秦棟澤,何光林

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 太原 030051;2 先進(jìn)制造技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 太原 030051; 3 北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院, 北京 100081 )

0 引言

《引信安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》(GJB373A-1997)被視為引信行業(yè)的首要標(biāo)準(zhǔn),該準(zhǔn)則等效參照了美軍“引信設(shè)計(jì)的安全性標(biāo)準(zhǔn)”(MIL-STD-1316C和MIL-STD-1316D),該標(biāo)準(zhǔn)的貫徹使我國(guó)引信的安全性顯著提高。當(dāng)前,美軍最新的“引信設(shè)計(jì)的安全性標(biāo)準(zhǔn)”MIL-STD-1316F(下文簡(jiǎn)稱1316F)在2017年8月發(fā)布[1]。該標(biāo)準(zhǔn)與MIL-STD-1316E[2]發(fā)布間隔時(shí)間長(zhǎng)達(dá)18年(以往更新版本的間隔周期是7年),1316F體現(xiàn)了美軍近年來(lái)對(duì)引信安全性的最新理解和認(rèn)識(shí),值得借鑒。國(guó)內(nèi)等效采用1316F更新文獻(xiàn)[3] GJB373A—1997引信安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(下文簡(jiǎn)稱GJB373A)工作也已經(jīng)啟動(dòng)。

由于子彈藥經(jīng)歷的彈道環(huán)境與整體彈藥的彈道環(huán)境有差異,在設(shè)計(jì)中有其需要單獨(dú)注意的問(wèn)題。1316F不惜筆墨對(duì)子彈藥引信專門(mén)提出了一些要求,這些要求在GJB373A中沒(méi)有。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)對(duì)1316F一些新提法的內(nèi)涵以及技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行研究的文獻(xiàn)不多。文獻(xiàn)[4-9]主要以解決未爆彈問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn),對(duì)子彈藥引信設(shè)計(jì)中的“三自”、可靠性問(wèn)題進(jìn)行研究。文中主要結(jié)合1316F從安全性角度對(duì)子彈藥引信設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 關(guān)于子彈藥引信安全系統(tǒng)冗余保險(xiǎn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題

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

1316F的4.3 條是關(guān)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(dá)到安全失效率的要求,子彈藥引信需要設(shè)置受控于不同環(huán)境力的冗余保險(xiǎn)。

1316F與此密切相關(guān)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(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成:所有子彈藥均不得僅僅因?yàn)樵谀笍棸l(fā)射前的可信意外事故導(dǎo)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(guó)的GJB373A都沒(méi)有相應(yīng)的這兩個(gè)條款。為了進(jìn)一步理解該條款的內(nèi)涵和技術(shù)本質(zhì),下文結(jié)合一些典型子彈藥引信如美國(guó)傳統(tǒng)的M223子彈藥引信以及M85子彈藥引信進(jìn)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(xiǎn),即圖1中的保險(xiǎn)夾和銷(xiāo)。裝入母彈時(shí)手工拔掉該道保險(xiǎn),子彈藥裝入母彈后處于套裝狀態(tài),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(tài)的穩(wěn)定帶、擊針及滑塊,使穩(wěn)定帶不能張開(kāi),與穩(wěn)定帶相連接的擊針不能上移。母彈開(kāi)艙后,子彈藥分離,子彈藥利用穩(wěn)定帶實(shí)現(xiàn)飛行穩(wěn)定,在氣動(dòng)環(huán)境作用下穩(wěn)定帶帶動(dòng)擊針相對(duì)引信體微旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),解除對(duì)滑塊的約束,滑塊在彈簧和離心力作用下運(yùn)動(dòng)到位[10]。

