深水炸弹水下起爆安全型引信结构设计

方 石，张世林，许桎嶂

(1 海军驻宜昌地区军事代表室，湖北 宜昌 443003；2 中国船舶集团第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；3 武汉高德红外股份有限公司，湖北 武汉 430073)

0 引言

随着国际形势的变化,地域性战争将成为现代战争的主要形式,在局部海战中使用机动灵活的常规潜艇和反常规潜艇仍然是现代海战的重要形式之一。发达国家海军一方面极力提高常规潜艇性能,另一方面又在新技术的支撑下使传统的深水炸弹反潜效能有了革命性的发展。深水炸弹不仅是价格低廉且使用方便的攻潜武器,有的国家还将其作为水下破障、拦截鱼雷、炸毁水雷等多功能使用的武器。配装引信多采用空投力(重力或入水撞击力)、水压环境或者声信号实现解除保险[1-3]。国内深弹引信由早期的采用撞发和定深两种模式来解除保险,发展到采用触发定时联合引信模式,起爆方式为触发起爆和定时起爆[4]。俄罗斯的PT6-10深弹引信由可变延期和电触发及保险机构组成,保险机构采用旋转和击水双保险结构设计,通过发射装置实时装定引信时间。德国研制的“海矛”反潜深弹代表了目前火箭自导深弹发展的最高水平,主要采用火箭加速度和水压来解除保险,到达一定水深后,利用声纳识别目标进行攻击[5-7]。

深水炸弹水下爆炸对舰船、潜艇以及大型鱼雷、水雷和无人潜航器等水下航行器均有很好的毁伤效果,水下爆炸也是战斗部设计、毁伤破坏效应研究的基础课题[8]。试验研究是研究水下爆炸最可靠途径。目前国内深水炸弹水下爆炸试验采用电雷管直接同战斗部对接方式起爆。文献[9]对深弹实航爆炸试验方法进行了研究,主要针对深水炸弹的结构特点和毁伤形式,提出了实航爆炸试验的设计思路、实施要求和测量方法,但起爆方式依旧是将深水炸弹改装成通过外接电缆加电方式直接引爆,无保险措施。文献[10]描述了水下武器抗爆科研试验,战斗部起爆时依旧缺少专门的试验引信。水下爆炸试验通过电雷管或起爆装置直接同战斗部对接,无任何保险功能,安全性较差。同时采用电雷管直接起爆方式存在工作不可靠的现象,直接影响试验成败。

为验证深水炸弹对沉底水下目标的毁伤效能,需要进行大装药水下爆炸验证试验。深水炸弹配装引信采用投弹重力和水压环境来实现引信冗余保险设计。在投弹瞬间,利用投弹重力环境将引信投弹拔销拔出,解除第一道保险。深水炸弹入水深度在阈值H以上时,水压机构动作开始解除第二道保险,接通点火电路,传爆序列对正。引信延时t后,引爆战斗部。深水炸弹实爆毁伤效能试验采用人工同时布放深水炸弹和水下目标的方案,并确认布放间距满足要求。起爆缆放到试验船上,试验船撤离试验区域后,检测起爆电路工作状态,正常后待命。当接到起爆命令后,操作人员接通起爆电路,通过起爆电缆起爆深水炸弹,整个试验实施过程流程复杂、周期长,不确定因素较多。根据深水炸弹引信工作特点和水下实爆试验环境要求,采用现有配装全备引信已经不能满足本次试验使用需求和操作环境要求,需要重新设计专用试验引信。文中针对深水炸弹水下爆炸威力测试毁伤试验在原全备引信的基础上设计了一种改进型试验用引信。该引信不仅能够满足本次水下实爆试验的使用需求,而且能够较可靠地解决深水炸弹水下爆炸操作安全和起爆可靠的问题。

