集束子彈藥引信有關概念及“三自”組合設計方法

秦棟澤(中北大學機電工程學院,山西太原030051)

?

集束子彈藥引信有關概念及“三自”組合設計方法

秦棟澤
(中北大學機電工程學院,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,分析各個概念的發展、內涵及其技術實現方式。結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”組合裝置的設計方法;通過實驗數據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。研究結果表明:“絕火”與“自失效”、“自失能”內涵及實現時所采用的技術方式有較大區別;采用“三自”組合后可以增加引信綜合作用率;采用自毀/自失效組合設計時宜將自毀/自失效裝置與隔爆件一體化設計,且自毀裝置應有冗余保險控制;采用自毀/自失能組合設計時電子自毀裝置也應采用冗余保險控制。

關鍵詞:兵器科學與技術;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注的熱點之一。“集束彈藥議定書(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為具有過分傷害力或濫殺濫傷作用的常規武器公約”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”中相同概念的發展。但國內外在1996年后的諸多軍用標準、公開文獻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[1-2]的基礎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,以及由此帶來技術方式上的差異,并探討“三自”的設計方法及增加“三自”后是否會給引信可靠性與安全性帶來負面影響。

1　相關概念的發展以及技術本質

1.1相關概念的發展

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,主要區別在于對自毀裝置的定義。“集束彈藥議定書(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展,要求“除彈藥主引爆裝置之外的”,限制了采用單一的發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火機理不同于主發火裝置。因此文獻[1]中指出自毀功能的啟動激勵與目標(區)無關,啟動激勵應來源于子彈藥拋撒或/和飛行環境,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火裝置解除保險各自獨立。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相關概念的技術本質

集束子彈藥引信“自毀”、“自失效”、“自失能”的概念和技術本質見文獻[1]與文獻[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。“自毀”的英文單詞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。“自失效”的英文單詞Self-neutralisation詞根的原意為中和,中立狀態。“自失能”的英文單詞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),應用于軍事中指撤銷,遣散(軍隊、軍事單位),使(一個師、團等)處于癱瘓狀態;使復員,斷開(或拆除、卸除)(炸彈等)的引信,使(炸彈、炮彈等)不能爆炸;4)在化學中使(化學品催化劑、神經等)滅活化,使減活化,使鈍化。“絕火”的英文單詞sterilization的原意為:1)滅菌,消毒,絕育;2)絕育手術,絕育狀態;3)不毛,貧瘠;不毛狀態,貧瘠狀態,(土地的)貧瘠化,無用狀態,不起作用狀態。

文獻[3]對于“絕火”概念有比較權威的解釋: Sterilization:a design feature which permanently prevents a fuze from functioning,該解釋中引信絕火強調的是引信永遠不能作用。文獻[4]中“絕火”指一種永久防止引信作用的設計特性。文獻[5]中“絕火”指當彈藥已經完成其預定目的時,在規定的事件和時間后永遠不能作用。文獻[6]中“絕火”指能永久防止引信作用的設計特性。文獻[7]中“絕火”指在規定的事件和時間后,當彈藥已經完成其作戰使命或不按設計要求作用時,手工布設武器具有按預定程序永久不能激活其含能材料的功能。通過以上文獻及”絕火”的英文原意可以看出“絕火”強調“永遠”這一時間概念,而“自失效”的概念中沒有強調“永遠”這一時間概念,其詞根的含義也沒有體現時間概念,表述為一種狀態。“自失能”的英文原意中有通過對關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調不可逆轉。

綜上可見,絕火在技術上實現時,必須將引信內的全部含能材料鈍化才符合“絕火”的定義,實質上與引信自毀有相同的效果,但與自毀相比在技術上實現難度更大。“自失效”可以通過起爆首發火工品或者恢復到保險狀態來實現。“自失能”主要包括發火能量、首發火工品、爆炸序列三者之一的能量耗竭來實現。若首發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,個別文獻中將電源放電稱為“絕火”或者將“自失能”、“絕火”統稱為“自失效”都不夠嚴謹。“自失效”、“自失能”、“絕火”概念的內涵不同,要求達到的降低未爆彈藥的危害程度不同,技術實現方式也不同,不能混淆。