為了便于描述及分析問(wèn)題,將子彈藥套裝時(shí),上一枚子彈藥藥型罩對(duì)下一枚子彈藥引信提供的這種保險(xiǎn)稱為“嵌套保險(xiǎn)”。該保險(xiǎn)是擊針解除保險(xiǎn)程序中的一個(gè)環(huán)節(jié),可以用來(lái)啟動(dòng)一道保險(xiǎn)的解除保險(xiǎn)程序。公開(kāi)近二十年的MIL-HDBK-145C認(rèn)為該保險(xiǎn)在嵌套狀態(tài)時(shí)同樣也限制了滑塊的運(yùn)動(dòng),是一道獨(dú)立保險(xiǎn)[10]。結(jié)合1316F的4.2.4款和4.2.2款(強(qiáng)調(diào)環(huán)境激勵(lì)水平)來(lái)看該觀點(diǎn)疑似不妥。4.2.4款專門(mén)強(qiáng)調(diào)在母彈發(fā)射前子彈藥從母彈中散落,說(shuō)明出現(xiàn)這種事故的概率不低,不能忽視。從另一個(gè)側(cè)面說(shuō)明嵌套保險(xiǎn)利用的是在發(fā)射周期開(kāi)始之前引信可能受到的環(huán)境激勵(lì)水平,這不符合1316F的4.2.2款要求。因此,嵌套保險(xiǎn)可以用來(lái)啟動(dòng)一道保險(xiǎn)的解除保險(xiǎn)程序,但不能作為一道獨(dú)立保險(xiǎn)。筆者認(rèn)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(yīng)屬于雙重環(huán)境串聯(lián)保險(xiǎn),環(huán)境分別是:① 拋撒環(huán)境;②子彈藥飛行氣動(dòng)環(huán)境——極阻尼力矩驅(qū)動(dòng)擊針相對(duì)引信體微旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),解除對(duì)滑塊的約束。圖2為M223子彈藥引信保險(xiǎn)裝置作用過(guò)程示意框圖。

圖2 M223子彈藥引信保險(xiǎn)裝置作用過(guò)程的示意框圖

但是除嵌套保險(xiǎn)外,子彈藥引信仍具有受控于不同環(huán)境力的冗余保險(xiǎn),那么這種設(shè)計(jì)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(guó)家所裝備,并在實(shí)戰(zhàn)中有過(guò)使用[11]。作用過(guò)程:子彈藥拋撒后在空氣動(dòng)力作用下,子彈藥引信頂端的穩(wěn)定帶夾脫落,穩(wěn)定帶打開(kāi),子彈藥穩(wěn)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(duì)滑塊的第一道保險(xiǎn);在穩(wěn)定帶拉力作用下?lián)翎樈獬龑?duì)滑塊的第二道保險(xiǎn),滑塊在離心力和彈簧的作用下運(yùn)動(dòng)到位,定位銷(xiāo)鎖定滑塊;在滑塊運(yùn)動(dòng)到位后,驅(qū)動(dòng)自毀擊針戳擊延期管。如子彈藥未正常發(fā)火,則延期管延時(shí)15 s后點(diǎn)燃雷管,子彈藥自毀[11]。圖3為M85子彈藥引信結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 M85子彈藥引信結(jié)構(gòu)示意圖

M85子彈藥引信屬于三重環(huán)境并聯(lián)保險(xiǎn),環(huán)境分別是:① 拋撒環(huán)境；②子彈藥飛行氣動(dòng)環(huán)境——穩(wěn)定帶通過(guò)擊針解除對(duì)滑塊的約束；③離心環(huán)境——離心子通過(guò)離心力解除對(duì)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的并不出色,可靠性較低,限于篇幅此處不展開(kāi)討論。圖4為M85子彈藥引信保險(xiǎn)裝置作用過(guò)程的示意框圖。

圖4 M85子彈藥引信保險(xiǎn)裝置作用過(guò)程的示意框圖

2 關(guān)于子彈藥自毀裝置的設(shè)計(jì)問(wèn)題

為了降低未爆彈率,在子彈藥引信中增加自毀裝置已經(jīng)取得共識(shí)。1316F的5.5條 對(duì)“自毀”進(jìn)行了解釋,釋義是“如果系統(tǒng)技術(shù)文件有要求,自毀裝置應(yīng)該被包含。與相同彈藥配用沒(méi)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(yīng)不能發(fā)生在發(fā)射前和達(dá)到安全分離距離或引信延遲解除隔離前。”GJB373A對(duì)自毀的解釋是“引信根據(jù)系統(tǒng)要求的適應(yīng)性,應(yīng)考慮含有自毀特性并引爆彈藥。自毀不應(yīng)發(fā)生在發(fā)射及完成延期解除保險(xiǎn)之前?！?/p>

GJB373A與1316F的釋義有較大的區(qū)別,區(qū)別主要有兩點(diǎn)。第一點(diǎn)明確要求自毀裝置的增加不能給操作者帶來(lái)安全性問(wèn)題。與相同彈藥配用沒(méi)有自毀裝置的引信相比,增加自毀裝置可能給操作者帶來(lái)安全性問(wèn)題,主要體現(xiàn)在手榴彈引信上。對(duì)于子彈藥引信,由于安裝在母彈中,只要安全系統(tǒng)性能完善,是否設(shè)置自毀裝置對(duì)操作者的安全沒(méi)有影響。第二點(diǎn)強(qiáng)調(diào)自毀裝置的自毀作用不能發(fā)生在發(fā)射前和沒(méi)有達(dá)到安全分離距離或引信延遲解除隔離前。與GJB373A區(qū)別在于增加了自毀裝置解除保險(xiǎn)不能發(fā)生在沒(méi)有達(dá)到安全分離距離前的描述。

