集束子弹药引信自失效、自失能技术路线及典型设计可靠度分析

秦栋泽，范宁军

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原030051;2.北京理工大学 机电学院，北京100081)

0 引言

集束弹药未爆弹造成的人道主义危害是目前国际社会关注的热点之一，从2001 年开始这一问题就被提到《特定常规武器公约》(CCW)框架议事日程，至2012 年6 月，已举行了多次政府专家组会议，目前对于《集束弹药议定书(草案)》已经基本达成共识[1－2]。《集束弹药议定书(草案)》中提出了集束子弹药加装“三自”，即自毁、自失效、自失能装置[3]。国内对自失效、自失能研究开展较少，本文主要探讨自失效、自失能技术路线，分析典型的自失效引信产品，希望为国内集束子弹药引信技术的改造提供帮助。

1 子弹药引信自失效装置、自失能特性定义

1.1 子弹药引信自失效装置定义

集束子弹药引信自失效装置是指集束子弹药引信在经历正常的发射、抛撒、飞行环境后，具有能够消除引信爆炸序列爆轰输出作用的机构或部件[2]。

1.2 子弹药引信自失能特性定义

集束子弹药引信自失能特性是引信的设计特性，旨在当弹药在预定的空间或时间内未能起爆战斗部，按预定策略，使爆炸序列失去启动爆轰的能力[2]。

2 引信自失效、自失能技术路线

2.1 自失效技术路线

子弹药引信可采用的自失效技术如图1 所示。起爆首发火工品技术和恢复保险技术都属于子弹药引信自失效技术。

图1 子弹药引信可采用的自失效技术Fig.1 Self－neutralisation technique for submunition fuze

起爆首发火工品是在引信首发火工品未按预定条件与传爆序列对正的前提下，经一定延时后起爆首发火工品。延时采用的定时技术可是火药定时、电子定时、化学定时或其他定时方式。定时的主要作用是要保证自失效必须发生在主发火、自毁失败后作用，自失效功能的存在不能影响引信的正常作用。

起爆首发火工品也可利用离心力衰减、拉力衰减、电源掉电等方式启动起爆首发火工品的过程，且需保证自失效发生在主发火、自毁失败后作用，自失效功能的存在不能影响引信的正常作用。

恢复保险技术即引信解除保险后，采用火药、电子、化学或其他定时方式，在一定的时间域内，引信可发火、自毁，当超过预定时间后，采用特殊机构使引信恢复保险。

定时起爆首发火工品为国际上子弹药引信自失效的主流技术途径。起爆首发火工品自失效主要有2 类典型结构:1)主雷管、定时器、定时器触发器、侧雷管都安装在隔爆件中;2)定时器、触发器、定时器、侧雷管安装在一起，主雷管安装在隔爆件上。

如图2 所示，自毁/自失效装置主要由滑块、自毁/自失效击针、自毁/自失效击针簧、组合延期药管、主雷管、保险销组成。子弹药抛撒后，弹道稳定装置飘带打开，与飘带连接的保险销拔出，自毁/自失效击针保险解除，自毁/自失效击针击发组合延期药管，正常解除保险后，碰击目标时，发火击针触发主雷管起爆，如未能正常发火，组合延期药管燃烧完，起爆主雷管、子弹药自毁。未能正常解除保险时，组合延期药管仍然点燃主雷管，起爆首发火工品，子弹药引信自失效[4]。

图2 隔爆件装有主侧雷管的结构示意图Fig.2 Structure diagram of main and sideward detonators installed in explosion－proof device

如图3 所示，自毁/自失效装置主要由保险销、滑块、组合延期药管、自毁/自失效击针、滑块簧、转子、扭簧、主雷管组成。作用原理为:子弹药抛撒后保险销从滑块中拔出，释放滑块，在滑块簧的作用下，滑块移动后刺发组合延期药管;抛撒后弹道稳定装置飘带打开，与飘带连接的主击针上移，释放转子，转子在扭簧的作用下转正，转子正常转正后，碰击目标时，发火击针触发主雷管起爆，如未能正常发火，组合延期药管燃烧完，起爆主雷管、子弹药自毁。转子未能正常转正时，组合延期药管仍然点燃主雷管，起爆首发火工品，子弹药引信自失效[5]。

图3 隔爆件只装有主雷管的结构示意图Fig.3 Structure diagram of main detonators installed in explosion－proof device