1 引信结构及工作原理

1.1 全备引信结构功能

深水炸弹全备引信由投弹拔销保险机构、水压保险机构、隔爆机构、接电保险开关电路和辅助失效机构等组成,如图1所示。全备引信通过投弹拔销保险机构将隔爆机构限位锁定,电雷管和导爆管处于隔爆状态,此时接电保险开关处于发火线路断开、电雷管短接模式,确保引信平时处于安全状态。

图1 全备引信结构Fig.1 The diagram of assembled fuze

深水炸弹通过安装在船上的投放装置投放,装弹时先将全备引信与战斗部旋合形成全备弹,再装入投放装置的投弹管内。使用前取下运输保险盖,将全备引信投弹拔销的拉索环取出并套挂在投放装置挂钩上。在船抵达目标上方过程中,投放装置扬起使投弹管伸出舷外而处于垂直投弹位置。投弹时挡弹器动作解除对稳定器护圈的约束,深水炸弹靠自身重力坠落。图2为某深水炸弹投弹场景。

图2 全备引信随某深水炸弹投弹场景Fig.2 A assembled fuse is dropped with a depth bomb

在深水炸弹入水坠落过程中,其引信投弹拔销动作,剪断保险销,拔出投弹拔销,解除了钢珠对隔爆机构中水压杆自锁约束,释放水压杆,露出水压机构进水口通道。深水炸弹坠落入水后,海(湖)水经过钢珠座进水口进入密封底螺和水压膜形成的密闭内腔中,产生静水压力压缩水压膜变形,水压膜变形后紧贴水压杆圆台面,在静水压作用下压缩水压弹簧。当水压不大于H0水深静水压时,水压机构不动作;当水压超过H水深静水压时,水压机构动作到位后,一方面接通引信电源,启动引信电路,另一方面解除隔爆状态,使传爆序列对正,深水炸弹处于待爆状态。当引信控制线路板计时达到t时,引信电路输出电雷管起爆信号,引爆电雷管,并通过传爆序列最终引爆深水炸弹战斗部。

弹入水后,海(湖)水将通过钢珠座内部管道进入失效机构内,缓慢将失效部件溶化。若深水炸弹未正常起爆,海(湖)水在溶化完失效机构后通过引信壳体进水孔通道进入引信内腔,浸没电池、控制线路板和保险开关等控制线路,致使引信电池等电子器件失效,从而达到破坏引信电路而自失效的目的。引信因内腔浸水而失去正常输出点火起爆功能,保证后续爆炸物处理过程中的安全性。

1.2 试验引信结构设计

通过分析配装的全备引信工作原理和主要结构功能特点,结合试验方案相关要求,本次试验引信将在该引信方案基础上进行改进设计。试验引信设计原则是在保证操作过程中的安全和作用可靠条件下,保持引信接口、隔爆机构和传爆序列等基本结构不变,主要针对解除保险原理和起爆方式等进行设计。

试验引信采用水压环境和人工远程控制来解除保险,总体结构上主要由密封保险机构、水压保险机构、隔爆机构、保险螺钉、壳体及其它零部件等组成。引信总体结构如图3所示,接电关系组成如图4所示。

图3 试验引信组成结构Fig.3 Composition diagram of experimental fuze

图4 改装引信接线图Fig.4 Experimental fuze wiring diagram

试验引信对比全备引信,主要取消控制线路板、投弹拔销、失效机构、检测端口和电池盒等部件,主要改变如表1所列。改进要点是控制试验引信的进水通道和进水时机,保证在布放过程中试验引信始终处于保险状态。

表1 引信改装前后主要变化Table 1 Main changes before and after improved fuze

试验引信对比全备引信,主要增加了密封保险机和辅助保险,文中对密封保险机构进行了详细设计,结构如图5所示。

图5 密封保险结构Fig.5 The diagram of sealing arming device

密封保险主要保证在勤务处理过程中操作安全和控制水压通道能否正常打开,在遭遇电雷管意外发火爆炸时,可保障试验人员操作处理过程的安全;辅助保险主要保证水压机构平时限位锁死,防止水压机构因跌落等冲击惯性力或人为操作导致其解除保险,保证在勤务处理和使用过程中试验引信始终处于保险状态。