下文重點(diǎn)針對(duì)第二點(diǎn)進(jìn)行分析。首先,自毀裝置的自毀作用不能發(fā)生在發(fā)射前被啟動(dòng)這一條比較容易理解,對(duì)于子彈藥引信的自毀裝置其作用應(yīng)不能發(fā)生在發(fā)射前,即自毀裝置不能給勤務(wù)處理帶來(lái)安全性問(wèn)題。其次,自毀裝置的自毀作用應(yīng)不能在達(dá)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(zhàn)斗部距離發(fā)射點(diǎn)的安全距離,在該距離上萬(wàn)一戰(zhàn)斗部爆炸,不會(huì)對(duì)發(fā)射點(diǎn)和裝備造成危害,因此它本質(zhì)上是取決于戰(zhàn)斗部的威力特性?！把舆t解除隔離距離或時(shí)間”是根據(jù)戰(zhàn)斗部的安全分離距離來(lái)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(fā)射安全性。1316F強(qiáng)調(diào)安全分離距離是為了將要求描述的更加清晰。對(duì)于子母式彈藥的“安全分離距離”是一般由母彈引信來(lái)保證的。同時(shí)在此處還強(qiáng)調(diào)自毀裝置的自毀作用應(yīng)不能在引信延遲解除隔離前,那么對(duì)于子母式彈藥,雖然部分子彈藥引信設(shè)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(qiáng)調(diào)的引信延遲解除隔離,指的是母彈的引信。

一般而言,對(duì)于子彈藥引信是否需要設(shè)置延遲解除隔離裝置,主要取決于3個(gè)因素：一是一單發(fā)母彈中所裝子彈藥的數(shù)量,如果數(shù)量很多,為防止拋撒初始段子彈藥間的相互碰撞引起發(fā)火,往往設(shè)置延遲解除隔離裝置(子彈藥引信常將擊針作為安全系統(tǒng)的保險(xiǎn)件)。二是在拋撒初始段子彈藥飛行姿態(tài)不穩(wěn)定,為避免發(fā)火控制系統(tǒng)受姿態(tài)振動(dòng)而提前發(fā)火,設(shè)置延遲解除隔離裝置。這些均與“安全分離距離”無(wú)關(guān)。三是作戰(zhàn)系統(tǒng)對(duì)“安全分離距離”以外的安全性有要求,如作戰(zhàn)系統(tǒng)要求除對(duì)發(fā)生系統(tǒng)和人員以外還需要對(duì)編隊(duì)中的其它系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù),以圖5所示的前后編隊(duì)直升機(jī)攻擊為例。后面直升機(jī)發(fā)射的火箭式子母彈可能就在前面直升機(jī)的附近開(kāi)艙,為了保護(hù)鄰機(jī),子彈藥引信需要設(shè)置延遲解除隔離裝置。

通過(guò)以上分析可見(jiàn)對(duì)于子彈藥自毀裝置,1316F的5.5條應(yīng)該理解為:子彈藥自毀裝置的自毀作用應(yīng)不能在母彈發(fā)射前和達(dá)到安全分離距離或母彈引信延遲解除隔離前作用。當(dāng)然對(duì)于設(shè)置了延遲解除隔離裝置的子彈藥引信,其自毀作用也要發(fā)生在延期解除隔離后。因?yàn)?自毀的主要目的是避免出現(xiàn)未爆彈,減少爆炸物處理的負(fù)擔(dān)和危險(xiǎn)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(fā)火的可靠性,對(duì)于機(jī)載空中編隊(duì),甚至可能造成對(duì)編隊(duì)內(nèi)其它飛機(jī)的誤傷。

圖5 前后編隊(duì)直升機(jī)攻擊示意圖

下文將結(jié)合M85子彈藥引信和M230SD子彈藥引信對(duì)子彈藥引信自毀裝置進(jìn)行探討。通過(guò)前文介紹的M85子彈藥引信作用原理可見(jiàn),其自毀裝置的啟動(dòng)是在母彈發(fā)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(tǒng)解除隔離后。該子彈藥引信自毀裝置的設(shè)計(jì)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(guò)程示意框圖

