集束子弹药引信有关概念及“三自”组合设计方法

秦栋泽(中北大学机电工程学院,山西太原030051)



集束子弹药引信有关概念及“三自”组合设计方法

秦栋泽
(中北大学机电工程学院,山西太原030051)

摘要:为有助解决集束子弹药的未爆弹问题,阐述“自毁”、“自失效”、“自失能”、“绝火”概念,分析各个概念的发展、内涵及其技术实现方式。结合典型的集束子弹药“三自”引信,以框图形式抽象表述其“三自”组合装置的设计方法;通过实验数据和理论计算分析典型的集束子弹药“三自”引信的安全性与可靠性。研究结果表明:“绝火”与“自失效”、“自失能”内涵及实现时所采用的技术方式有较大区别;采用“三自”组合后可以增加引信综合作用率;采用自毁/自失效组合设计时宜将自毁/自失效装置与隔爆件一体化设计,且自毁装置应有冗余保险控制;采用自毁/自失能组合设计时电子自毁装置也应采用冗余保险控制。

关键词:兵器科学与技术;自毁;自失效;自失能;绝火

0　引言

集束弹药造成的人道主义伤害问题是目前国际社会关注的热点之一。“集束弹药议定书(草案)”中提及的“三自”即“自毁”、“自失效”、“自失能”概念是对国际社会在1996年通过的“禁止或限制使用某些可被认为具有过分伤害力或滥杀滥伤作用的常规武器公约”所附的第二议定书“禁止或限制使用地雷、诱杀装置和其他装置的修正议定书”中相同概念的发展。但国内外在1996年后的诸多军用标准、公开文献中一直存在绝火概念。为了避免混淆带来不必要的争议,本文在文献[1-2]的基础上尝试分析集束子弹药引信自失效、自失能、绝火在概念上的差异,以及由此带来技术方式上的差异,并探讨“三自”的设计方法及增加“三自”后是否会给引信可靠性与安全性带来负面影响。

1　相关概念的发展以及技术本质

1.1相关概念的发展

在“禁止或限制使用地雷、诱杀装置和其他装置的修正议定书”中对自毁装置、自失效装置、自失能的定义与“集束弹药议定书(草案)”中对自失效装置、自失能的定义类似,主要区别在于对自毁装置的定义。“集束弹药议定书(草案)”中自毁装置的定义是对“禁止或限制使用地雷、诱杀装置和其他装置的修正议定书”中自毁装置定义的发展,要求“除弹药主引爆装置之外的”,限制了采用单一的发火装置作为自毁装置的特定集束子弹药,同时也要求自毁装置的发火机理不同于主发火装置。因此文献[1]中指出自毁功能的启动激励与目标(区)无关,启动激励应来源于子弹药抛撒或/和飞行环境,在“集束弹药议定书(草案)”中尚没有要求自毁装置解除保险与引信发火装置解除保险各自独立。对于“自失效装置”、“自失能”的定义,“集束弹药议定书(草案)”与“禁止或限制使用地雷、诱杀装置和其他装置的修正议定书”无显著差别。对于“绝火”概念,两个议定书都没有涉及。

1.2相关概念的技术本质

集束子弹药引信“自毁”、“自失效”、“自失能”的概念和技术本质见文献[1]与文献[2]。为了比较说明“绝火”概念,在此给出了自毁、自失效、自失能、绝火的英文解释。“自毁”的英文单词Self-destruction的词根destruction原意为:1)破坏、消灭、毁灭、灭绝、杀戮;2)被毁、遭破坏;3)毁灭的事实(或状况)、毁灭(或破坏)的原因(或方式方法);4)破坏的手段、破坏物。“自失效”的英文单词Self-neutralisation词根的原意为中和,中立状态。“自失能”的英文单词Self-deactivation词根的原意为:1)使无效,使失去效果;2)使失去活力,使停止作用;3)停止使用(工厂等),应用于军事中指撤销,遣散(军队、军事单位),使(一个师、团等)处于瘫痪状态;使复员,断开(或拆除、卸除)(炸弹等)的引信,使(炸弹、炮弹等)不能爆炸;4)在化学中使(化学品催化剂、神经等)灭活化,使减活化,使钝化。“绝火”的英文单词sterilization的原意为:1)灭菌,消毒,绝育;2)绝育手术,绝育状态;3)不毛,贫瘠;不毛状态,贫瘠状态,(土地的)贫瘠化,无用状态,不起作用状态。

