自毀裝置的安全性和可靠性*

秦棟澤，范寧軍

(1.中北大學機電工程學院，山西太原030051;

2.北京理工大學機電學院，北京100081)

自毀裝置的安全性和可靠性*

秦棟澤1，2，范寧軍2

(1.中北大學機電工程學院，山西太原030051;

2.北京理工大學機電學院，北京100081)

為了研究集束彈藥自毀裝置的安全性與可靠性，分析和評價自毀裝置設計，對自毀裝置進行了理論抽象，建立了自毀裝置安全性失效模型;引入信息論方法，建立了抽象自毀裝置順序控制起爆信息輸出量和順序時間窗控制起爆信息輸出量模型;對典型的M85子彈藥引信、XM1161引信、M230SD引信安全性及可靠性進行了分析。理論分析表明，M230SD引信安全性及可靠性優于XM1161引信、M85子彈藥引信，與實驗結果一致。

爆炸力學;安全性與可靠性;順序控制;自毀裝置;順序時間窗控制

降低集束彈藥未爆彈率是目前的關注熱點之一，在《特定常規武器公約》框架下，對于《集束彈藥議定書(草案)》提出的加裝自毀裝置(不同于發火裝置)降低未爆彈率，目前已經基本達成共識［1-2］。秦棟澤等［1］采用可靠性框圖方法探討了不同時機啟動實現高效自毀問題，認為自毀裝置采用一道保險或在拋撒時啟動自毀效率高，而有學者對自毀裝置僅一道保險或在拋撒時啟動是否會帶來彈藥引信本身安全性問題尚有疑慮。本文中，嘗試通過理論建模和部分實驗結果，說明經過合理的設計可以保證自毀裝置采用一道保險或在拋撒時啟動不會降低其安全性，如可利用起爆信息量大，能提高其起爆可靠性。

1 安全性建模

由于自毀裝置主要目的是解決未爆彈問題，需要避免瞎火，同時不能由此引發安全性問題，導致可靠起爆和彈藥安全性的矛盾非常突出。自毀裝置存在起爆信息識別率和起爆信息干擾度之間的矛盾。無論選擇何種識別方法設計自毀裝置，總會出現兩類錯誤。第一類是自毀預定條件不存在時，由于干擾的存在，自毀啟動威脅彈藥安全，這個概率為干擾度Pe0;第二類是自毀預定條件存在，而自毀裝置判斷為不存在，這個概率為誤識率Pe1。第一類錯誤會導致引信的安全問題，在自毀裝置的錯誤指令下，可能出現早炸。第二類錯誤會導致瞎火。在引信自毀裝置設計中，這兩類問題所帶來的危害不同，由于缺乏先驗概率，自毀裝置起爆信號檢測不宜采用最小錯誤概率準則和最小平均風險準則，在設計和評價環境中采用奈曼-皮爾遜(Neyman-Pearson)準則較合理。即，保持第一類錯誤概率Pe0為固定的允許值的同時，使第二類錯誤概率Pe1最小。這種準則兼顧了安全性和可靠性兩大性能，為各種類型的自毀裝置安全性分析建立了統一的評價標準。根據自毀裝置的設計準則，自毀裝置的安全性指標規定為必須滿足環境干擾度指標α。一般自毀裝置由環境識別器、保險器、狀態控制器、起爆元件組成，自毀裝置可能有4種安全失效模式。第一種，環境識別器失效，保險器、狀態控制器、起爆元件均可靠;第二種，保險器發生安全性失效、狀態控制器工作可靠、起爆元件工作可靠;第三種，狀態控制器失效、起爆元件工作可靠;第四種，起爆元件原發性失效。因此自毀裝置安全失效率的計算式為:

式中:PSe0D為自毀裝置失效率;為環境識別器安全失效率;為保險器的安全失效率;為狀態控制器安全失效率;為爆炸元件的原發性安全失效率;RS為保險器的可靠度;RT為狀態控制器的可靠度; RD為爆炸元件的可靠度。

為了研究不同結構原理的自毀裝置，對自毀裝置進行了理論抽象。自毀裝置本質輸出起爆信息，起爆信息是從環境信源中提取一定量的信息并轉變為信號，自毀裝置要達到規定的可靠性指標，就有一個必須獲得的最小信息量Imin，若自毀裝置獲取的信息量大于最小信息量，則性能可能趨于更優，自毀可靠性高。