M230子彈藥引信配用于直升機(jī)發(fā)射的火箭子母彈。M230SD是為了解決未爆彈問(wèn)題,在M230子彈藥引信基礎(chǔ)上增加相對(duì)獨(dú)立的自毀裝置形成的方案。作用過(guò)程:母彈拋撒子彈藥后,子彈藥相互分離,儲(chǔ)備式鋰電池在拋撒環(huán)境的作用下被激活,定時(shí)自毀裝置啟動(dòng),利用穩(wěn)定裝置打開(kāi)時(shí)的拉力切斷保險(xiǎn)銷(xiāo),滑塊在彈簧的作用下向外運(yùn)動(dòng),在無(wú)返回力矩擒縱機(jī)構(gòu)控制下經(jīng)1.5 s延時(shí),滑塊運(yùn)動(dòng)到位, 雷管與導(dǎo)爆管對(duì)正。若子彈藥未正常起爆,自毀延時(shí)時(shí)間到后自毀裝置輸出起爆控制信號(hào),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(shù)本質(zhì)上有兩個(gè)較大區(qū)別:

①出于提高自毀可靠性的目的,其啟動(dòng)時(shí)機(jī),是在子彈藥引信解除隔離前。

②由于戰(zhàn)術(shù)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(duì)于第一點(diǎn)區(qū)別,M230SD子彈藥的自毀裝置啟動(dòng)時(shí)機(jī)雖然由拋撒環(huán)境驅(qū)動(dòng)電池激活機(jī)構(gòu)控制,若要實(shí)現(xiàn)自毀作用,仍需要安全系統(tǒng)解除隔離,只要安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理(此處暫不討論M230SD的安全與解除保險(xiǎn)裝置本身是否滿足1316F),則自毀裝置不會(huì)帶來(lái)安全性問(wèn)題,其自毀裝置的啟動(dòng)時(shí)機(jī)也滿足1316F的5.5條。

對(duì)于第二點(diǎn),由于M230SD子彈藥引信設(shè)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(jiàn):子彈藥引信自毀裝置屬于其發(fā)火控制系統(tǒng)的一部分,盡管發(fā)火控制系統(tǒng)也有“保險(xiǎn)裝置”,但它管的是“在何種條件下允許向起爆器輸出點(diǎn)火信號(hào)”,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(fā)火系統(tǒng)是共用爆炸序列的,因此要求子彈藥引信自毀的輸出點(diǎn)火信號(hào)一定發(fā)生在子彈藥引信解除隔離之后,但子彈藥引信自毀的啟動(dòng)時(shí)機(jī)與子彈藥引信安全系統(tǒng)是否解除隔離無(wú)關(guān),雖然1316F只要求子彈藥引信自毀裝置作用不能在母彈發(fā)射前和達(dá)到安全分離距離或母彈引信延遲解除隔離前。在設(shè)計(jì)中對(duì)于設(shè)置有延期解除隔離裝置的子彈藥引信,自毀作用應(yīng)在延期解除隔離后,對(duì)于沒(méi)有延期解除隔離裝置的子彈藥引信,自毀作用應(yīng)在安全系統(tǒng)解除隔離后。

3 結(jié)論

結(jié)合1316F對(duì)子彈藥引信設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了探討?？偟膩?lái)看,1316F對(duì)子彈藥引信的要求有嚴(yán)有寬,嚴(yán)的是子彈藥嵌套保險(xiǎn)不能作為冗余保險(xiǎn)中的一道獨(dú)立保險(xiǎn),對(duì)于子彈藥引信自毀裝置的設(shè)計(jì)要求則相對(duì)寬松,不要求子彈藥引信自毀的啟動(dòng)時(shí)機(jī)在子彈藥安全系統(tǒng)解除隔離后。

研究所得結(jié)論為:子彈藥引信需設(shè)置獨(dú)立環(huán)境的冗余保險(xiǎn),嵌套保險(xiǎn)不能獨(dú)立作為冗余保險(xiǎn)中的一道保險(xiǎn),但可以作為子彈藥引信用來(lái)啟動(dòng)一道保險(xiǎn)的解除保險(xiǎn)程序。子彈藥引信的自毀裝置啟動(dòng)時(shí)機(jī)與子彈藥引信安全系統(tǒng)是否解除隔離無(wú)關(guān),雖然1316F只要求子彈藥引信自毀裝置不在母彈發(fā)射前和達(dá)到安全分離距離或母彈引信延遲解除隔離前作用,但在設(shè)計(jì)中對(duì)于設(shè)置有延期解除隔離裝置的子彈藥引信,自毀作用應(yīng)在延期解除隔離后,對(duì)于沒(méi)有延期解除隔離裝置的子彈藥引信,自毀作用應(yīng)在安全系統(tǒng)解除隔離后。