引信慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)離心彈道保險技術(shù)

李作華，張大用

(遼寧華興機(jī)電有限公司，遼寧 錦州 121017)

0 引言

彈藥早炸會造成己方兵力、裝備受損，引發(fā)使用者恐慌、削弱戰(zhàn)斗力。在產(chǎn)品生產(chǎn)交付和部隊訓(xùn)練使用過程，引信彈道早炸現(xiàn)象偶有發(fā)生。引信慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)在外彈道因為“過激環(huán)境”而提前作用是其主要原因[1]，慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)彈道保險能力不足則是引信自身存在的主要問題?？梢?，慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)彈道保險設(shè)計十分重要。

針對旋轉(zhuǎn)彈特有的離心環(huán)境，提出借助于裝在慣性體內(nèi)活動保險子的離心力，通過外側(cè)限制斜面產(chǎn)生對慣性體的運(yùn)動約束作用，用以對慣性體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)控制，實現(xiàn)引信慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)的彈道保險功能。這里稱為“離心彈道保險技術(shù)”。

1 慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)彈道保險傳統(tǒng)技術(shù)

在外彈道飛行過程中，引起慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)提前發(fā)火的環(huán)境力主要是向前的爬行力和章動力。

在以往，引信慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)的彈道保險技術(shù)主要是加裝抗力元件來抵御彈道上的慣性環(huán)境力。抗力元件主要有兩類[2]：一類是利用彈簧、彈簧片等彈性零件提供抗力，為可恢復(fù)的“彈性保險”；另一類是利用支耳、切斷銷等剛性零件提供抗力，為一次性垮塌式的“剛性保險”。

1.1 彈性保險

彈性保險是利用壓縮彈性零件產(chǎn)生抗力，控制慣性體的狀態(tài)。常用的彈性零件為壓縮彈簧、彈簧片等。

彈性彈道保險機(jī)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)彈道上的慣性力小于彈簧預(yù)壓抗力時，慣性體不能動作，發(fā)火機(jī)構(gòu)處于保險狀態(tài)；當(dāng)慣性力大于彈簧預(yù)壓抗力時，慣性體運(yùn)動，火工品被刺發(fā)，發(fā)火機(jī)構(gòu)作用。

圖1 彈性彈道保險機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of elasticballistic insurance

彈性保險的技術(shù)特點(diǎn)[3]：1) 抗力散布較小，約為±20%；2) 可以進(jìn)行無損檢測篩選；3) 全彈道保險的抗力基本恒定；4) 彈性零件制造工藝性較好；5) 卸載后保險性能可恢復(fù)；6) 長期貯存抗力可能下降，降低保險能力；7) 發(fā)火過程，保險件全行程對慣性體施加抗力，能量耗損大，對靈敏度不利。

1.2 剛性保險

剛性保險是通過保險件塑性變形或破損的力度來控制慣性體的運(yùn)動狀態(tài)。常用的剛性保險元件有支耳、支片、剪切銷等。

剛性彈道保險機(jī)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)彈道上的慣性力小于剛性保險元件的承受能力時，慣性體不能動作，發(fā)火機(jī)構(gòu)處于保險狀態(tài)；當(dāng)慣性力大于保險元件承受能力時，慣性體運(yùn)動，火工品被刺發(fā)，發(fā)火機(jī)構(gòu)作用。

剛性保險的技術(shù)特點(diǎn)：1) 剛性零件的抗力散布較大，支耳相對散布約為±50%；2) 只能破壞性抽檢，無法進(jìn)行無損篩選；3) 全彈道保險的抗力基本恒定；4) 工藝性較差，合格率較低；5) 保險能力不具有可恢復(fù)性；6) 保險件可能累積變形降低保險能力；7) 發(fā)火過程慣性體部分行程受保險件抗力，能量耗損較小，對靈敏度影響較小。

圖2 剛性彈道保險機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of rigid ballistic insurance

1.3 傳統(tǒng)保險技術(shù)的主要問題

傳統(tǒng)保險技術(shù)的主要問題在于彈道保險能力與慣性靈敏度難以同時得到兼顧。一方面，保險元件的抗力上限應(yīng)該滿足對各類作戰(zhàn)目標(biāo)的慣性發(fā)火靈敏度要求；另一方面，保險元件的抗力下限應(yīng)該保證慣性體在彈道上保持狀態(tài)穩(wěn)定。由于侵徹目標(biāo)過載與彈道環(huán)境過載量值接近，抗力元件存在較大散布，保證彈道保險能力具有充足余量比較困難。

