引信安全系统惯性保险技术研究❋

吴 越,王宏伟,史长虹,汤建林

(1.中北大学 机电工程学院,山西 太原 030051;2.辽宁华兴机电有限公司,辽宁 锦州 121017;3.中国人民解放军总后军需装备研究所,北京 100010;4.中国人民解放军 66068部队,山西太原 030051)

0 引 言

155 mm火炮配两种弹药,一种为 A弹,另一种为 B弹,两种弹药配用同一种引信 MM－A.1996年,MM－A引信配用 B弹进行工厂定型试验中发生瞎火现象,瞎火率达 1/4.对此问题先后采用多种方案查找引信瞎火的原因,但均未见效.在此期间,为了验证引信瞎火的问题,采用了MM－B引信,并进行了引信对地发火性实验,引信全部作用正常.在此基础上,进行了 B弹配用MM－B引信补充鉴定实验,并对引信进行了各项考核,引信作用正常.但在 1998年进行的155 mm A弹射表编制实验中,MM－B引信 161发瞎火 7发,瞎火率为 1/23.为此对引信进行了改进,在后来的 81发 A弹射表编制实验中均未出现瞎火,然而在 58发 B弹射表编制实验和轻重弹对比实验中又出现了引信瞎火问题.说明该型引信作用可靠性存在一定的问题,而 MM－A引信和 MM－B引信采用的惯性保险机构结构相同,因此需要对其安全系统惯性保险技术进行进一步研究.

1 引信安全系统惯性保险技术分析

1.1 引信结构

MM－B引信是在制式引信的基础上进行改进设计而来,采用双环境力准流体延期解除保险安全系统,该安全系统已在引信中得到充分验证,其特点是结构简单、强度高、作用可靠性高.为了说明问题,对此类安全系统的组成及原理[1－2]说明如下:安全系统主要由以下几个部分组成:回转体部件,惯性保险机构(惯性销、惯性销簧),离心保险机构(两个离心子,两个离心子簧),延期解除保险机构(保险套筒、活塞缸、活塞杆、微径玻璃珠).

作用原理:平时离心保险机构中的两个离心子锁住延期解除保险机构中的保险套筒,保险套筒堵住活塞缸上的泄流孔,防止微径玻璃珠外泄;活塞杆一端受微径玻璃珠限制而固定,另外一端则限制回转体部件,构成离心保险;惯性保险机构中的惯性销限制回转体部件转动,构成离心保险,保证回转体部件处于保险位置.发射时,惯性保险机构中的惯性销在后坐力的作用下,克服惯性销簧的抗力下沉到位,惯性保险解除;在离心力作用下,离心保险机构中两个离心子克服离心子簧的抗力外撤,解除对保险套筒的限制,保险套筒打开泄流孔,微径玻璃珠从泄流孔流出,经过一段时间泄流后,活塞杆随之外撤,直到解除对回转体部件的限制,回转体部件在离心力作用下,转正到位,处于解除保险状态.惯性保险机构和MM－A引信惯性保险机构结构相同,均借鉴了M739引信惯性保险机构的结构形式,既采用低阈值可逆式后座保险机构(＜30 g,不解除保险;＞40 g,解除保险).隔爆方式采用水平转子式隔离机构的结构形式.引信炮口保险距离不小于60 m,可靠解除保险距离不大于 150 m.

1.2 弹丸基本参数和弹道特性

A弹与 B弹弹丸诸元比较如表 1所示.A弹与 B弹弹道特性如表 2所示.

表1 弹丸参数Tab.1 Parameter of projectile

表2 弹道特性表Tab.2 Ballistic characteristics

1.3 对比试验及瞎火原因分析

1.3.1 弹丸对比情况

从弹丸诸元看,B弹比 A弹重 2.5 kg,全弹要长 20.8 mm,质心往前 7 mm,直线过载、炮口转速等略大;从弹道特性看,B弹飞行时间长,弹道高,落速大.经对瞎火引信进行回收检查,发现隔离机构中回转体均未转动到位,使引信处于隔爆状态,说明与回转体相关联的零部件存在可靠性或强度问题,并且处于某种极限状态.当配用于弹道条件稍好的 A弹上时就可以正常作用;而在条件稍为恶劣时有时就会发生不正常现象.

