结合MIL-STD-1316F探讨子弹药引信安全性设计中的若干问题*

秦栋泽,何光林

(1 中北大学机电工程学院, 太原 030051;2 先进制造技术山西省重点实验室, 太原 030051; 3 北京理工大学机电学院, 北京 100081 )

0 引言

《引信安全性设计准则》(GJB373A-1997)被视为引信行业的首要标准,该准则等效参照了美军“引信设计的安全性标准”(MIL-STD-1316C和MIL-STD-1316D),该标准的贯彻使我国引信的安全性显著提高。当前,美军最新的“引信设计的安全性标准”MIL-STD-1316F(下文简称1316F)在2017年8月发布[1]。该标准与MIL-STD-1316E[2]发布间隔时间长达18年(以往更新版本的间隔周期是7年),1316F体现了美军近年来对引信安全性的最新理解和认识,值得借鉴。国内等效采用1316F更新文献[3] GJB373A—1997引信安全性设计准则(下文简称GJB373A)工作也已经启动。

由于子弹药经历的弹道环境与整体弹药的弹道环境有差异,在设计中有其需要单独注意的问题。1316F不惜笔墨对子弹药引信专门提出了一些要求,这些要求在GJB373A中没有。当前,国内对1316F一些新提法的内涵以及技术的实现方式进行研究的文献不多。文献[4-9]主要以解决未爆弹问题为出发点,对子弹药引信设计中的“三自”、可靠性问题进行研究。文中主要结合1316F从安全性角度对子弹药引信设计中的若干问题进行探讨。

1 关于子弹药引信安全系统冗余保险的设计问题

1316F中的5.7条,条目为“含有子弹药的弹药”,该条款要求,“对含有子弹药的子母式弹药, 应适用下列各项:1) 4.3 条所述的概率和条件应适用于子弹药引信系统。2)系统危险性分析应证明4.3 条的要求得到满足”。

1316F的4.3 条是关于引信安全失效率与安全失效的分析。1316F的5.7条要求子弹药引信与整体弹药引信的安全失效率要求相同。要达到安全失效率的要求,子弹药引信需要设置受控于不同环境力的冗余保险。

1316F与此密切相关的还有4.2.4款,条目为“子弹药解除隔离”。该条款要求,“引信系统应该设计成:所有子弹药均不得仅仅因为在母弹发射前的可信意外事故导致的子弹药从母弹中散落,而解除隔离”。

美军MIL-STD-1316E,以及我国的GJB373A都没有相应的这两个条款。为了进一步理解该条款的内涵和技术本质,下文结合一些典型子弹药引信如美国传统的M223子弹药引信以及M85子弹药引信进行探讨。

图1为M223子弹药引信示意图。作用原理:未装入母弹前,子弹药有一道手工保险,即图1中的保险夹和销。装入母弹时手工拔掉该道保险,子弹药装入母弹后处于套装状态,上一枚子弹药药型罩约束住下一枚子弹药引信处于折叠状态的稳定带、击针及滑块,使稳定带不能张开,与稳定带相连接的击针不能上移。母弹开舱后,子弹药分离,子弹药利用稳定带实现飞行稳定,在气动环境作用下稳定带带动击针相对引信体微旋转运动,解除对滑块的约束,滑块在弹簧和离心力作用下运动到位[10]。

为了便于描述及分析问题,将子弹药套装时,上一枚子弹药药型罩对下一枚子弹药引信提供的这种保险称为“嵌套保险”。该保险是击针解除保险程序中的一个环节,可以用来启动一道保险的解除保险程序。公开近二十年的MIL-HDBK-145C认为该保险在嵌套状态时同样也限制了滑块的运动,是一道独立保险[10]。结合1316F的4.2.4款和4.2.2款(强调环境激励水平)来看该观点疑似不妥。4.2.4款专门强调在母弹发射前子弹药从母弹中散落,说明出现这种事故的概率不低,不能忽视。从另一个侧面说明嵌套保险利用的是在发射周期开始之前引信可能受到的环境激励水平,这不符合1316F的4.2.2款要求。因此,嵌套保险可以用来启动一道保险的解除保险程序,但不能作为一道独立保险。笔者认为M223子弹药引信不符合1316F的要求。

图1 M223子弹药引信示意图

M223子弹药引信应属于双重环境串联保险,环境分别是:① 抛撒环境;②子弹药飞行气动环境——极阻尼力矩驱动击针相对引信体微旋转运动,解除对滑块的约束。图2为M223子弹药引信保险装置作用过程示意框图。