2.2 自失能特性的技术路线

子弹药引信可采用的实现自失能特征的技术如图4 所示。对于电首发火工品，执行电路具有使电源自失能的控制能力;针刺发火的首发火工品，发火击针的发火储能在发火失败后采用特殊设计释放。

图4 子弹药引信可采用的自失能技术Fig.4 Self－deactivation technique for submunition fuze

首发火工品失去爆炸能力包括首发火工品定时自失能、欠电压激发火工品自失能、化学反应导致火工品自失能。如击针的戳击力量小，经一定延时后，火工品自身发生中和反应。电源电压不足以引爆首发火工品起爆时，但首发火工品仍可在一定电压时失去起爆能力。击针装有与首发火工品反应的化学物，若不能正常发火，则首发火工品失效。

传爆序列失去爆炸放大能力包括传爆序列定时自失能，化学反应导致传爆序列自失能。如发射后，传爆序列自失能开关启动，延时后传爆序列自身发生反应自失能，或外部储存的反应物在子弹药抛撒后经一定延时与传爆序列反应，传爆序列自失能。子弹药引信自失能技术以电子自失能的应用较多。

3 典型子弹药自失效引信分析

为了便于分析问题，又不失真实性，将主侧雷管都安装在隔爆件的中的子弹药自失效引信简化为5个可靠性单元(子系统):弹道环境敏感装置、保险装置、隔爆装置、发火装置、自毁/自失效装置，爆炸序列按可靠度为1 考虑。

战术模式下的可靠度模型如图5 所示，发火装置和自毁/自失效装置全部安装。引信起爆包括了仅首发火工品起爆，但爆炸序列未起爆情形。

图5 战术模式下的引信起爆可靠度模型Fig.5 Fuze comprehensive firing rate reliability model in tactical mode

系统为串并联系统，系统的可靠度模型为

式中:Rb为弹道环境敏感装置可靠度;Rs为保险装置可靠度;Ri为隔爆装置可靠度;Rt为发火装置可靠度;Rdn为自毁/自失效装置可靠度;Rf为引信起爆可靠度。

自毁/自失效模式下的引信自失效可靠度模型如图6 所示。

图6 引信自失效可靠度模型Fig.6 Reliability model of fuze self－neutralisation

系统为串联系统，系统的可靠度模型为

式中Rn为引信自失效可靠度。

主发火模式下的引信起爆可靠度模型如图7 所示。

系统为串联系统，系统的可靠度模型为

图7 主发火模式下的引信发火可靠度模型Fig.7 Fuze firing reliability model in main firing mode

自毁/自失效模式下的引信自毁/自失效可靠度模型如图8 所示。

图8 自毁/自失效模式下的引信自毁/自失效可靠度模型Fig.8 Reliability model of fuze self－damage/self－neutralisationin self－damage/self－neutralisation mode

系统为串联系统，系统的可靠度模型为

战术模式下引信完全解保未起爆未自失效可靠度模型如图9 所示。

图9 战术模式下引信完全解保未起爆未自失效可靠度模型Fig.9 Reliability model of fuze totally arming，non－detonating and self－neutralisation in tactical mode

系统为串并联系统，系统的可靠度模型为

式中Ra为引信解保后未起爆可靠度。

采用此原理的产品靶场实验数据如表1 所示，可靠度计算见(6)式～(7)式。

表1 靶场实验统计[4]Tab.1 Experimental statistics[4]

依据表1 数据求解155 火炮发射时的各模块的可靠度，计算结果如表2 所示。

表2 155 火炮发射引信模块可靠度计算结果Tab.2 Reliability results of artillery fired fuse module

由于多管火箭炮系统(MLRS)的实验数据有限，参照火炮各装置模块的可靠度优先度，假设弹道环境敏感装置、保险装置、自毁/自失效装置可靠度相同(引信结构基本相同，仅发射环境不同)计算(7)式结果如表3 所示。

表3 MLRS 发射引信模块可靠度计算结果Tab.3 Reliability results of MLRS launched sub－munitions fuze module

分析表2 ～表3 的实验计算结果，在子弹药引信可靠性设计中，以往进行的可靠性平均分配不完全合理，弹道环境敏感装置、保险装置、自毁/自失效装置可靠度要高于隔爆装置和发火装置，因此在指标设计中对自毁/自失效装置的可靠度要求应高于发火装置的可靠度要求。