2　“三自”組合設計方法

2.1自毀/自失效組合

目前國外具有代表性的產品為美國ATK公司開發的XM242引信與歐洲迪爾公司對DM 1384進行改進設計的自毀引信(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速率差,擊針在飄帶帶動下旋轉,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,刺發延期藥,自毀/自失效裝置啟動;若滑塊正常解除保險,但主發火未能正常發火經一定延時,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;若滑塊未能正常運動,經一定延時,組合延期管起爆主雷管,集束子彈藥引信自失效[8]。XM242引信結構示意圖如圖1所示。

圖1　XM242引信結構示意圖Fig.1 Structural diagram of XM242 fuze

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

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子的第一道保險;由于飄帶與集束子彈藥存在旋轉速率差,飄帶帶動擊針旋轉,擊針旋出后解除對滑塊的主保險,釋放隔爆轉子,隔爆轉子在扭簧的作用下轉正;滑塊在內置驅動彈簧與離心力的作用下移動到位,移動到位后刺發組合延期管,到達設定延時后組合延期管起爆主雷管,若轉子正常轉正集束子彈藥引信自毀;若轉子未能正常轉正,則組合延期管起爆雷管造成集束子彈藥引信自失效[9]。SDF引信結構見圖3.

圖3　SDF引信結構示意圖Fig.3 Structural diagram of SDF fuze

該類型引信的自毀/自失效裝置進行抽象后如圖4所示,主要由擊發機構和組合延期管組成。隔爆件為垂直轉子,隔爆件運動時,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。此方法的實質為主雷管沿著側雷管進行軸向轉動,結構簡單易于實現。

另一種典型的自毀/自失效裝置C(如圖5所示),主要由水平隔爆轉子、擊發機構和2個側雷管組成。擊發機構有1個固定的戳擊位置,相應在隔爆件上,保險和解除保險位置有2個戳擊點。在隔爆件這2個位置處安裝側雷管,使其處于保險和解除保險位置時,擊發機構均可以起爆側雷管,并且能引爆主雷管,實現自毀或自失效。該種設計方法適合采用針刺發火方式起爆,主要優點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/自失能組合設計典型產品為如圖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,若滑塊運動到位,主發火失敗一定延時后集束子彈藥自毀。若自毀也失敗,到達設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、控制電路和側雷管組成。通過延時控制電路定時起爆側雷管,然后引爆主雷管自毀,自毀失敗后通過控制電路實現自失能。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,發火方式采用電發火。M234/ M235/ M236系列與M230SD集束子彈藥引信的主要區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(包括發火與自毀,國外一般稱為戰術模式)、主發火率及自毀作用率的統計。從表1中可以看到,國際社會在靶場驗收可靠性時,主要進行3項考核,即綜合作用率考核、主發火率考核與自毀作用率的考核。出現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,不單獨考核。

從自毀效率研究的角度而言,在技術實現方式中自毀/自失效裝置A將所有的自毀/自失效組件安裝在隔爆件中,其位置關系不因隔爆件運動與否而改變,降低了運動時的位置要求,優于將自毀/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,未將擊發機構安裝在隔爆件中,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。借鑒引信勤務處理安全性失效概率不大于1×10-6的要求,假設每一保險件可能發生錯誤的裝配、環境激勵、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,每一種情況的發生概率設為1×10-5[12],依據系統的串并聯關系進行建模,計算模型與計算結果見表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果Tab.3 Calculated results of safety of“three-self”fuzes for typical cluster submunitions

由表3安全性計算結果可見自毀/自失效裝置A、自毀/自失效裝置C發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于將隔爆件與自毀/自失效裝置分開設計,因為一體化后其位置關系不因隔爆件運動與否而改變,降低了運動時的位置要求,也就降低了環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構尺寸進行深入的研究。依據筆者進行的實驗,合理的安排結構尺寸時隔爆安全性能夠保證,但從安全性角度出發將自毀/自失效裝置與隔爆件一體化是一種更優的選擇。美國產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的有關要求。對此美軍也積極開發新的高安全高可靠集束子彈藥引信,新開發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,對于機械集束子彈藥引信采用自毀/自失效組合設計為宜,可在原有結構的基礎上進行適當改進,在不大幅增加成本的基礎上,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,自毀裝置應有冗余保險控制。對于機電式集束子彈藥引信采用自毀/自失能組合設計為宜,電源自失能在技術上易于實現,自失能后也能降低未爆彈的危害性,電子自毀也應采用冗余保險控制增強安全性。