1.3.2 引信对比情况

155 mm B弹曾配用的 MM－A引信和现配用的 MM－B引信都采用双环境力解除保险安全系统,MM－A引信的离心保险采用钟表延期解除保险机构,而在 MM－B引信采用的是准流体延期解除保险机构,该两种保险机构在其它引信中已得到充分验证;而 MM－A引信和 MM－B引信采用的惯性保险机构结构相同,为低阈值可逆式后座保险机构.因此,从两种引信配用于 B弹都有瞎火现象分析,惯性保险机构有可能存在可靠性问题[3].

1.3.3 弹丸章动对引信的影响

弹丸章动过大是影响引信正常作用的一个重要因素[4].经对 B弹章动角的测定,6发平均最大章动角为 5.8°,最大值为 14°,章动角最大峰值距炮口平均为 32.6 m,弹道波长平均为 136 m,章动周期为 0.075 6 s.MM－B引信的惯性保险机构为低阈值可逆式后座保险机构,其勤务处理过程就是惯性保险机构中的惯性销在惯性销簧的作用下,可恢复对回转体的限制,使引信处于安全状态.发射时,在外环境力的作用下,惯性销处于解除保险状态,直到离心保险解除(保险距离为距炮口 60 m,可靠解除保险距离不大于 150 m),回转体转正,引信处于待发状态;若章动过大,惯性销受章动力影响而在离心保险尚未解除时(由于直到微径玻璃珠完全从活塞缸泄流孔流出后,活塞杆才解除对回转体部件的限制,而弹丸飞行距离距炮口小于 60 m时[5],活塞杆尚未解除对回转体部件的限制)恢复对回转体的限制,引信重新处于隔爆状态,造成引信瞎火.惯性保险机构示意图如图 1所示.

图1 惯性保险机构示意图Fig.1 Schematic diagram of inertial insurance mechanism

根据测试数据,B弹轴向前冲过载值见表 3.

表3 过载值测试结果Tab.3 Results of overload test

已知后坐销质量 m=1.7 g,惯性销簧抗力R′=0.24 N/mm,摩擦系数 f=0.3,弹簧自由高度 h=10.67 mm,r=12.6 mm,全装药条件下弹丸角加速度k=1 823 r/s.通过计算可知,取 5～13 ms的过载值 K,惯性销受到的前冲(章动)力F1=Km=3 548× 9.8× 1.7× 10－3=59.1 N,远远大于惯性销簧抗力值 2.56 N,因此惯性销簧的抗力值可以忽略不计.

因离心引起的磨擦力 F2=mrk2f=1.7×10－3× 12.6× 10－3× 1 8232× 0.3=21.4 N,惯性销受到的前冲(章动)力 F1远远大于 F2,故具有前冲条件.

经计算回转体部件转正到的时间约为弹丸发射后 77.8～ 88.9 ms,而弹丸运动 5～ 13 ms时,回转体部件尚未转正,因此惯性销在膛内受前冲(章动)力影响具备前冲的条件,造成惯性销复位,重新锁住回转部件.

2 惯性保险机构可靠性理论计算

惯性保险机构由惯性销、惯性销簧组成,该部件为美 M739引信采用的成熟机构.其采用的是惯性保险机构与离心保险机构组合的保险形式,其任何一个保险机构的保险值可设计的小一点,这样有利于引信的通用性(也正是该引信通用性强的原因之一),但是由此引起的惯性、离心保险值不能太大的结果又势必限制了引信安全性[6]的进一步提高,有时候甚至导致安全性的降低[7].此类安全保险系统在具体应用的时候应该进行再设计,引信再设计的必要性及策略在文献[8]中有系统的介绍.

该惯性保险机构由于是可逆式后座保险机构,因此存在发射过程中受章动力影响而在离心保险尚未解除时而恢复对回转体限制的问题.针对这一问题,有必要对该类惯性保险机构进行重新改进设计,通过在惯性保险机构中增加闭锁装置,使惯性销在解除保险后不能恢复.

改进后的惯性保险机构见图2.

该机构的设计参数如下:

1)惯性销参数.惯性销质量 m1=0.515 g,惯性销行程 L=2.58 mm.

2)闭锁钢丝参数.钢丝变形量λa=2,钢丝直径 d1=0.35+0.02mm,钢丝弹性模量 E=2.1×104,变形点端点距离 a=8 mm.

