瑞典古斯塔夫无后坐炮引信技术综述

2018-09-11王雨时张志彪

探测与控制学报 2018年4期

肖剑，王雨时，闻泉，张志彪

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

0 引言

自20世纪70年代以后，轻型无后坐炮有了进一步发展，如瑞典M3和M4式古斯塔夫无后坐炮。伴随着无后坐炮的发展以及作战用途的不断拓展，古斯塔夫无后坐炮弹药类型也越来越丰富，弹药系统的多样性促使了引信结构和性能的不断发展和完善。我国在六、七十年代也发展了无后坐炮武器系统，主要有65式82 mm无后坐炮系统和78式82 mm无后坐炮系统，其中78式82 mm无后坐炮引信包括DR04式、无榴-3式和电-1已式引信[1-2]。文献[3]详细介绍了瑞典84 mm口径古斯塔夫无后坐炮弹药技术。

20世纪70年代末，M3式古斯塔夫无后坐炮配用了火箭增程弹，也发展了新型弹底起爆引信 F/551。随着无后坐炮及其弹药的发展，无后坐炮引信型号和类型也越来越丰富，同一引信型号可适配于同类弹药系统不同代的型号，通用性较强。目前瑞典古斯塔夫无后坐炮装备的引信型号有ZTZ 42 A1、FFV 447、FFV 502、FFV 957和F/551。

古斯塔夫无后坐炮最早主要用作反坦克武器。目前古斯塔夫无后坐炮用途较广，而对引信保险装置、解除保险距离(时间)和触发灵敏度等性能要求更高。在未来作战中，为适应不同作战需求，无后坐炮引信系统的发展仍是重中之重。查阅国内外文献，未发现有文献对瑞典古斯塔夫无后坐炮引信作特点分析。本文通过对比84 mm口径古斯塔夫无后坐炮不同引信的结构、原理和性能，归纳出古斯塔夫无后坐炮引信的特点，为给无后坐炮引信系统研制提供参考。

1 火炮、弹药与弹道环境概述

1.1 火炮概述

瑞典古斯塔夫无后坐炮采用火箭发动机的推力原理，在尾部装有拉瓦尔喷管。在射击过程中，发射药燃气推动弹丸向前运动的同时又从拉瓦尔喷管中高速流出，在弹丸向前运动过程中，身管产生后坐力，而火药气体高速流出对身管产生反后坐力，整个发射过程中，炮身基本上处于静止状态[3]。

瑞典古斯塔夫无后坐炮发展起源于M1，但M1仅作为反坦克武器使用且口径仅为20 mm。1948年FFV公司研制出M2。M2全长1.13 m，全重14.2 kg，可由单兵携带，1～2人操纵，炮弹初速310 m/s，射速6发/min，如图1所示[11]。20世纪70年代初根据瑞典陆军作战需求改进了M2，改进后命名为M2-550，采用了FFV556式瞄准装置，并配备了火箭增程弹。M2-550比M2型体积重量更大，射程更远。

图1 M2型古斯塔夫无后坐炮Fig.1 M2 Gustaf recoilless guns

图2 M3型古斯塔夫无后坐炮Fig.2 M3 Gustaf recoilless guns

目前装备最广泛的是M3，M3全长1.065 m，因大量采用碳纤维复合材料，全炮重仅9.5 kg。M3保持了古斯塔夫用途广、性能强的特点，可发射多型弹药，对付多种目标，如图2所示。2014年瑞典萨博博福斯动力公司(Svenska Aeroplan Aktiebolaget Bofors Dynamics，简称SAAB公司，前身是博福斯反装甲公司)研制出新型便捷式无后坐炮古斯塔夫M4。M4全重6.7 kg，全长小于1 m。相比于其他型号无后坐炮，M4加装了上膛保险装置，确保装弹状态下的安全性，允许士兵带着弹已上膛的M4(如图3所示)进行战术动作。

图3 M4型古斯塔夫无后坐炮Fig.3 M4 Gustaf recoilless guns

古斯塔夫无后坐炮武器系统具有较强的灵活性，可供选择的弹药种类齐全。古斯塔夫无后坐炮得到美国、日本等国的重视，目前已有47个国家采购装备[4]。

1.2 弹药概述

20世纪50年代瑞典M2型84 mm古斯塔夫无后坐炮弹药系统包括441 B型杀伤爆破榴弹、469 B型发烟弹和545型照明弹。其中441B型杀伤爆破榴弹全弹重3.20 kg，弹丸重2.30 kg，主要对付开阔地或战壕内集群人员。469 B型发烟弹全弹重3.10 kg，弹丸重2.20 kg，用以生成烟幕、干扰对方观察、射击和指示目标。545型照明弹全弹重3.10 kg，弹丸重2.20 kg，用以提供照明[6]。

