从美军标看我国引信安全性的差距

汪仪林,张龙山,马秋华

(1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065；2.机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065)

0 引言

引信安全系统有三类：机械安全系统、机电安全系统和电子安全系统，前二者均为错位式，后者为直列式。我国机械安全系统主要用于炮弹引信、子弹引信；机电安全系统主要用于迫弹、导弹、火箭弹和子弹等弱发射环境的引信；电子安全系统近年开始用于火箭军、空军弹药引信。

各类安全系统的技术特点为：

机械安全系统的正常解除或安全失效仅受制于力学环境。可以较好地保证勤务、发射和发射阵地安全、成本较低、耐高过载，但实现更远的安全距离、瞎火弹安全控制难度较大。

机电安全系统正常解除或安全失效不仅受制于力学环境同时受制于电磁、热环境，可以较好地保证勤务、发射和发射阵地安全，可实现更远的安全距离，但成本较高，体积较大。

电子安全系统比上述系统具有更高的安全性和可靠性，可以较好地保证勤务、发射和发射阵地安全，易于实现更远的安全距离、瞎火弹安全、安全/待发状态转换可逆操控，但目前体积、成本、耐高过载不及前者。

美军标MIL-STD-1316和MIL-STD-331均在2017年进行修订，修订后的MIL-STD-1316F《FUZE DESIGN, SAFETY CRITERIA FOR》[1]及MIL-STD-331D《FUZES, IGNITION SAFETY DEVICES AND OTHER RELATED COMPONENTS, ENVIRONMENTAL AND PERFORMANCE TESTS FOR》[2]提高了对机械安全系统、机电安全系统的设计和试验要求，增加了电子安全系统的设计和试验要求。这两项标准可以说是引信专业最重要、最常用的，其时隔20年的更新，值得重视与借鉴。针对我国引信安全性技术和管理方面存在的问题，本文分析了我国与美国的差距，提出了建议和措施。

1 我国引信安全性现状

自从引信设计、试验规范等效采用美军标MIL-STD-1316和MIL-STD-331，颁布实施GJB 373-1987《引信安全性设计准则》[3]和GJB 573-1988《引信环境与性能试验方法》[4]后，在大部分炮弹引信机械安全系统设计中，较好地执行了标准，基本杜绝了引信搬运炸、膛炸等恶性事故，引信安全性、可靠性得到大幅度提高。近年在生产演习和使用中暴露部分炮弹引信过早炸的问题，其主要原因一是使用贯彻标准前的老引信，二是实际使用环境超出设计使用条件。

在陆军导弹、火箭弹、迫弹机电安全系统设计中较好地执行了国军标，安全性有较好的保证，但受体积、电源限制，子弹引信电爆自毁尚未广泛采用。在空军、火箭军和海军的部分导弹、炸弹引信中，GJB 373未得到有效惯彻，存在隐患。目前生产中的安全事故与未执行设计标准有关。

子弹引信通过“三自”(自毁、自失能、自失效)的预先研究，大幅降低了危险哑弹率，达到了危险哑弹率低于1%的要求，形成了设计指南，但现装备引信中只有少部分产品符合要求。

采用错位式安全系统的引信瞎火后均为危险哑弹，危险哑弹的排除费时费力对作战部队和无辜平民的安全构成威胁。

严格执行MIl-STD-1316F的电子安全系统具有高安全高可靠的特点，可以避免危险哑弹。目前电子安全系统装备量很少。

2 从美军标看我国引信安全性技术差距

为了说明技术差距，将MIL-STD-1316不同版本在主要内容上的条款数量列于表1。将MIL-STD-331不同版本的试验项目列于表2。

机械安全系统较为成熟。在美军标反映出的设计要求和试验项目上在近二、三十年变化不大，我国和先进国家差距不大。

机电安全系统存在两方面的问题：一方面，相当一部分不符合GJB 373A-1997；另一方面，根据最新MIL-STD-1316F、MIL-STD-331D分析，目前符合GJB 373A-1997的安全系统在解保环境正确识别、设计裕度、系统布局、逻辑设计要求、设计分析手段等方面的要求明显低于MIL-STD-1316F；在验证试验方面，目前研制产品进行F-组电磁感应试验时通常按GJB 573A-1998只进行1项试验，未按MIL-STD-331D要求进行验证考核性，据此推测技术差距约有10年。

