风速对子弹引信发火率的影响

【装备理论与装备技术】

风速对子弹引信发火率的影响

赵玉清，刘萌萌，李建强，盛鹏，杜金涛

(豫西工业集团有限公司, 河南 南阳473000)

摘要：在子母弹子弹抛撒后的运动过程中，有可能受到风速这一不稳定外部因素的影响，有必要研究风速对子弹引信发火率的影响。过去的一些学者曾对子弹引信安全系统以及尾带的气动力特性等方面进行研究，以改进子弹的工作性能，从而提高发火率，例如文献[1]提出的子弹引信安全系统，根据仿真的结果，提出了改进建议；文献[2]通过分析子弹尾带对子弹落姿和可靠性的影响，通过机理分析和试验验证得出了相关参数的优化调整方案；文献[3]从子母弹子弹开舱与抛撒环境着手，分析子弹运动状态和影响子弹稳定性的主要因素，从而提高子弹引信解除保险和子弹终点毁伤的可靠性；然而在子弹抛撒后的运动过程中，风速这一不稳定的外部因素极有可能影响子弹的正常工作，这一外界干扰因素往往被人们所忽视，横向风速对子弹发火率的影响有可能超乎人们的想象，目前对此的研究甚少，因此分析风速对子弹发火率的影响，对子弹引信的设计以及在规定风速条件下进行生产验收是很有必要的。

关键词：子弹；引信；发火率；风速；击针受力

收稿日期：2015-04-17

作者简介：赵玉清(1962—)，男，高级工程师，主要从事引信及子弹药研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.003

中图分类号：TJ43

文章编号：1006-0707(2015)09-0010-05

收稿日期：2015-04-29

基金项目：国家自然科学基金资助(61473306)

收稿日期：2015-02-17

基金项目：成都军区装备维修科学研究(装计[2014]47号)

本文引用格式：赵玉清，刘萌萌，李建强，等.风速对子弹引信发火率的影响[J].四川兵工学报，2015(9):10-13.

Citationformat:ZHAOYu-qing,LIUMeng-meng,LIJian-qiang,etal.AnalysisoftheInfluenceofWindSpeedofBombletFuzeFiringRate[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(9):10-13.

AnalysisoftheInfluenceofWindSpeedofBombletFuzeFiringRate

ZHAOYu-qing,LIUMeng-meng,LIJian-qiang,SHENGpeng,DUJin-tao

(YuxiIndustrialGroupCo.,LTD.,Nanyang473000,China)

Abstract:The movements of the bomblets after being dispensed might be impacted by some external instability factors. Therefore, it is necessary to study the influence of wind speed on the firing rate of bomblet fuzes. By analyzing the stress on the tail belt, the projectile and the firing pin, it turned out through matlab calculation that the damping moment will increase as the wind speed getting faster. Then the damping moment may be stronger than the active moment so as to affect the rotation of the firing pin and lead to the consequence of a misfiring of fuses. Two sets of dispensing tests were carried out to verify the liability of the calculation, and the results have shown that the wind speed can directly affect the firing rate of the bomblet fuses, when conduct the design tests and evaluation tests, the influence of the wind speed on firing rate of the fuses cannot be overlooked during the acceptance tests.

Keywords:bomblet;fuze;firingrate;windspeed;thestressonfiringpin

近年来，集束弹药子弹发火率问题在国际上受到广泛关注，集束弹药议定书草案[1]要求子弹具有99%的发火率，因此分析影响子弹发火率的因素很有必要。过去的一些学者曾对子弹引信安全系统以及尾带的气动力特性等方面进行研究，以改进子弹的工作性能，从而提高发火率，例如文献[2]中提出的子弹引信安全系统，根据仿真的结果，提出了改进建议；文献[3]中通过分析子弹尾带对子弹落姿和可靠性的影响，通过机理分析和试验验证得出了相关参数的优化调整方案；文献[4]中从子母弹子弹开舱与抛撒环境着手，分析子弹运动状态和影响子弹稳定性的主要因素，从而提高子弹引信解除保险和子弹终点毁伤的可靠性。然而在子弹抛撒后的运动过程中，风速这一不稳定的外部因素极有可能影响子弹的正常工作，这一外界干扰因素往往被人们所忽视，横向风速对子弹发火率的影响有可能超乎人们的想象，目前对此的研究甚少，因此分析风速对子弹发火率的影响，对子弹引信的设计以及在规定风速条件下进行生产验收是很有必要的。

1子弹工作过程及引信结构

图1所示为美军M77型子弹结构图，上部为M223子弹引信，下部为子弹战斗部。

图1　 M77型子弹结构

目前，美军装备的子弹引信主要包括以下几种：M223型子弹引信、M230型子弹引信、M231型子弹引信、M43A1型杀伤子弹引信、改进型M230子弹引信、M234型机电子弹引信、M235型机电子弹引信。子弹引信基本上都是以M223引信为基型或以M223引信的尾带，击针、惯性筒组成的风动螺杆保险机构为基型。因此，主要介绍M223子弹引信的结构原理，并以此为代表分析风速对子弹引信发火率的影响。M223子弹引信具有保险/解除保险标志，子弹引信瞎火率3%[5-6]。