155 mm加榴炮殺傷爆破彈戰(zhàn)斗部對土工事侵徹所受的慣性過載g值較小，經(jīng)估算約為300g左右[4]。打擊土工事可靠慣性發(fā)火是炮彈引信的基本功能之一，這樣，保險過載上限不應(yīng)超過300g。采用彈性保險時，按抗力偏差為±20%，過載下限約減少40%，保險過載下限約為200g；采用剛性保險時，按抗力偏差為±50%，過載下限約減少100%，保險過載下限約為150g。采用彈性彈道保險的自調(diào)延期慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)，保險過載為150g時，配用于155 mm底凹?xì)⒈瑥椚园l(fā)生彈道早炸現(xiàn)象。這表明，采用傳統(tǒng)的彈道保險技術(shù)手段已經(jīng)不能同時兼顧慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)彈道安全與可靠作用的兩個基本功能。

2 慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)離心彈道保險技術(shù)

一種源于引信離心自炸技術(shù)[5]的慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)離心彈道保險技術(shù)方案如圖3所示。主要由慣性體、保險子、帶保險斜面的殼體等組成。

在引信慣性體內(nèi)(橫孔)裝有離心保險件(可以是球、銷等形狀，以下稱“保險子”)，固裝在引信內(nèi)的殼體具有前行收攏形的斜面或錐面(以下稱“保險面”)。

圖3 離心彈道保險機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of centrifugal ballistic insurance

彈丸旋轉(zhuǎn)時，保險子產(chǎn)生離心力，經(jīng)過保險面產(chǎn)生對慣性體的軸向約束分力，限制慣性體軸向前移，實現(xiàn)彈道上慣性機(jī)構(gòu)的保險功能。

碰目標(biāo)時，慣性體受慣性前沖力作用，保險子被推擠回退，解除對慣性體的限制，慣性體前沖，慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)作用。

離心彈道保險的能力與慣性體質(zhì)量、保險子質(zhì)量、保險子偏心距、保險角(保險面與彈軸夾角)等機(jī)構(gòu)參數(shù)有關(guān)[6]，還與彈丸在彈道上的轉(zhuǎn)速有關(guān)。

保險子質(zhì)量、保險子偏心距、保險角等機(jī)構(gòu)參數(shù)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得[6]。機(jī)構(gòu)參數(shù)僅在公差范圍內(nèi)變動，可控制在比較精確的范圍。機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)確定后，彈道保險能力隨同彈道上的轉(zhuǎn)速而變化[7]。

3 離心彈道保險技術(shù)分析

慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)的彈道保險能力主要取決于對慣性體約束抗力的大小，保險能力必須確保慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)受外彈道環(huán)境激勵不被啟動。

3.1 彈道環(huán)境力的基本特征

引起旋轉(zhuǎn)彈引信慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)在外彈道上不穩(wěn)定的力學(xué)環(huán)境主要是爬行力和章動力。

爬行力與彈丸速度、彈道高度(空氣密度)、彈丸結(jié)構(gòu)要素(彈形系數(shù))等有關(guān)，爬行力的量值相對較小，外彈道上呈平穩(wěn)減緩變化規(guī)律。

章動力具有周期性，與彈丸轉(zhuǎn)動慣量、慣性體與彈丸質(zhì)心距離、章動角等有關(guān)，與轉(zhuǎn)速的平方成正比。外彈道上彈丸轉(zhuǎn)速逐漸衰減、章動角逐漸減小，其他因素是由彈丸技術(shù)狀態(tài)決定的固有物理量(不隨彈道而變化)，因此章動力隨轉(zhuǎn)速與章動角呈現(xiàn)周期性衰減的變化走勢[8]。

一般地，章動力比爬行力更大一些。這里稱爬行力與章動力的合力為前向力，前向力也是周期性波動衰減的變化規(guī)律。

旋轉(zhuǎn)彈引信彈道爬行力、章動力及其合成的前向環(huán)境力變化趨向圖示見圖4。前向環(huán)境力在炮口附近較大，在目標(biāo)附近較小，全彈道為衰減走勢。