表1 MIL-STD-1316不同版本在主要内容上的条款数量

表2 MIL-STD-331不同版本的试验项目

电子安全系统是支持引信高安全、高可靠的重要途径，我国经过“十一五”、“十二五”核心器件攻关，突破了高压器件国产化和小型化，开始在型号上使用。

美国要求1998年后新定型和改进的导弹引信必须采用电子安全系统，过渡时间为5年。这意味着2003年以后定型的导弹引信全部为电子安全系统。美国电子安全系统不仅用于导弹还用广泛用于鱼雷、火箭弹、航空炸弹，并力图推广用于迫弹和榴弹。

美军标MIL-STD-1316F增加了多项与电子安全系统相关条款，电子安全系统需要全面满足安全控制逻辑装置22条要求，通过MIL-STD-331D的F-组电磁感应试验5项试验，我国现设计的电子安全系统尚未达到相关设计要求，未通过所有试验，据此推测技术差距可达15年以上。

从MIL-STD-1316、MIL-HDBK-504和MIL-STD-331不同版本分析，美国对引信全寿命周期的可信环境等基础数据相当完整，且重视数据的积累，各版本间设计要求、验证要求、试验方法和试验参数均有变化，到MIL-STD-1316F和 MIL-STD-331D在设计要求、验证要求、试验方法和试验参数方面发生了较大变化，增设了试验项目，调整了试验参数，尤其是明确了试验时产品的状态、试验的置信水平、合格的裕度范围，确保了使用环境在设计边界以内，从而具有良好的安全性和任务可靠性。这种变化是美国的技术基础研究工作进展的体现，也反映出其基础工作的持续性和完整性。

我国引信设计起步于反求工程，引信设计的基础、基础数据先天不足，后续又缺乏合适的研究渠道加以弥补，差距巨大。这种技术基础方面的差距直接影响设计、验证、试验考核的充分性和完备性，是我国引信任务可靠性不足的重要原因。

例如，对于机械安全系统，膛内发射环境、出膛后环境、飞行中的阻力特性，既是从安全到战斗状态转换的动力，又是影响其可靠工作的背景环境。发射时膛压曲线、旋转运动特性、时间-位置关系、横向力学特性、飞行中的章动和进动、阻力特性和极限情况，及其到安全系统关键部位的传递规律是安全距离、安全-战斗状态转换全过程中各阶段安全失效率和转换可靠性等关键特性评估验证的基础，同时也是强度校核的依据。美国设计手册和相关标准均反映出其基础数据的完整，设计合理。而我国经常凭借过载转速等少数参数进行设计，对可否用于新平台心中无数，于是经常遇到新平台设计新引信，但是对新引信的适用范围又是一笔新糊涂帐。52倍口径155 mm缠度渐变加榴炮增程弹上引信故障频现，就是一个典型事例。

我国目前的认识水平和验证水平还处于和MIL-STD-1316E和MIL-STD-331B相当的水平，未达到MIL-STD-1316F和 MIL-STD-331D的水平，也就是说，落后约20年。

不难得出结论：越是先进的技术，我国和美国的差距越大，支持引信技术创新发展的技术基础的差距可达20年，因此我们的技术差距有拉大的趋势。

3 引信安全技术差距原因分析

3.1 核心元器件水平低是制约引信高安全性发展的瓶颈

引信是功能密集、技术密集的产品，且要求在恶劣的力、电、热环境下正常工作，具有小体积、低功耗、耐过载、大动态范围、低成本的特点，高性能引信核心器件/组件在市场上难以获取，利用市场上通用的元器件开发的引信已越来越不能满足要求。

例如，未爆弹安全在错位式安全系统上难以解决。电子安全系统由于火工品需要人类生活环境中不存在的几千伏、几千安的高能，具有极高的本质安全性；由于没有运动部件，具有极好的工作可靠性，可以较好地解决未爆弹安全。但是在我国的推行困难重重，一方面对于验证考核充分性的疑虑，另一方面是核心元器件突破困难。引信专业组为了突破直列式安全系统的关键元器件，在“十一五”、“十二五”预研项目有限的经费中连续安排其核心器件攻关，目前实现了高压器件工作可靠性达到工程设计要求，价格可承受，但小型化仍是进一步推广的障碍。

引信核心元器件的开发速度和性能水平，严重制约着引信的创新发展。

3.2 技术基础薄弱是制约引信形成先进研发模式的根本原因

由于引信设计起步于反求工程，引信设计的基础、基础数据先天不足。作为引信设计基础的引信全寿命周期可能承受的导致性能下降的正常或不正常的力、电、热环境的典型和极限数据缺乏，引信用于实现安全状态转换的环境条件及影响这些条件正确判断的数据不充分，引信承受环境到引信环境敏感单元/核心器件的力、热、电传递规律缺乏理论研究，致使引信全寿命可信环境的基础数据极为匮乏，基础薄弱。