M223子弹引信由击针、尾带、惯性筒、滑块及其簧、M55针刺雷管、盖、保险夹等零件组成。零件很少，引信结构相当简单，零件加工工艺性好，满足了低成本、大批量生产的要求。导爆药在子弹中，子弹与子弹引信铆接在一起。子弹装入母弹前去掉保险夹[7-8]。

M223子弹引信作用原理：在发射前，子弹成串装于母弹内，子弹引信处于保险状态。母弹飞至预定的开舱点时，时间引信开始工作，母弹开舱抛出子弹，子弹相互分离，上一发子弹不再限制下一发子弹，子弹引信解除第一道保险，同时子弹上的尼龙尾带展开，使子弹稳定飞行。由于子弹尾带与击针铆接在一起，子弹尾带受空气阻力作用，子弹尾带带动击针旋转的转速小于子弹的转速，击针从子弹引信中旋出，释放滑块，引信解除第二道保险，滑块在离心力和弹簧力的共同作用下运动到位，使击针与雷管对正。碰到目标时，击针和惯性筒在惯性力作用下击发雷管，子弹中的导爆药、成型装药依次作用，完成毁伤任务[9-10]。

2主要部件受力分析

2.1尾带的动力学特征分析

从空气动力学的角度来看，柔性稳定带的受力和刚性尾翼不同，它是靠阻力来起稳定作用的，下面将稳定带的阻力作简要分析。

尾带上的阻力可以分为两个部分，即阻力Rx在弹的轴线上的投影，假设此轴向力为X1，即X1=Rxcosδ，当阻力Rx在垂直弹轴方向上投影时，便成为法向力Y1，即Y1=Rxsinδ，如图2所示为有风情况情况下尾带的受力示意图。

图2　稳定带的受力分析

图2中轴向力X1和法向力Y1的无量纲系数分别为CXScosδ和CXSsinδ，其中δ表示攻角，CXS表示稳定带的阻力系数，其大小为

(1)

其中：RXS为稳定带的总阻力；ρ为空气密度；νr为弹体相对空气的速度；S为弹身最大横截面积。

2.2有风情况下弹体所受空气动力和力矩

(2)

2.2.1弹体在有风时的空气动力

1) 阻力Ry。弹体所受阻力的方向沿相对速度矢量的反方向，相对速度大小为弹体相对地面速度与风速的和速度值，该阻力的表达式为

Ry=ρvrScy(-vr)/2

(3)

其中：S为弹体横截面积；Cy为阻力系数。

2) 升力Rz。弹体所受升力在相对速度vr与弹轴组成的平面内并垂直于相对速度v，与弹轴在vr的同一侧，升力的大小可表示为如下，其中cz为升力系数。

(4)

3) 重力。弹体飞行时在空中所受重力为

G = mg

(5)

2.2.2弹体在有风时的空气动力矩

1) 静力矩Mz。有风时弹体所受静力矩可表示为

(6)

2) 赤道阻尼力矩Mzz。赤道阻尼力矩是弹体摆动的力矩，与弹体摆动角速度ω方向相反，即

Mzz=-ρvrSldmzzω/2

(7)

3) 极阻尼力矩Mxz。该力矩由弹体绕纵轴旋转的角速度ωξ所引起，阻止弹体的旋转，故其矢量方向与ωξ方向相反，它在弹轴坐标系的分量为[5]

Mxz=-ρvrSldmxzωξ/2

(8)

2.3击针受力及力矩分析

根据上面对尾带和弹体的受力分析可得，击针所受力和力矩包括，一是阻力带提供的拉力F及极阻尼力矩，其中拉力来自于空气阻力；二是弹体牵连力Fq和螺纹连接摩擦力和摩擦力矩，弹体牵连力可分解为轴向力和径向力；三是惯性筒所受的离心力Fl1，作用于击针上的正压力N及其产生的摩擦力和摩擦力矩；四是击针所受的离心力Fl2及其产生的摩擦力和摩擦力矩，如图3所示。

图3　击针受力分析

为简化计算，不考虑击针和惯性筒的装配偏心，因此，其所受离心力按0计算，图3为击针的受力分析图，其中ox,oy为弹体坐标轴，计算时将各个力投影到弹体坐标轴上进行运算，风速w为水平方向。对于击针的螺纹链接，螺母所受的轴向载荷是沿螺纹各圈分布的，该螺纹为三角形螺纹，为便于分析，用集中载荷Fz代替，并设Fz作用于螺纹中径圆周的一点上，而径向力Fj均匀的作用在各个牙型面上，击针螺纹处受力情况如图4所示，α为牙型角，N′为法向反力，令

fv=f/cosβ

(9)

fv为当量摩擦系数。

螺纹轴向压力和径向压力产生的摩擦力Fj，Fz的大小分别为

(9)