20世纪70年代，瑞典FFV军械公司发展了新型551型火箭增程破甲弹，配备在M2-550古斯塔夫无后坐炮上，用于近距离攻击坦克和各种装甲目标。该弹除了装备瑞典部队外，还装备了澳大利亚、加拿大、以色列等国家。

20世纪80年代，为完善古斯塔夫无后坐炮多用途武器系统，瑞典相继研制了441 D型杀伤爆破榴弹、551 C型火箭增程破甲弹、751型火箭增程破甲弹、ADM 401型榴霰弹、TPT 141型曳光训练弹和TP 552型火箭增程训练弹等弹药。瑞典古斯塔夫无后坐炮弹药主要性能如表1所列。

1.3 弹道环境概述

估取弹丸膛内运动行程为不计拉瓦尔喷管的身管长0.77 m，按文献[7]给出的经验公式估算出古斯塔夫无后坐炮引信后坐过载和膛内运动时间，如表2所列。根据无后坐炮内弹道学模型[8-9]和表1给出的弹重参数，使用软件Matlab解算出最大膛压，并据此计算出后坐过载(将计及弹后空间压力梯度影响的虚拟系数近似取为1)。对比由经验公式估算得到的后坐过载与理论计算通过最大膛压得到的后坐过载，误差最大为17%，最小为6.2%。瑞典古斯塔夫无后坐炮引信参考弹道环境如表2所列。

表1 瑞典古斯塔夫无后坐炮弹药主要性能[12]

表2 瑞典古斯塔夫无后坐炮引信参考弹道环境[12]

表2中的最大射程数值可能多系有效射程最大值。按545C照明弹最大射程2 300 m估计，所配引信爬行过载系数约为4.3。其中502型双用途杀爆弹和551型火箭增程破甲弹属于尾翼弹。

2 引信构造与作用原理

2.1 ZTZ 42 A1火药时间引信[10]

ZTZ 42 A1火药时间引信，配用于545B型照明弹，为时间药环弹头引信，引信发火方式为针刺发火。传爆序列由火帽、引燃剂、延期药盘、药柱、抛射药构成。引信结构如图4所示，工作原理：弹丸发射时，后坐力使击锤向后压缩其弹簧，击锤内的火帽冲撞击针，接着引燃剂引燃延期药盘，燃烧时间等于引信装定距离的飞行时间。然后底部药柱点燃抛射药，接着点燃弹内的照明剂。ZTZ 42 A1引信利用后坐过载环境解除保险后，依靠延期药盘装定时间来保证引信未达到目标时处于安全状态。该引信不符合MIL-STD-1316C《引信安全性设计准则》的相关要求。

图4 ZTZ 42 A1火药时间引信结构Fig.4 The structure of pyrotechnic time fuze ZTZ 42 A1

2.2 FFV 957弹头触发引信[10]

FFV 957弹头触发引信配用于469B型发烟弹。该引信发火方式为针刺发火，瞬发传爆序列由雷管、导爆药、传爆药构成。引信结构如图5所示。工作原理：发射时，后坐加速度使安全和解除保险装置(如图6)中的后坐销缩回，释放钢球，保险闩的凸缘将钢球推离通道并后移，然后释放滑块，接着离心力沿径向向外驱动滑块，释放转子。转子释放后，在离心力作用下经无返回力矩擒纵机构延期到达解除保险位置。离心力还向外移动弹簧保险销(三个沿周向均布)，从而释放击针。在大着角碰击目标时，击针刺发雷管，然后依次使导爆管、传爆管、抛撒装药和发烟剂作用。此外，头部直接撞击时，击针杆向击针反冲，使其刺发雷管。该引信通过后坐过载环境解除第一道保险，通过旋转环境解除第二道保险，其他保险则是利用弹簧加载的保险销将击针固定在保险位置并依靠旋转环境解除保险。该引信解除保险距离为20～70 m，具有触发和擦地炸两种作用模式。该引信未解除保险时，对25 mm厚木板不起作用，解除保险时，对7 mm厚木板作用。该引信不符合MIL-STD-1316C《引信安全性设计准则》的相关要求。

图5 FFV 957弹头起爆引信结构Fig.5 The structure of point detonation fuze FFV 957

图6 FFV 957弹头起爆引信的安全和解除保险装置Fig.6 The safety and arming device for point detonation fuze of FFV 957

2.3 FFV 502弹底起爆引信[10]

FFV 502弹底起爆引信配用于502型双用途杀爆弹。该引信发火方式为针刺发火，瞬发和延期传爆序列均由雷管、导爆药、传爆药构成。引信结构如图7所示。工作原理：发射时，发射药气体穿过引信底盘孔推动压力活塞，压力活塞使保险销上移，然后钢球移动到侧面，同时释放擒纵机构锁销，后坐加速度与压缩的驱动簧向下推动擒纵机构锁销，进而释放擒纵机构，之后扭簧使转子旋转，后坐加速度继续向下推动活击体，释放转子和转子中的弹簧加载推销，转子驱动活击体阻挡了转子锁。当转子转过180°并且后坐加速度消失时，压缩弹簧向上推动转子驱动的活击体，通过转子锁使转子转到解除保险位置。因此，该引信通过后坐过载环境解除第一道保险，通过转子锁解除第二道保险，解除保险距离为16～31 m。定时和瞬发触发两种作用模式的装定取决于弹药装填的方位(差180°方位角)。