由于靶场实验数量样本较小，为了进一步说明问题，进行了战术模式下引信发火率和自失效率Monte Carlo 仿真。

仿真时以0.95 的置信度进行分析，依据靶场测试成败型系统的方法，采用(8)式求解的结果如表4所示。

式中:n 为要求被测试的数量;s 为观察到的未起爆的数量;p 为可靠性要求;a 为置信度。

由表4 可见，样本数目不同时，在相同置信度下简单比例数值不同。置信度0.95 时，以不超过1%的未爆弹为例来看，样本数为1 000 时，未爆弹数量不超过4时达标;样本数为10 000 时，未爆弹数量不超过83 时达标;样本数为100 000 时，未爆弹数量不超过948 时达标。如果以实验样本数为1 000来看，未爆弹率简单比例实际已经达到0.4%，小于一般简单意义上的1%.由此可见，若综合发火率考核置信度为0.95 时，要达到1%的比例(等同于简单比例)，实验量应接近100 000，由于Monte Carlo模拟实验数量在100 000 时仿真图中点过密，因此在本文中Monte Carlo 模拟时模拟次数为1 000，各装置可靠度参数参考实验结果进行设置。仿真设置参数如表5 所示。图10 ～图13 为仿真结果。

表4 实验数量Tab.4 Experiment quantity

表5 仿真参数设置Tab.5 Simulation parameters setting

图10 155 火炮发射子弹药综合发火率Fig.10 Comprehensive firing rate of artillery fired submunitions

图11 MLRS 发射子弹药综合发火率Fig.11 Comprehensive firing rate of MLRS launchedsub－munitions

图12 155 火炮发射子弹药自失效率Fig.12 Self－deactivating rate of artillery fired submunitions

图13 MLRS 发射子弹药自失效率Fig.13 Self－deactivating rate of MLRS launched submunitions

由图10 可知，155 火炮发射的子弹药综合发火率超过99%的概率为24.41%.由图11 可知，MLRS发射的子弹药综合发火率(包括自失效)超过99%的概率为7.77%.由图12 可知，155 火炮发射的子弹药自失效率超过1%的概率为49.91%.由图13可知，MLRS 发射的子弹药自失效率不超过1%，分析认为主要原因由于MLRS 开舱环境恶劣，形成“共因失效”，各模块可靠度同时下降，依据表2 ～表3的计算结果看，也存在这一现象，若仅单纯的在子弹药引信上增加冗余起爆装置提高发火率的效果很难满足MLRS 用子弹药综合发火率超过99%的要求。

对于自失效装置，主要作用是降低未爆弹危害度，在考核综合发火率时，很难出现较大的自失效引信样本，简单的比例化分析很难说明问题，如需考核自失效装置自失效率，应单独设置相关试验，进行考核，不宜在考核综合发火率时简单比例分析。

4 结论

通过阐述集束子弹药引信自失效装置、集束子弹药引信自失能特性概念，分析了集束子弹药引信自失效、自失能可采取的技术路线，并建立了一类集束子弹药引信可靠度模型，应用实验结果求解了引信各模块的可靠度，由于实验数量样本较小，进行了Monte Carlo 仿真实验，结合仿真实验和靶场实验结果说明，子弹药引信设计中自毁/自失效模块的可靠度指标应高于发火装置的可靠度指标;MLRS 发射的子弹药由于抛撒环境较火炮发射的子弹药恶劣，子弹药引信综合发火率较难达到99%，对于自失效引信的考核，应单独设置相关试验，进行考核，不宜在考核综合发火率时简单比例分析。

References)

[1]秦栋泽，吴炎烜，范宁军，等.降低集束子弹药未爆弹率的技术路线[J].探测与控制学报，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.(in Chinese)

[2]秦栋泽，范宁军.集束子弹药引信降危系统基本理论[J].北京理工大学学报，2013，33(3):225 －228.QIN Dong－ze，FAN Ning－jun.The basic theory of fuze harmreducing system in cluster munitions[J].Journal of Beijing Institute of Technology，2013，33(3):225 －228.(in Chinese)

[3]GGE.Draft protocol on cluster munitions[R].Genevese:GGE，2010.

[4]Hiebel M，Glickman I.Self destruct fuze for M864 projectiles/MLRS rockets[C]∥48th Annual Fuze Conference.Charlotte:MLRS Rockets Ammunition Group，2004:1 －14.

[5]Harbrecht R.Pyrotechnic bomblet self destruct fuze (SDF)for GMLRS[C]∥48th Annual Fuze Conference.Charlotte:MLRS Rockets Ammunition Group，2004:15 －41.