由于引信基础薄弱，无法保证设计预期覆盖了全寿命可信环境，导致在设计、估计、验证等方面都不足以反映实际情况，“画、加、打”的局面多年来未得到有效改善。其直接后果是引信工作可靠性长期无法提高，研制周期长耗费大，新技术推广难度极大。

例如，美国M739A1引信，安全可靠性高，被世界各国广泛采购、装备。我国用美国引进的生产线生产的该引信在其他火炮弹药上使用表现良好，唯独在52倍口径155 mm缠度渐变加榴炮增程弹上，因出炮口横向冲击远远超出设计预期，屡次出现炮口炸。再如，机电引信由于对弹上电磁环境、电应力环境、飞行中的静电环境数据不能完整掌握，科研中往往在实弹飞行中才暴露出引信解保可靠性不足的问题，成为全系统研制进度上的巨大风险。直列式安全系统对于验证充分性的疑虑成为影响其在我国武器系统上推广的重要障碍。

引信模拟手段、设计手段的建立有赖于理论、机理、数据库等基础技术的突破和进展，而引信成败型工作特点使获取引信实际工作数据和极限条件数据的难度很大。此外，引信涉及多个专业学科、多种环境因素，获取系统性、完整性、统一的基础数据需要多学科协作，因而具有较大的复杂性。

3.3 对引信安全性缺乏有效的评估和审查

美军引信安全性设计准则从原始版本MIL-STD-1316就有明确安全性审查机构。MIL-STD-1316F延续了E版，MIL-STD-1316F中安全性评估/符合标准的认证审查机构的权力更为集中、职责更为具体，在标准中13次提及，涉及批准、审查和咨询等多个职责，详见表3。

我国引信安全设计对标准的符合性未实施独立的审查，通常在研制过程中随引信，甚至随武器系统进行方案设计审查、工程样机设计审查、工程样机鉴定审查、设计定型试验和设计定型审查。

在设计审查方面：分属不同军种的不同武器系统对引信设计安全性审查要求不同，有些系统甚至没有对安全系统符合标准的审查要求，致使部分弹药系统配用引信不符合设计标准的情况时有发生。由于审查者对标准理解的差异，导致部分弹药系统配用引信虽然通过了审查，但仍不符合设计标准。由于没有充分的审查时间、审查组成员中安全性专家不足，通过审查的设计也可能存在隐患。

对于不得不采取不符合标准的设计的合理性和可行性没有有效的决策者，导致不必要时间成本的代价。采用新技术新材料时，由于设计概念、方法不同其可用性没有有效的决策者，导致技术进步缓慢。

美三军安全性评估认证机构保证了对引信设计安全性审查统一要求，对标准的理解到位，对于不得不采取不符合标准的设计的合理性和可行性、对采用新技术而形成的新的设计概念和方法的可用性等进行有效的决策，既有较好的覆盖性，又具有直抵关键部件设计安全裕度的管控深度，还保证了对引信验证试验的有效性和充分性。

表3 MIL-STD-1316中涉及军方管理机构的职责

4 结论

本文以美军标修订为线索分析我国与美国在技术和管理方面的差距，得出结论：在引信安全性方面，越是先进的技术，我国和美国的差距越大，支持引信技术创新发展的技术基础的差距可达20年，因此我们的技术差距有拉大的趋势。分析表明，技术基础薄弱、引信核心元器件水平低、缺乏有效的安全评估和审查是产生差距的主要原因。尽管参照美军标MIL-STD-1316F修订我国GJB 373A的起草工作已完成，参照MIL-STD-331D修订GJB 573A的起草正在进行，但是管理上仍难达到美军标的水平。为此提出改进措施和建议：第一，建立持续稳定地研究投入机制，系统解决理论、核心技术、产品、验证评估等问题，弥补引信设计的先天不足。构建以先进设计标准和规范为指导，以系统完整的数据库为支撑的虚拟样机设计、虚拟试验、半实物仿真、综合模拟试验、综合性能外场试验的先进研发模式，体系化推进基础、技术、产品的发展。第二，建立我国引信安全性评估机制，一方面实现作战和武器系统需求到引信安全性技术要求和设计原则的转化，另一方面对设计验证全过程实施有效监控，确保引信高安全性的实现。