圖4 旋轉(zhuǎn)彈外彈道軸向環(huán)境過載變化圖示Fig.4 Axial environmental overload of ordinary rotating shells on external ballistics

3.2 對彈道保險能力要求的簡要分析

彈道近炮位的前段部分靠近己方陣地，對于彈道安全性的要求高；彈道后段靠近目標(biāo)(敵方)區(qū)域，彈道安穩(wěn)性的重要程度相對低。從安全性設(shè)計的角度來考慮，慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)的彈道保險能力應(yīng)該是炮口處強(qiáng)、目標(biāo)區(qū)弱。

彈道保險能力由強(qiáng)變?nèi)醯囊?，恰好與彈道環(huán)境力逐漸衰減的變化規(guī)律相吻合。

將彈道保險能力與彈道環(huán)境的比值定義為彈道保險指數(shù)(Is=保險能力/彈道環(huán)境)，那么兼顧彈道保險和慣性發(fā)火靈敏度這兩方面功能，在飛行過程彈道保險指數(shù)Is基本一致較為合理。

3.3 傳統(tǒng)彈道保險技術(shù)的保險能力性能特征

彈性保險其保險力來自保險件的變形彈力，剛性保險的保險力來自保險件的損毀抗力，彈道保險能力在彈道上都是恒定的量值，如圖5所示。前向環(huán)境力(圖4(c))與保險能力(圖5)對比見圖6。彈道環(huán)境力曲線與保險能力曲線之間的區(qū)域(陰影部位)為保險能力的余量。可以看出，傳統(tǒng)彈道保險技術(shù)的能力余量呈逐漸增長的走勢。

圖5 彈道保險(承載)能力圖示Fig.5 The capability of ballistic insurance

圖6 彈道保險能力與彈道環(huán)境力關(guān)系圖示Fig.6 Relationship between ballistic insurance capability and ballistic environmental force

與彈道保險要求對標(biāo)，顯然，傳統(tǒng)的彈道保險技術(shù)在彈道保險能力的分配上存在不合理性。

3.4 離心彈道保險技術(shù)的保險能力性能特征

彈丸的轉(zhuǎn)速隨彈道延伸而逐漸衰減。出炮口時轉(zhuǎn)速最高、著目標(biāo)時轉(zhuǎn)速最低。保險子的離心力與彈丸轉(zhuǎn)速的平方成正比，反映在彈道保險能力上是炮口處最強(qiáng)、著目標(biāo)時最弱。這一特點(diǎn)正好與近程安穩(wěn)、遠(yuǎn)程靈敏的期望相吻合。同時也滿足近程擾動大、遠(yuǎn)程擾動小的彈道環(huán)境力變化規(guī)律要求。

離心彈道保險能力與彈道環(huán)境同步變化規(guī)律如圖7所示，表現(xiàn)為能力余量比較均勻的特征。

圖7 離心彈道保險能力與彈道環(huán)境關(guān)系圖示Fig.7 Relationship between centrifugal ballistic insurance capability and ballistic environmental force

3.5 離心彈道保險技術(shù)驗證

機(jī)構(gòu)有關(guān)參數(shù)：慣性體質(zhì)量m=55.52 g；慣性體質(zhì)心與彈丸質(zhì)心距離L=150 mm；保險子質(zhì)量m1=0.58 g；保險子數(shù)量n=2(對稱)；保險狀態(tài)保險子與彈軸偏心距r=11.3 mm；保險角α=45°。

彈藥、彈道相關(guān)參數(shù)：彈丸質(zhì)量G=5.9 kg；彈丸直徑D=76.2 mm；轉(zhuǎn)動慣量比B/A=8.97；彈形系數(shù)i43=1.05；彈道系數(shù)C=i43D2/G×10-3=1.028；取章動角δ=15°；取氣壓函數(shù)π(Y)=1(彈道高按0 m計，彈道保險能力評估略微保守)。

相關(guān)數(shù)據(jù)計算式如下[2]：

空氣阻力加速度：J=Cπ(Y)F(V)

(1)