试验引信工作原理:试验引信在入水深度达H以上后,采用人工起爆的方式通过点火电缆将密封座上的电雷管引爆,炸开试验引信密封保险进水孔通道。海(湖)水经过进水口流入试验引信内部,水压膜变形产生压力,压缩水压弹簧,水压杆在湖水压力作用下发生位移,使得导爆管、电雷管、传爆序列对正,改变传爆序列的隔爆状态,并且接通保险开关形成通路,电雷管由短接状态转入通路状态,最终试验引信进入待发状态。二次点火起爆试验引信内电雷管,即可起爆深水炸弹。试验引信在出水深度在H以下时,水压保险机构开始恢复保险状态动作,待引信出水深度在H0以下时,水压保险机构完全恢复至保险状态。

勤务处理中试验引信的水密连接器进行短接处理。试验引信经气密检测合格后即可旋上密封盖和保险螺钉装箱封存待用。使用时将试验引信卸下密封盖和保险螺钉,通过专用工具将试验引信旋紧至战斗部后,将试验引信的水密连接器与点火电缆上的水密连接器对接即可使用。

2 相关计算

为保证电雷管爆炸后能够可靠炸通密封保险部件进水孔通道,且不引起引信壳体变形和降低密封保险部件中压缆结构的连接强度。密封座和密封压螺选用不锈钢(1Cr18Ni9Ti)材料,电雷管选用WD1040型。引信壳体内安装铝合金防护板和密封压螺,避免电雷管爆炸产生的破孔碎片损伤起爆电缆。

2.1 计算模型

下面采用AUTODYN软件进行密封保险部件电雷管开孔能力和连接强度数值模拟,依据设计尺寸建立二维有限元模型如图6所示。计算模型包括炸药、密封座、引信壳体和密封压螺四部分,均采用拉格朗日算法。为保证计算精确性,将其网格尽可能加密处理。密封座、密封压螺和引信壳体采用MAT_JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程。电雷管装药主要由起爆药(氮化铅)和输出药(太安)组成,氮化铅爆热1 524 kcal/kg,太安爆热1 400 kcal/kg[11]。根据梯恩梯当量法,忽略壳体影响,采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL状态方程描述,其材料模型参数如表2和表3 所列[12-16]。对厚度分别为1.5 mm、2 mm和3 mm的进水孔分别进行数值仿真。炸药(电雷管)计算采用端面起爆。

表2 太安主要材料参数Table 2 Material parameters of main explosive

表3 不锈钢和铝合金材料模型及其状态方程参数Table 3 Material model and equation of state parameters of steel

图6 电雷管破孔有限元模型Fig.6 Finite element model of electric detonator hole breaking

2.2 数值仿真结果分析

如图7所示为密封座进水口厚度取2 mm时爆炸载荷作用不同时刻等效应力云图。当炸药(电雷管)爆轰后,爆轰波沿轴向以近似平面波迅速传爆至密封座顶部进水口处,密封压座进水口部受到炸药爆轰产物的冲击载荷后,其等效应力达到12.5 GPa左右,发生塑性变形直至屈服失效,在进水口处形成花瓣状开孔和崩裂现象,破片速度达到560 m/s,撞击密封压螺,形成轻微凹坑。密封座侧壁和引信壳体无变形现象,密封压螺和引信壳体之间螺纹连接无变形或剪切现象发生。而取密封座进水口厚度为3 mm时,进水口处形成鼓包开裂现象,未能完全将进水口炸通。同时炸药(电雷管)爆轰波反向压力传至密封座底部,形成局部高压冲击区域,导致防护板发生变形。

图7 电雷管破孔等效应力云图Fig.7 Equivalent stress cloud chart of electric detonator breaking hole

仿真结果表明:密封座进水口部位采用2 mm设计厚度时,炸药(电雷管)能够可靠炸开进水口通道,且不影响密封座侧壁和引信壳体的变形,密封压螺和引信壳体连接无变形和松动现象,能够较好地保证密封座和压缆结构的预紧压力。