图2 M223子弹药引信保险装置作用过程的示意框图

但是除嵌套保险外,子弹药引信仍具有受控于不同环境力的冗余保险,那么这种设计是满足美军1316F的要求,如M85子弹药引信。该引信由以色列IMI公司研制。被诸多国家所装备,并在实战中有过使用[11]。作用过程:子弹药抛撒后在空气动力作用下,子弹药引信顶端的稳定带夹脱落,稳定带打开,子弹药稳定飞行;在离心力作用下,离心子克服离心弹簧的抗力解除了对滑块的第一道保险;在稳定带拉力作用下击针解除对滑块的第二道保险,滑块在离心力和弹簧的作用下运动到位,定位销锁定滑块;在滑块运动到位后,驱动自毁击针戳击延期管。如子弹药未正常发火,则延期管延时15 s后点燃雷管,子弹药自毁[11]。图3为M85子弹药引信结构示意图。

图3 M85子弹药引信结构示意图

M85子弹药引信属于三重环境并联保险,环境分别是:① 抛撒环境；②子弹药飞行气动环境——稳定带通过击针解除对滑块的约束；③离心环境——离心子通过离心力解除对滑块的约束。该引信的固有安全性比较高,但是该引信自毁机构设计的并不出色,可靠性较低,限于篇幅此处不展开讨论。图4为M85子弹药引信保险装置作用过程的示意框图。

图4 M85子弹药引信保险装置作用过程的示意框图

2 关于子弹药自毁装置的设计问题

为了降低未爆弹率,在子弹药引信中增加自毁装置已经取得共识。1316F的5.5条 对“自毁”进行了解释,释义是“如果系统技术文件有要求,自毁装置应该被包含。与相同弹药配用没有自毁装置的引信相比,自毁装置不能增加操作者的危害概率。自毁装置的自毁作用应不能发生在发射前和达到安全分离距离或引信延迟解除隔离前。”GJB373A对自毁的解释是“引信根据系统要求的适应性,应考虑含有自毁特性并引爆弹药。自毁不应发生在发射及完成延期解除保险之前。”

GJB373A与1316F的释义有较大的区别,区别主要有两点。第一点明确要求自毁装置的增加不能给操作者带来安全性问题。与相同弹药配用没有自毁装置的引信相比,增加自毁装置可能给操作者带来安全性问题,主要体现在手榴弹引信上。对于子弹药引信,由于安装在母弹中,只要安全系统性能完善,是否设置自毁装置对操作者的安全没有影响。第二点强调自毁装置的自毁作用不能发生在发射前和没有达到安全分离距离或引信延迟解除隔离前。与GJB373A区别在于增加了自毁装置解除保险不能发生在没有达到安全分离距离前的描述。

下文重点针对第二点进行分析。首先,自毁装置的自毁作用不能发生在发射前被启动这一条比较容易理解,对于子弹药引信的自毁装置其作用应不能发生在发射前,即自毁装置不能给勤务处理带来安全性问题。其次,自毁装置的自毁作用应不能在达到安全分离距离前。此处有一概念“安全分离距离”,指的是弹药战斗部距离发射点的安全距离,在该距离上万一战斗部爆炸,不会对发射点和装备造成危害,因此它本质上是取决于战斗部的威力特性。“延迟解除隔离距离或时间”是根据战斗部的安全分离距离来决定的,即它必须大于安全分离距离,它是引信的性能特征,为的是保证发射安全性。1316F强调安全分离距离是为了将要求描述的更加清晰。对于子母式弹药的“安全分离距离”是一般由母弹引信来保证的。同时在此处还强调自毁装置的自毁作用应不能在引信延迟解除隔离前,那么对于子母式弹药,虽然部分子弹药引信设置有延迟解除隔离装置,自毁装置也是安装在子弹药引信中,但1316F在此处强调的引信延迟解除隔离,指的是母弹的引信。

一般而言,对于子弹药引信是否需要设置延迟解除隔离装置,主要取决于3个因素：一是一单发母弹中所装子弹药的数量,如果数量很多,为防止抛撒初始段子弹药间的相互碰撞引起发火,往往设置延迟解除隔离装置(子弹药引信常将击针作为安全系统的保险件)。二是在抛撒初始段子弹药飞行姿态不稳定,为避免发火控制系统受姿态振动而提前发火,设置延迟解除隔离装置。这些均与“安全分离距离”无关。三是作战系统对“安全分离距离”以外的安全性有要求,如作战系统要求除对发生系统和人员以外还需要对编队中的其它系统进行保护,以图5所示的前后编队直升机攻击为例。后面直升机发射的火箭式子母弹可能就在前面直升机的附近开舱,为了保护邻机,子弹药引信需要设置延迟解除隔离装置。