文献[3]对于“绝火”概念有比较权威的解释: Sterilization:a design feature which permanently prevents a fuze from functioning,该解释中引信绝火强调的是引信永远不能作用。文献[4]中“绝火”指一种永久防止引信作用的设计特性。文献[5]中“绝火”指当弹药已经完成其预定目的时,在规定的事件和时间后永远不能作用。文献[6]中“绝火”指能永久防止引信作用的设计特性。文献[7]中“绝火”指在规定的事件和时间后,当弹药已经完成其作战使命或不按设计要求作用时,手工布设武器具有按预定程序永久不能激活其含能材料的功能。通过以上文献及”绝火”的英文原意可以看出“绝火”强调“永远”这一时间概念,而“自失效”的概念中没有强调“永远”这一时间概念,其词根的含义也没有体现时间概念,表述为一种状态。“自失能”的英文原意中有通过对关键部件的控制使弹药不能爆炸的解释,在“禁止或限制使用地雷、诱杀装置和其他装置的修正议定书”、“集束弹药议定书(草案)”所提供的中译版中强调不可逆转。

综上可见,绝火在技术上实现时,必须将引信内的全部含能材料钝化才符合“绝火”的定义,实质上与引信自毁有相同的效果,但与自毁相比在技术上实现难度更大。“自失效”可以通过起爆首发火工品或者恢复到保险状态来实现。“自失能”主要包括发火能量、首发火工品、爆炸序列三者之一的能量耗竭来实现。若首发火工品与爆炸序列全部钝化不能作用,则属于“绝火”。由此可见,个别文献中将电源放电称为“绝火”或者将“自失能”、“绝火”统称为“自失效”都不够严谨。“自失效”、“自失能”、“绝火”概念的内涵不同,要求达到的降低未爆弹药的危害程度不同,技术实现方式也不同,不能混淆。

2　“三自”组合设计方法

2.1自毁/自失效组合

目前国外具有代表性的产品为美国ATK公司开发的XM242引信与欧洲迪尔公司对DM 1384进行改进设计的自毁引信(SDF)。

XM242引信作用原理:集束子弹药在安装前去掉保险夹,然后串装在集束弹药中;集束子弹药被抛撒后,对滑块的限位保险解除,飘带在空气动力作用下展开,由于飘带与集束子弹药存在旋转速率差,击针在飘带带动下旋转,击针旋出后解除对滑块的主保险,同时也解除了对自毁击针挡块的保险;自毁击针挡块在离心力作用下飞出,自毁击针绕轴旋转,刺发延期药,自毁/自失效装置启动;若滑块正常解除保险,但主发火未能正常发火经一定延时,由延期药、火帽、次雷管组成的组合延期管起爆主雷管,集束子弹药自毁;若滑块未能正常运动,经一定延时,组合延期管起爆主雷管,集束子弹药引信自失效[8]。XM242引信结构示意图如图1所示。

图1　XM242引信结构示意图Fig.1 Structural diagram of XM242 fuze

该类型引信的自毁/自失效装置进行抽象后如图2所示,主要由击发机构和组合延期管组成。击发机构、组合延期管与主雷管都位于隔爆件上,三者之间的位置关系不因隔爆件运动与否而改变,降低了运动时的位置要求,该种设计方法隔爆件采用滑块易于实现。

图2　自毁/自失效装置A原理框图Fig.2 Functional block diagram of self-destruction/ self-neutralisation device A