图7 FFV 502弹底起爆引信结构Fig.7 The structure of projectile base detonation fuze FFV 502

2.4 FFV 447机械时间/瞬发触发引信[10]

FFV 447机械时间/瞬发触发引信为弹头引信，配用于441B型杀爆弹，结构如图8所示。该引信发火方式为针刺发火，其瞬发传爆序列和延期传爆序列均由第一个雷管、第二个雷管、导爆药、传爆药构成。发射时，后坐加速度使后坐销退回，释放球，保险闩的外缘将球推开，释放滑块，接着离心力驱动滑块径向外移，释放转子(结构可参照图6)。同时离心力使弹簧保险销(也是三个沿周向均布)向外移动，释放击针。转子被释放后，在离心力作用下，通过钟表机构经历一定的延时后运动到解除保险位置，在装定的时刻，钟表机构延期后击锤激发第一个雷管，该雷管的超压驱使活击体下推击针刺发第二个雷管，然后使导爆管、传爆管及传爆序列的其余部分作用。在瞬发或擦地时，安全与解除保险装置冲向击针，引发传爆序列。该引信的第一道保险为后坐保险，第二道保险为离心保险，其他保险包括保险件锁定钟表机构和弹簧加载的保险销将击针锁定在安全位置。该引信解除保险距离为20～70 m，作用模式为定时或瞬发触发，可手工装定。该引信在5°以下落角对50 mm厚松木板不作用。该引信不符合MIL-STD-1316C《引信安全性设计准则》的相关要求。

图8 FFV 447机械时间瞬发触发引信结构Fig.8 The structure of mechanical time instantaneous fuze FFV 447

2.5 F/551弹底起爆引信[10]

F/551弹底起爆引信配用于551型破甲弹。该引信发火方式为电发火，瞬发传爆序列由电雷管、PBXN-5传爆药构成。引信结构如图9所示。工作原理：安全状态下两个弹簧加载的套筒(后坐销)将错位转子限制在安全位置。发射时，后坐加速度使两个弹簧加载的套筒退回，释放转子，转子借助其解除保险弹簧旋转270°到解除保险位置，接触簧使接触片紧压电雷管，闭合发火电路。当弹丸正面或侧面碰击目标时，冲击波传出，挤压5个压电晶体，发送电信号起爆雷管，然后雷管使传爆管作用，最后起爆炸药装药。该引信包含有由4个二极管构成的桥式整流器。当弹丸飞行穿越灌木丛时，因碰击灌木丛而在压电晶体上产生的较低电压会在整流器上被降低，使传送到电雷管上的电压不足以使其发火，从而实现了引信的钝感度即低灵敏度性能。该引信只利用后坐过载环境解除保险，解除保险距离为5～15 m。该引信最大着角为80°～90°，可对付400 mm厚普通装甲。该引信不符合MIL-STD-1316C《引信安全性设计准则》的相关要求。

图9 F/551弹底起爆引信安全与解除保险状态Fig.9 The safety and arming device status for projectile base detonation fuze of F/551

3 引信性能介绍与特点分析

上述各弹药所用引信的性能参数如表3所列。

由表3可知，瑞典古斯塔夫无后坐炮FFV 447引信、FFV 502引信、FFV 957引信具有冗余保险特性，FFV 447引信和FFV 957引信第一道保险均是用轴向保险装置将击针锁定在安全位置，依靠后坐过载解除保险，但在旋转环境即靠离心力解除的第二道保险中，FFV 447引信采用钟表机构，而FFV 957引信采用无返回力矩擒纵机构。FFV 502引信借助转子保险和转子驱动的活机体被约束在安全位置，依靠后坐加速度推动活机体解除第一道保险，通过转子转到解除保险位置解除第二道保险。而ZTZ 42 A1引信和F/551引信只有一道保险，ZTZ 42 A1引信利用后坐加速度解除保险，依靠延期药盘装定引信飞行时间，F/551引信利用后坐加速度使套筒退回，释放转子解除保险。FFV 447引信和FFV 957同为弹头引信，保险原理相同且引信解除保险距离最长，在勤务处理以及装弹使用过程中安全性最高，而FFV 502引信和F/551引信同为弹底引信，但FFV 502引信较F/551引信安全。ZTZ 42 A1引信安全性较低，但仅配用于照明弹，危害程度稍低。