慣性體爬行力：Fp=mJ×10-3

(2)

慣性體章動力：Fzh=mL[(ω/2)(A/B)δ]2×10-6

(3)

慣性體前向合力：Fq=Fp+Fzh

(4)

前沖過載系數(shù)：kq′=Fq/(m/9.806 65/103)

(5)

保險子離心力：Fb=m1rω2×10-6

(6)

彈道保險力：P=2Fbtan α

(7)

彈道保險過載值：k3′=P/(m/9.806 65/103)

(8)

彈道保險指數(shù)：Is=P/Fq

(9)

彈道保險能力相關(guān)參數(shù)和計算數(shù)值見表1(速度和轉(zhuǎn)動角速度由測試獲得)。可以看到：彈道保險指數(shù)在4.69～6.73之間，保險能力余量充足，保險指數(shù)分布比較均衡。

該慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)用于76 mm殺爆彈，以500 m/s著速(角速度1 350 rad/s)對200 m處5 mm厚中碳鋼板40°著角射擊試驗，10發(fā)均著靶發(fā)火。此時V=500，F(xiàn)(V)=43.2，按式(6)—式(8)計算，著靶時的彈道保險過載值為43.8g。在同等條件下，對彈道保險過載值為23g的彈性保險慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)射擊，試驗10發(fā)，8發(fā)著靶發(fā)火，2發(fā)著靶后落地發(fā)火。前者的發(fā)火靈敏度高于后者。

3.6 與傳統(tǒng)彈道保險技術(shù)的優(yōu)勢

與彈性保險、剛性保險等固定抗力彈道保險技術(shù)相比，離心彈道保險技術(shù)避免了性能和工藝方面的一些不足，具有如下明顯優(yōu)勢：

1) 保險能力隨彈道上的轉(zhuǎn)速而變化，與彈道上的前向慣性力同步升降，有利于彈道安全與慣性發(fā)火的性能協(xié)同；

2) 依靠旋轉(zhuǎn)環(huán)境產(chǎn)生的離心力工作，無需抗力零件，不存在彈性保險的能力衰減、剛性保險的能力損失問題；

3) 保險能力與保險角、保險子偏心距(離心半徑)、保險子質(zhì)量、保險子接觸表面粗糙度等參數(shù)和狀態(tài)有關(guān)，質(zhì)量可控，系統(tǒng)誤差?。?/p>

4) 貯存時間、溫度等不引起保險能力變化；

5) 慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)作用過程，保險子通過保險面之后對慣性體的抗力迅速消失，在靈敏度方面優(yōu)于全行程阻止慣性體的彈性保險，與剛性保險相當(dāng)；

6) 著目標(biāo)時，彈體轉(zhuǎn)速會驟然降低，保險力隨離心力迅速減小，對慣性靈敏度的影響優(yōu)于同等能力的傳統(tǒng)保險技術(shù)。

表1 彈道保險能力相關(guān)數(shù)表Tab.1 data sheet related to ballistic insurance capability

4 結(jié)論

1) 離心彈道保險具有隨著彈道延伸保險能力遞減的特點(diǎn)。在外彈道初期，保險能力強(qiáng)，對炮口附近的安全性有利；在目標(biāo)區(qū)，彈道保險能力減弱，對慣性發(fā)火可靠性有利。能較好兼顧彈道安全、碰擊目標(biāo)可靠作用的雙重功能。

2) 彈道保險能力與彈道環(huán)境力成正相關(guān)變化，彈道上的保險指數(shù)比較均衡，避免了傳統(tǒng)彈道保險技術(shù)炮口附近能力余量小、目標(biāo)區(qū)能力過剩的不合理分布。

3) 在同等條件下射擊試驗，彈道保險過載值較高的離心彈道保險，發(fā)火率高于彈道保險過載值較低彈性彈道保險，初步驗證了離心彈道保險技術(shù)的性能優(yōu)勢。

4) 碰目標(biāo)時彈體轉(zhuǎn)速驟降，保險子的保險能力迅速消失，對慣性靈敏度會產(chǎn)生有利影響，需要進(jìn)一步加以研究；最小作戰(zhàn)距離、小落角等使用條件下的發(fā)火靈敏度性能需要進(jìn)一步考證。