欧洲迪尔公司为DM 1384集束子弹药设计的SDF引信作用原理:集束子弹药串装在集束弹药中,集束弹药开舱后集束子弹药被抛撒;飘带在空气动力作用下展开,飘带展开后将与飘带连接的销子从滑块拔出,滑块的保险被解除;在弹簧抗力的推动下滑块移动,滑块移动后解除对隔爆转子的第一道保险;由于飘带与集束子弹药存在旋转速率差,飘带带动击针旋转,击针旋出后解除对滑块的主保险,释放隔爆转子,隔爆转子在扭簧的作用下转正;滑块在内置驱动弹簧与离心力的作用下移动到位,移动到位后刺发组合延期管,到达设定延时后组合延期管起爆主雷管,若转子正常转正集束子弹药引信自毁;若转子未能正常转正,则组合延期管起爆雷管造成集束子弹药引信自失效[9]。SDF引信结构见图3.

图3　SDF引信结构示意图Fig.3 Structural diagram of SDF fuze

该类型引信的自毁/自失效装置进行抽象后如图4所示,主要由击发机构和组合延期管组成。隔爆件为垂直转子,隔爆件运动时,组合延期管也一直与主雷管保持一定距离,通过开孔确保主雷管能被引爆。此方法的实质为主雷管沿着侧雷管进行轴向转动,结构简单易于实现。

另一种典型的自毁/自失效装置C(如图5所示),主要由水平隔爆转子、击发机构和2个侧雷管组成。击发机构有1个固定的戳击位置,相应在隔爆件上,保险和解除保险位置有2个戳击点。在隔爆件这2个位置处安装侧雷管,使其处于保险和解除保险位置时,击发机构均可以起爆侧雷管,并且能引爆主雷管,实现自毁或自失效。该种设计方法适合采用针刺发火方式起爆,主要优点在于无需采用延期火药,贮藏性好。

图4　自毁/自失效装置B原理框图Fig.4 Functional block diagram of self-destruction/ self-neutralisation device B

图5　自毁/自失效装置C原理框图Fig.5 Functional block diagram of self-destruction/ self-neutralisation device C

2.2自毁/自失能组合

自毁/自失能组合设计典型产品为如图6所示的M230SD集束子弹药引信与M234/ M235/ M236系列引信。这两类引信的自毁、自失能作用原理相同:集束子弹药被抛撒后储备电池激活,即启动电路定时自毁模式,若滑块运动到位,主发火失败一定延时后集束子弹药自毁。若自毁也失败,到达设定的延时后电源自失能[10-11]。

图6　M230SD与M234/ M235/ M236系列引信Fig.6 M230SD and M234/ M235/ M236 fuzes

M230SD集束子弹药引信自毁/自失能装置抽象后见图7,主要由电源、控制电路和侧雷管组成。通过延时控制电路定时起爆侧雷管,然后引爆主雷管自毁,自毁失败后通过控制电路实现自失能。该种自毁/自失能装置电源通过抛撒启动,自毁装置一般只有一道保险,发火方式采用电发火。M234/ M235/ M236系列与M230SD集束子弹药引信的主要区别在于电源与控制电路都在隔爆件滑块上安装。

M234/ M235/ M236系列引信抽象后的自毁/自失能装置B原理框图见图8.

图7　自毁/自失能装置A原理框图Fig.7 Functional block diagram of self-destruction/ self-deactivation device A

图8　自毁/自失能装置B原理框图Fig.8 Functional block diagram of self-destruction/ self-deactivation device B

3　可靠性与安全性分析

3.1可靠性分析

表1为典型的集束子弹药“三自”引信的综合作用率(包括发火与自毁,国外一般称为战术模式)、主发火率及自毁作用率的统计。从表1中可以看到,国际社会在靶场验收可靠性时,主要进行3项考核,即综合作用率考核、主发火率考核与自毁作用率的考核。出现这种情况的主要原因在于“集束弹药议定书(草案)”讨论后期不再有低危未爆弹率的提法,主要要求提高集束子弹药的主发火率及自毁作用率,自失效、自失能作为一种功能存在,不单独考核。

从自毁效率研究的角度而言,在技术实现方式中自毁/自失效装置A将所有的自毁/自失效组件安装在隔爆件中,其位置关系不因隔爆件运动与否而改变,降低了运动时的位置要求,优于将自毁/自失效组件分开的自毁/自失效装置B,有较高的自毁可靠性。自毁/自失效装置C在隔爆件上安装了3个雷管,未将击发机构安装在隔爆件中,自毁可靠性低于自毁/自失效装置A.自毁/自失能装置A的自毁/自失能组件分开,导致其综合作用可靠性不及自毁/自失能装置B.

