置關(guān)系不因隔爆件運(yùn)動與否而改變,降低了運(yùn)動時的位置要求,也就降低了環(huán)境激勵造成的失效概率,有較好的安全性。自毀/自失效裝置C在隔爆件上同時安裝3個雷管,裝配安全性和隔爆安全性需要針對具體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行深入的研究。依據(jù)筆者進(jìn)行的實驗,合理的安排結(jié)構(gòu)尺寸時隔爆安全性能夠保證,但從安全性角度出發(fā)將自毀/自失效裝置與隔爆件一體化是一種更優(yōu)的選擇。美國產(chǎn)品為了追求高可靠性對于采用電子自毀/自失能裝置的集束子彈藥引信,采用一道保險對安全性是個考驗,同時也不能滿足美軍引信安全性軍標(biāo)的有關(guān)要求。對此美軍也積極開發(fā)新的高安全高可靠集束子彈藥引信,新開發(fā)的集束子彈藥引信電子自毀/自失能裝置具有多重冗余保險.

由以上分析可見,對于機(jī)械集束子彈藥引信采用自毀/自失效組合設(shè)計為宜,可在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn),在不大幅增加成本的基礎(chǔ)上,使其具有自失效功能,將自毀/自失效裝置與隔爆件一體化設(shè)計后,容易保證增加自毀功能后不降低其引信的安全性,自毀裝置應(yīng)有冗余保險控制。對于機(jī)電式集束子彈藥引信采用自毀/自失能組合設(shè)計為宜,電源自失能在技術(shù)上易于實現(xiàn),自失能后也能降低未爆彈的危害性,電子自毀也應(yīng)采用冗余保險控制增強(qiáng)安全性。

4　結(jié)論

本文研究了集束子彈藥引信“自毀”、“自失效”、“自失能”、“絕火”在概念上的差異,以及其內(nèi)涵的不同,由此帶來的技術(shù)方式變化。對典型的集束子彈藥“三自”引信進(jìn)行了分析,研究了“三自”組合設(shè)計方法,從可靠性與安全性角度出發(fā)分析了各設(shè)計方法的優(yōu)缺點(diǎn)。研究結(jié)果表明:對于機(jī)械集束子彈藥引信采用自毀/自失效組合設(shè)計為宜,可在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn),將自毀/自失效裝置與隔爆件一體化設(shè)計,且自毀應(yīng)有冗余保險控制;對于機(jī)電式集束子彈藥引信采用自毀/自失能組合設(shè)計為宜,電子自毀也應(yīng)采用冗余保險控制增強(qiáng)安全性。

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Relevant Concepts of Cluster Submunition Fuze and“Three-self”Combined Design Method

QIN Dong-ze
(School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China)

Abstract:In order to help to solve the unexploded issue of cluster munitions, the concepts of self-destruction, self-neutralisation, self-deactivation and sterilization are described.The development and connotation of the concepts and their technical implementation are analyzed.For the“three-self”fuze of typical cluster submunition, the design method of“three-self”combined fuze is abstractly described in the form of block diagram.The safety and reliability of the“three-self”fuze of typical cluster submunition are analyzed with the experimental data and theoretically calculated results.The analyzed results show that sterilization is quite different from self-neutralisation and self-deactivation in connotation and implementation technology.The“three-self”combined fuze can be used to increase the comprehensive effect of fuzes.A self-destruction and self-neutralisation device should be integrated with a detonation interrupter if a combination design of self-destruction and self-neutralisation is used, and the self-destruction device should have a redundant safety control.In the combination design of self-destruction and self-deactivation, the redundant safety control should be used to enhance the security of the electronic self-destruction devices.

Key words:ordnance science and technology; self-destruction; self-neutralisation; self-deactivation; sterilization

作者簡介:秦棟澤(1981—),男,副教授。E-mail:apo1981@126.com

收稿日期:2015-05-26

DOI:10.3969/ j.issn.1000-1093.2016.02.007

中圖分類號:TG156

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1000-1093(2016)02-0239-06