通过以上分析可见对于子弹药自毁装置,1316F的5.5条应该理解为:子弹药自毁装置的自毁作用应不能在母弹发射前和达到安全分离距离或母弹引信延迟解除隔离前作用。当然对于设置了延迟解除隔离装置的子弹药引信,其自毁作用也要发生在延期解除隔离后。因为,自毁的主要目的是避免出现未爆弹,减少爆炸物处理的负担和危险性。在延期解除隔离之前自毁,则造成子弹药空爆,降低了子弹药正常发火的可靠性,对于机载空中编队,甚至可能造成对编队内其它飞机的误伤。

图5 前后编队直升机攻击示意图

下文将结合M85子弹药引信和M230SD子弹药引信对子弹药引信自毁装置进行探讨。通过前文介绍的M85子弹药引信作用原理可见,其自毁装置的启动是在母弹发射后,在母弹引信延迟解除隔离之后,在子弹药引信安全系统解除隔离后。该子弹药引信自毁装置的设计满足1316F的5.5条要求。图6为M85子弹药引信自毁通道的作用示意框图。

图6 M85子弹药引信自毁通道的作用过程示意框图

M230子弹药引信配用于直升机发射的火箭子母弹。M230SD是为了解决未爆弹问题,在M230子弹药引信基础上增加相对独立的自毁装置形成的方案。作用过程:母弹抛撒子弹药后,子弹药相互分离,储备式锂电池在抛撒环境的作用下被激活,定时自毁装置启动,利用稳定装置打开时的拉力切断保险销,滑块在弹簧的作用下向外运动,在无返回力矩擒纵机构控制下经1.5 s延时,滑块运动到位, 雷管与导爆管对正。若子弹药未正常起爆,自毁延时时间到后自毁装置输出起爆控制信号,子弹药自毁[10-12]。图7为M230SD子弹药引信示意图。图8为自毁通道作用示意框图。

M230SD子弹药引信自毁装置与M85子弹药引信自毁装置在技术本质上有两个较大区别:

①出于提高自毁可靠性的目的,其启动时机,是在子弹药引信解除隔离前。

②由于战术要求,该子弹药具有延迟解除隔离装置。

图7 M230SD子弹药引信示意图

图8 M230SD子弹药引信自毁通道作用示意框图

对于第一点区别,M230SD子弹药的自毁装置启动时机虽然由抛撒环境驱动电池激活机构控制,若要实现自毁作用,仍需要安全系统解除隔离,只要安全系统设计合理(此处暂不讨论M230SD的安全与解除保险装置本身是否满足1316F),则自毁装置不会带来安全性问题,其自毁装置的启动时机也满足1316F的5.5条。

对于第二点,由于M230SD子弹药引信设置了延迟解除隔离装置,自毁装置的作用也是在子弹药引信延迟解除隔离后。

综上可见:子弹药引信自毁装置属于其发火控制系统的一部分,尽管发火控制系统也有“保险装置”,但它管的是“在何种条件下允许向起爆器输出点火信号”,而不是“何种条件下解除隔离”。且一般子弹药的自毁装置与发火系统是共用爆炸序列的,因此要求子弹药引信自毁的输出点火信号一定发生在子弹药引信解除隔离之后,但子弹药引信自毁的启动时机与子弹药引信安全系统是否解除隔离无关,虽然1316F只要求子弹药引信自毁装置作用不能在母弹发射前和达到安全分离距离或母弹引信延迟解除隔离前。在设计中对于设置有延期解除隔离装置的子弹药引信,自毁作用应在延期解除隔离后,对于没有延期解除隔离装置的子弹药引信,自毁作用应在安全系统解除隔离后。

3 结论

结合1316F对子弹药引信设计中的几个问题进行了探讨。总的来看,1316F对子弹药引信的要求有严有宽,严的是子弹药嵌套保险不能作为冗余保险中的一道独立保险,对于子弹药引信自毁装置的设计要求则相对宽松,不要求子弹药引信自毁的启动时机在子弹药安全系统解除隔离后。

研究所得结论为:子弹药引信需设置独立环境的冗余保险,嵌套保险不能独立作为冗余保险中的一道保险,但可以作为子弹药引信用来启动一道保险的解除保险程序。子弹药引信的自毁装置启动时机与子弹药引信安全系统是否解除隔离无关,虽然1316F只要求子弹药引信自毁装置不在母弹发射前和达到安全分离距离或母弹引信延迟解除隔离前作用,但在设计中对于设置有延期解除隔离装置的子弹药引信,自毁作用应在延期解除隔离后,对于没有延期解除隔离装置的子弹药引信,自毁作用应在安全系统解除隔离后。