2 起爆信息輸出量模型

2.1 起爆信息輸出量模型

自毀裝置的實質，是在引信出廠到戰斗部作用于目標的全壽命周期T中，選擇對應的唯一的拋撒主發火失敗后，輸出起爆信號起爆爆炸元件。定義自毀所必須處理的最小信息量Imin等于從引信所經歷的N次操作中選擇不可逆拋撒過程的熵H0，即:

式中:N為引信所經歷的操作總次數;Pi為第i次操作為拋撒過程的概率。

由于安全性比可靠性指標苛刻，所以優先考慮安全性指標［3］。N是隨機變量，要考慮一個自毀裝置的安全性總是將問題轉化為多個自毀裝置的安全失效率，由此自毀裝置的安全性指標α相當于自毀裝置在［α-1］次操作中，其環境識別器只能有一次將環境干擾判斷為啟動條件，

式中:［X］表示不大于X的最大正整數。

考慮對安全性最不利條件，認為Pi等概率分布，即Pi=1/N，

2.2 順序識別法模型

現有的自毀裝置輸出起爆信息識別方法主要有兩種，一種為順序識別，即利用M個特定的閾值開關獲取信息，開關按特定的順序動作所包含的信息量。順序識別方法包含的開關狀態數為M!，在這M!個狀態中，只有一種狀態對應于自毀預定條件的存在，假設Xi狀態發生的概率為P(xi)(i=1，2，…，M!)，則順序識別方法所獲取的信息量IM為:

考慮最不利條件，順序識別方法的所有M!個狀態等概率發生:

將式(9)代入式(6)，得:

2.3 順序時間窗模型

順序時間窗識別方法，即M個開關按預定順序并在一定的時間區域內閉合，才判斷為自毀預定條件存在。M個開關所具有得狀態數為(M-1)!2M-1，其中(M-1)!為M個開關順序閉合所擁有的狀態數，2M-1為每一種順序閉合時，M-1個開關是否處于規定時間區內所處的狀態(減1是因為有一個開關為時間基準)。假設Xi狀態發生的概率為P(xi)(i=1，2，…，(M-1)!2M-1)，則順序時間窗識別方法所獲取的信息量IM為:

考慮最不利條件，順序時間窗識別方法的所有狀態等概率發生:

由于

將式(14)代入式(11)，得:

3 實例分析

選取3個典型引信，分別為M85子彈藥引信(自毀裝置二道保險)、XM1161引信(自毀裝置一道保險)和M230SD引信(自毀裝置拋撒啟動)，進行分析。安全性與可靠性的結果見表1，PT為靶場測試起爆率。

表1 安全性與可靠性結果比較Table 1 The results of safety and reliability

M85子彈藥引信自毀裝置作用原理:子彈拋撒后，在空氣氣動力作用下，飄帶打開，拉力保險解除對滑塊的約束，在離心力作用下，離心保險解除對滑塊的約束，滑塊運動到位后，自毀錘點燃延期管，延時后點燃雷管，子彈藥自毀［4］。XM1161引信自毀裝置作用原理:子彈拋撒后，在空氣氣動力作用下，飄帶打開，拉力保險解除對滑塊的約束，滑塊釋放轉子，轉子啟動后點燃延期管，延時后點燃雷管，子彈藥自毀［5］。M230SD引信自毀裝置作用原理:子彈拋撒后，電池上電，處理器定時，定時時間到后對發火電容充電，子彈藥自毀［6］。

按照相關規定，要求安全系統失效率不超過10-6，即假設任一器部件的安全失效率不超過百萬分之一，各元件的可靠度都為0.99。依據公式(1)，可求得XM1161引信、M230SD引信安全失效率低于M85子彈藥引信，M85子彈藥引信安全失效率為3.95×10-6，XM1161引信、M 230SD引信安全失效率為3.92×10-6。M85子彈藥引信在使用過程中安全失效率滿足要求，而限于安全性失效率在10-6這個數量級，很難通過實驗驗證，理論計算說明，合理設計的自毀裝置僅一道保險或在拋撒時啟動不一定帶來彈藥引信本身安全性問題。因此，XM1161引信和M 230SD的引信安全性也應能滿足要求。且一般電子元件的可靠度要高于機械元件，因此實際情況下，M230SD安全失效率應該低于XM1161引信。