摩擦力矩大小分别为

(10)

式(10)中：θ为摩擦角；r为螺纹半径；l为螺纹长度。

图4　螺纹受力示意图

3计算结果及试验验证

3.1风速对击针受力影响结果分析

根据上一节受力分析结果可以计算出随着风速变化弹体阻力的变化情况，以及主击针受力和力矩的大小。在此选用的相关参数如下：弹重为182g，弹体直径38.9mm，弹长45mm，弹形系数为1.25，击针直径5mm，平均弹道倾角73.5°，平衡落速为34.8m/s。代入已知参数便可以得到计算结果，图5显示的是空气阻力随速的速的变化情况，根据某基地介绍，当高度小于1 000m的情况下，在实际的靶场试验中，若风速大于30m/s，则不进行试验，通常情况下的实际风速在20m/s以下，在此选定的风速变化区间为0～50m/s，以便更好的研究风速对子弹发火率的影响。从图5可以看出，空气阻力随着横向风速的增大而增大，升力的变化情况与阻力相同，只是由于升力系数和阻力系数的差异，使得力的大小有所不同。将计算得到的阻力与升力分解为弹体轴向力和径向力后便可以计算轴向摩擦力和径向摩擦力的大小。

图5　空气阻力随风速的变化

表1显示的是击针所受轴向摩擦力和径向摩擦力的数值计算结果，从表中可以看出，轴向摩擦力随风速的增大而增大，而径向摩擦力随风速的增大而减小，根据表中数据变可以计算得到摩擦力矩随风速的变化情况。

表1　摩擦力随风速的变化情况

图6显示的是轴向和径向摩擦阻力矩之和随风速变化的计算结果，从图6中可以看出，风速越大，击针所受摩擦力矩越大，图7显示的是阻力带提供的阻尼力矩随风速的变化情况，从图7中可以看出，阻尼力矩也随风速的增大而增大，但是相比摩擦力矩来说该阻力矩数值较小。由此可得，当风速过大时，由于两种阻力矩的增加使得击针所受主动力矩无法克服阻力矩，击针不能相对于弹体转动，或者相对转速较小，无法完成整个的旋出过程，由此影响弹体成功解除保险，导致子弹瞎火。综合以上的计算结果可以得出，子弹的发火率会随风速的增大而减小。

图6　摩擦力矩随风速的变化情况

图7　极阻尼力矩随风速的变化情况

3.2试验验证风速对发火率的影响

为了验证运算结果的可靠性，对某加榴炮子母弹进行了母弹抛撒子弹发火性试验，试验分为两组，试验数据如表2所示：两次试验为同一批子弹，同一门炮，同一批母弹，唯一区别就是高空横向风速差别大。从表2结果可以看出，在1 000m高度，风速为10.3m/s时，子弹瞎火8枚，发火率较高；而当风速为22.2m/s时，瞎火40枚子弹，造成子弹发火率不满足要求，那么，为什么在地面风速减小后，引信还不解除保险呢，这是因为所试验的子弹引信装有差动轮系，造成击针解除保险时间较长，部分子弹引信在落地时还没有完全解除保险。试验结果与前面的计算结果基本吻合，也就是说抛撒子弹时，必须考虑外界因素的影响，若风速较大，弹体阻力与阻尼力矩均增大，从而导致转速达不到要求的数值，会导致击针无法成功解除保险，从而子弹瞎火。

表2　两组试验数据对比

综合计算结果及试验结果，可以认为横向风速对子弹发火率是有直接影响的，尤其是当风速为水平方向时，本文讨论的就是该种情况。从计算结果来看，当风速达到15m/s以上时，瞎火子弹数目会明显增多，在今后的子弹抛撒试验时需要考虑这一因素，以免使得因为外界条件的干扰而影响试验结果。此外，也可以从改进子弹的结构方面着手，减小风速对其正常工作的影响，从而使得子弹在风速较大的情况下也能有较高发火率。

4结论

本文通过分析风速对子弹受力情况的影响，得到了随着横向风速的变化，击针所受阻尼力矩的变化情况，从计算结果中可以看出，风速的增大会使得击针所受阻尼力矩增大，使得击针所受主动力矩无法克服该阻力矩，这时可能会导致击针无法正常旋出，从而无法成功解除保险，子弹瞎火，发火率下降。为验证运算结果的可靠性，进行了两组子弹抛撒试验，试验结果表明，横向风速对子弹的瞎火率是有直接影响的，在设计和鉴定试验时应考虑极限风速对引信可靠性的影响。在产品验收试验中不能忽视这一因素的干扰，从而提高试验的成功率。

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(责任编辑周江川)