4　結論

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,以及其內涵的不同,由此帶來的技術方式變化。對典型的集束子彈藥“三自”引信進行了分析,研究了“三自”組合設計方法,從可靠性與安全性角度出發分析了各設計方法的優缺點。研究結果表明:對于機械集束子彈藥引信采用自毀/自失效組合設計為宜,可在原有結構的基礎上進行適當改進,將自毀/自失效裝置與隔爆件一體化設計,且自毀應有冗余保險控制;對于機電式集束子彈藥引信采用自毀/自失能組合設計為宜,電子自毀也應采用冗余保險控制增強安全性。

參考文獻(References)

[1]秦棟澤,范寧軍.集束子彈藥引信降危系統理論[J].北京理工大學學報, 2013, 33(3):225-228.QIN Dong-ze, FAN Ning-jun.Theoretical exposition of fuze harmreducing system in cluster munitions[J].Transactions of Beijing Institute of Technology, 2013, 33(3):225-228.(in Chinese)

[2]秦棟澤,范寧軍.子彈藥引信自失效、自失能技術路線及典型設計分析[J].兵工學報, 2013, 34(6):684-689.QIN Dong-ze, FAN Ning-jun.Technical route and typical design reliability analysis of fuze self-neutralisation and self-deactivating of cluster sub-munitions[J].Acta Armamentarii,2013,34(6):684-689.(in Chinese)

[3]TACOM-ARDEC.MIL-STD-1316E Fuze design, safety criteria for Department of Defense design criteria standard [ S].VA, US: Defense Quality and Standardization Office, 1991.

[4]中國兵器工業集團公司第212研究所.GJB373A—97引信安全性設計準則[S].北京:國防科學技術工業委員會, 1997.The 212th Research Institute, China North Industries Group Corporation.GJB373A—97 Design criteria for fuze safety [S].Beijing:the Commission of Science, Technology, and Industry for National Defense, 1997.(in Chinese)

[5]中國兵器工業集團公司第212研究所.GJB6456—2008引信電子安全與解除保險裝置設計準則[S].北京:國防科學技術工業委員會, 2008.The 212th Research Institute, China North Industries Group Corporation.GJB6456—2008 Fuze design,electronic safety and arming devices criteria[S].Beijing:the Commission of Science, Technology, and Industry for National Defense, 2008.(in Chinese)

[6]中國兵器工業標準化研究所.GJB102A—98彈藥系統術語[S].北京:國防科學技術工業委員會, 1998.China Ordnance Industry Standardization Institute.GJB102A—98 Nomenclature of ammunition system[S].Beijing:the Commission of Science, Technology, and Industry for National Defense, 1998.(in Chinese)

[7]中國兵器工業標準化研究所.GJB3194—98手工布設武器安全性設計準則[S].北京:國防科學技術工業委員會, 1998.China Ordnance Industry Standardization Institute.GJB3194—98 Hand-emplaced ordnance design, safety criteria for[S].Beijing: the Commission of Science, Technology, and Industry for National Defense, 1998.(in Chinese)

[8]Hiebel M.XM242 pyrotechnic self destruct fuze ( p-SDF) for 155mm M864E2 recap[C]∥51th Annual Fuze Conference.US: NDIA, 2007.

[9]Harbrecht R.Pyrotechnic bomblet self destruct fuze (SDF) for GMLRS[C]∥48th Annual Fuze Conference.Charlotte, NC,US: NDIA, 2004.

[10]Strickland S M.Adding an electronic self destruct mode to the destruct mode to the M230 fuze[C]∥47th Annual Fuze Conference.US:NDIA, 2003.

[11]L3 Communications BT Fuze Products.M234 / M235 / M236 self-destruct fuzes [ C]∥47th Annual Fuze Conference.US: NDIA, 2003.

[12]華北工學院.GJB/ Z29A—2003引信典型故障樹手冊[S].北京:國防科學技術工業委員會, 2003.North China Institute of Technology.GJB/ Z29A—2003 Handbook for fuze typical fault tree[S].Beijing:the Commission of Science, Technology, and Industry for National Defense, 2003.(in Chinese)

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

文獻標志碼:A

文章編號:1000-1093(2016)02-0239-06