M85子彈藥引信、XM1161引信起爆信息利用采用順序識別法(由于延期藥管點燃后無法施控，不屬于順序時間窗方法)，M230SD引信采用順序時間窗識別法具有時間窗口(定時后仍有電容充電過程，不同于延期管直接起爆雷管)，M85子彈藥引信開關為飄帶和滑塊，采用順序識別法，XM1161引信開關為飄帶、滑塊和轉子，采用順序識別法，M230SD引信采用順序時間窗識別法，開關為電池、處理器和電容。簡易計算，M230SD引信起爆信息輸出量大于XM1161引信，XM1161引信起爆信息輸出量大于M85子彈藥引信，與文獻［1］采用可靠度框圖的起爆效率高低排序結果一致，說明在器件本身可靠性相同時，能夠采用的起爆信息量大時，起爆可靠性高。依據真實的靶場測試數據，M230SD引信的可靠性也高于XM1161引信、M85子彈藥引信，一方面由于器件本身的可靠度高，另一方面也說明，由于其起爆信息利用量大，減小了環境干擾，引信裝置起爆度高。

4 結論

初步完成了自毀裝置的抽象，建立了自毀裝置安全性理論計算模型，在一定假設下計算結果說明，自毀裝置一道保險和自毀裝置在拋撒時啟動不一定降低彈藥引信本身的安全性。在自毀裝置的研究中引入了信息論方法，建立了起爆信息輸出量計算模型，對有關實例進行了分析，驗證了理論模型的合理性，同時說明，在器件本身可靠性相同時，若起爆信息利用量大，引信裝置起爆度高。

［1］秦棟澤，吳炎煊，范寧軍，等.降低集束子彈藥未爆彈率的技術路線分析［J］.探測與控制學報，2011，33(5):24-28.

Qin Dong-ze，Wu Yan-xuan，Fan Ning-jun，et al.The analysis on the technical route for lowering the unexploded probability of the cluster submunition［J］.Journal of Detection＆Control，2011，33(5):24-28.

［2］CCW.Draft protocol on clustermunitions［R］.2010.

［3］高敏，馬寶華.引信安全系統環境識別器的信息原理［J］.北京理工大學學報，1992，12(2):52-57.

Gao Min，Ma Bao-hua.Information principle involved in environment discrimination devices in fuze safe and arming systems［J］.Journal of Beijing Institute of Technology，1992，12(2):52-57.

［4］L3 Communications BT Fuze Products.Low cost p-SDF for ICM rounds［C］//51st Annual Fuze Conference.USA:2007.

［5］L3 Communications BT Fuze Products.M234/M235/M236 self-destruct fuzes［C］//48th Annual Fuze Conference. USA:2004.

［6］Strickland SM.Adding an electronic self destructmode to the destructmode to the M230 fuze［C］//47th Annual Fuze Conference.USA:2003.

Security and reliability of a self-destructive device*

Qin Dong-ze1，2，Fan Ning-jun2
(1.College of Mechatronic Engineering，North University of China，
Taiyuan 030051，Shanxi，China;
2.School of Mechatronical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)

The self-destructive device in clustermunitions was theoretically abstracted to establish a security failure model for investigating its security and reliability and evaluating the corresponding design.Based on informationism，twomodels were proposed for the output parameters of the detonation informations with sequential control and time-window sequential control，respectively.And the security and reliability of the M85 submunition fuze were anzlyzed aswell as the XM1161 fuze and the M230SD fuze.The theoretical analyse shows that the security and reliability of the M230SD fuze is better than those of the XM1161 fuze and the M230SD fuze.It is in agreementwith the experimental results.

mechanics of explosion;security and reliability;sequential control;self-destructive device; time-window sequential control

Qin Dong-ze，apo1981@126.com

O389;TJ413國標學科代碼:1303599

A

1001-1455(2014)01-0111-04

(責任編輯 丁峰)

2012-05-22;

2012-08-31

引信動態特性國防科技重點實驗室基金項目(3020012251002)

秦棟澤(1981—)，男，博士，講師。

*Received 22 May 2012;Revised 31 August 2012