表1　典型集束子弹药“三自”引信综合作用率[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、自失能不会造成安全性问题,本文仅讨论增加自毁功能给引信带来的安全性差异。表2列出了典型集束子弹药“三自”引信的保险件。借鉴引信勤务处理安全性失效概率不大于1×10-6的要求,假设每一保险件可能发生错误的装配、环境激励、保险件损毁三种情况造成安全性问题,借鉴GJB/ Z 29A—2003引信典型故障树手册,每一种情况的发生概率设为1×10-5[12],依据系统的串并联关系进行建模,计算模型与计算结果见表3.

表2　典型集束子弹药“三自”引信的保险件[8-11]Tab.2 Safety features of“three-self”fuzes for typical cluster submunitions

表3　典型集束子弹药“三自”引信的安全性计算结果Tab.3 Calculated results of safety of“three-self”fuzes for typical cluster submunitions

由表3安全性计算结果可见自毁/自失效装置A、自毁/自失效装置C发生安全性问题的概率要低于自毁/自失效装置B.从安全性角度而言,隔爆件与自毁/自失效装置一体化的安全性优于将隔爆件与自毁/自失效装置分开设计,因为一体化后其位置关系不因隔爆件运动与否而改变,降低了运动时的位置要求,也就降低了环境激励造成的失效概率,有较好的安全性。自毁/自失效装置C在隔爆件上同时安装3个雷管,装配安全性和隔爆安全性需要针对具体结构尺寸进行深入的研究。依据笔者进行的实验,合理的安排结构尺寸时隔爆安全性能够保证,但从安全性角度出发将自毁/自失效装置与隔爆件一体化是一种更优的选择。美国产品为了追求高可靠性对于采用电子自毁/自失能装置的集束子弹药引信,采用一道保险对安全性是个考验,同时也不能满足美军引信安全性军标的有关要求。对此美军也积极开发新的高安全高可靠集束子弹药引信,新开发的集束子弹药引信电子自毁/自失能装置具有多重冗余保险.

由以上分析可见,对于机械集束子弹药引信采用自毁/自失效组合设计为宜,可在原有结构的基础上进行适当改进,在不大幅增加成本的基础上,使其具有自失效功能,将自毁/自失效装置与隔爆件一体化设计后,容易保证增加自毁功能后不降低其引信的安全性,自毁装置应有冗余保险控制。对于机电式集束子弹药引信采用自毁/自失能组合设计为宜,电源自失能在技术上易于实现,自失能后也能降低未爆弹的危害性,电子自毁也应采用冗余保险控制增强安全性。

4　结论

本文研究了集束子弹药引信“自毁”、“自失效”、“自失能”、“绝火”在概念上的差异,以及其内涵的不同,由此带来的技术方式变化。对典型的集束子弹药“三自”引信进行了分析,研究了“三自”组合设计方法,从可靠性与安全性角度出发分析了各设计方法的优缺点。研究结果表明:对于机械集束子弹药引信采用自毁/自失效组合设计为宜,可在原有结构的基础上进行适当改进,将自毁/自失效装置与隔爆件一体化设计,且自毁应有冗余保险控制;对于机电式集束子弹药引信采用自毁/自失能组合设计为宜,电子自毁也应采用冗余保险控制增强安全性。

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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

作者简介:秦栋泽(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

中图分类号:TG156

文献标志码:A

文章编号:1000-1093(2016)02-0239-06