3)惯性销簧参数.钢丝直径 d2=0.4+0.02mm,惯性销簧质量 m2=0.118 g,钢度R0=0.502 4 N/mm,自由高度 h=16－1.5－0,弹簧预压量 λ0=8.95.

图2 加闭锁装置的惯性保险机构结构图Fig.2 Inertia insurance mechanism with the locking device

2.1 求闭锁钢丝产生的阻力功

改进设计以前的惯性保险机构中惯性销主要受惯性力和弹簧抗力作用[9].改进以后的惯性保险机构中惯性销还要受到闭锁钢丝对惯性销的作用力.

假设闭锁钢丝对惯性销产生的正压力为 T,根据公式 T=3 λaEJg/a3,J=π×d4/32,计算得出T=3.98 N,则闭锁钢丝产生的阻力功 Ef=2Tf L.式中:f为闭锁钢丝和惯性销的摩擦系数,取 f=0.2.计算得出 Ef=4.107 N· mm.

2.2 计算安全落高

惯性体在碰击后所获得的动能 E1=P1H(1+U2),P1=(m1+m2/3)g=5.43 N.式中:H为安全落高;P1为惯性体系统的换算重力;U为反跳系数 ,取 U=0.6.

惯性解除保险时所需的动能 En=R0L(L+2 λ0)/2,所以根据安全判别式 E1－Ef≤En,得安全落高计算公式 H= [R0L(L+ 2 λ0)+ 2Ef]/[2P1(1+U2)],计算得 H=2.35 mm.

计算结果满足设计要求.

2.3 可靠解除保险计算

惯性销下沉到位,弹簧产生的抗力 RL=R0(L+λ0)=5.79 N,闭锁钢丝与惯性销产生的磨擦力 RfN=T· f=3.98× 0.2=0.796 N,惯性体在离心力作用下所产生的磨擦力 RfC= (m1+m3/3)rk2f× 10－6.式中:r为惯性销到弹轴的距离,r=12.6 mm;k为全装药条件下弹丸角加速度,取 k=1 823 r/s.计算得出 RfC=4.3 N,则惯性销下沉所受阻力 R=RL+RfN+ RfC=10.9 N,而 2/3K1(m1+m3/3)=12.2 N＞ R=10.9 N,所以能可靠解除保险.

3 试验验证

3.1 引信安全性

根据 GJB573A方法 104.6的要求[10]进行了1.5 m落高跌落安全性试验.依次将 15发改进以后的引信保高温 70℃及保低温 －54℃各 2 h后进行跌落试验,5发为一组.试验要求:①试验过程引信必须安全;②分解检查安全系统不得有解除保险的现象.试验情况如表 4所示.

表4 安全性试验Tab.4 Safety test

经分解检查无异常,完全符合要求.

3.2 射击试验

在了落高跌落安全性试验之后,又进行了实弹射击试验.MM－B引信配用 155 A弹和 B弹各28发,结果无一发瞎火.这说明该机构和改进之前相比,安全性完全满足要求,作用可靠性有明显的改善.

4 结 论

1)由于 155 mm弹药系统特殊的内外弹道环境,使引信的工作环境更为复杂,有许多不确定因素对引信的作用可靠性产生影响.

2)制式安全保险系统有值得提高的地方,说明如果过多考虑了通用性,则安全性、作用可靠性均会存在一定的隐患.

3)在使用过程中,惯性保险机构受到后坐力惯性销下沉后,受离心力作用,惯性销姿态会发生变化,因此惯性销在膛内前冲力影响复位的机率较小,但试验过程中出现瞎火,说明惯性销在膛内前冲力复位的机率尽管很小,但还是存在的.

4)通过比较 MM－A引信和 MM－B引信结构,寻找引信配用于B弹的瞎火原因,可以增加闭锁装置,完成 MM－B引信惯性保险机构的改进设计.相关理论分析计算与试验结果表明:改进以后的惯性保险机构,既能保证 1.5 m跌落安全,又可满足发射时可靠地解除保险的要求.

5)针对引信惯性保险机构的相关理论分析与计算,不仅可以用于惯性保险机构优化设计[11]以及可靠性设计与检验[12],还有助于查找引信的瞎火原因,为解决引信瞎火问题提供了一定的依据.

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