3 试验引信试验结果分析

3.1 试验引信解除保险试验分析

根据仿真计算结果开展试验验证,验证试验引信能否正常解除保险和点火工作。试验中密封座进水口厚度为2 mm,试验共进行5枚,均为同一技术状态。试验前先将辅助保险螺钉拆除,通过点火电缆控制密封座中电雷管起爆,炸开试验引信密封机构进水孔通道,水压机构感受到水压从而解除保险,传爆序列对正,水压开关形成点火通路,电雷管由短接状态进入待发火状态。通过起爆器引爆电雷管可实现试验引信的安全起爆。

试验结果如图8所示。从试验回收结构可以看出:引信尾部输出端密封底螺呈开花状,孔径约50 mm,试验引信均正常点火。拆卸工作后引信,密封座进水口采用2 mm厚度时,炸药(电雷管)起爆后,能够可靠地将进水口炸通,开口部位呈轻微翻边花瓣状,密封压螺表面有明显的撞击侵蚀痕迹,防护板在雷管反向爆轰压力冲击下产生裂痕。密封压螺和引信壳体无变形,压缆结构无松动或损伤。

图8 试验引信解除保险试验结果Fig.8 Arming reliability results of experimental fuze

试验结果表明:试验引信解除保险动作正常,传爆序列工作可靠,具备配合某深水炸弹开展水下爆炸威力测试条件。

3.2 试验引信安全性试验分析

参照相关的要求[17]开展试验引信1.5 m跌落、12 m跌落、战术振动、运输试验和震动试验,用于考核引信经过装卸、搬运和运输后的安全性。试验过程如图9所示,其中1.5 m跌落试验分别采用全备引信配试验砂弹以及裸露全备引信方法进行, 12 m跌落试验采用装入工程塑料包装箱方法进行,分别进行水平方向、头向下、底向下、头向下45°角、尾向下45°角五种姿态自由跌落;运输试验采用卡车装载全备引信配试验砂弹长途运输方法进行,结果表明:试验引信经过裸弹1.5 m和带包装箱12 m跌落后,均不燃不爆,属于安全状态;试验引信经过运输试验和战术振动试验后,引信完好,无损坏,性能正常。试验情况如表4所列。

表4 试验引信安全性试验情况Table 4 The Safety test situation of fuze

图9 改进引信安全性试验Fig.9 Safety experiments of improved fuze

3.3 试验引信起爆某深水炸弹试验分析

试验总体布置方案如图10所示,试验弹通过悬挂绳和布放绳悬挂在浮球下方,定深为H1。目标通过悬挂绳和保护绳分别悬挂在两个浮筒下方,浮筒之间通过带法兰的距离控制杆连接以准确控制爆距。自由场压力传感器悬挂在距离控制杆下方,根据战斗部中心到目标几何中心的距离等距布放压力传感器,在浮动冲击平台内缓冲平台上进行数据采集测量。共进行3枚试验弹爆炸威力测试试验,引信均可靠起爆,战斗部正常工作,如图11所示。

图10 测试试验总体布局Fig.10 Overall layout of the experiment

图11 深水炸弹成功起爆场景Fig.11 Successful initiation scene of a depth bomb

4 结论

通过分析某全备引信结构设计原理和功能特点,结合某型深水炸弹水下爆炸威力测试需求特点和功能环境变化,开展了一种试验用引信结构设计研究。系统分析了试验引信改进要点、主要零部件构成、保险机构工作过程和解除保险原理等。仿真与试验结果表明:试验引信能够可靠解除保险,密封保险中的压缆结构连接可靠无松动,试验引信能够正常起爆。

试验引信通过跌落和运输安全性试验验证,并配合某深水炸弹成功开展湖上水下爆炸威力测试。结果表明:该试验引信能够满足试验使用安全性和工作可靠性要求,且结构简单、操作便捷,具有一定的工程应用价值,可向类似大型水下爆炸试验中推广应用。