引信惯性发火机构离心弹道保险技术

李作华，张大用

(辽宁华兴机电有限公司，辽宁 锦州 121017)

0 引言

弹药早炸会造成己方兵力、装备受损，引发使用者恐慌、削弱战斗力。在产品生产交付和部队训练使用过程，引信弹道早炸现象偶有发生。引信惯性发火机构在外弹道因为“过激环境”而提前作用是其主要原因[1]，惯性发火机构弹道保险能力不足则是引信自身存在的主要问题。可见，惯性发火机构弹道保险设计十分重要。

针对旋转弹特有的离心环境，提出借助于装在惯性体内活动保险子的离心力，通过外侧限制斜面产生对惯性体的运动约束作用，用以对惯性体进行稳态控制，实现引信惯性发火机构的弹道保险功能。这里称为“离心弹道保险技术”。

1 惯性发火机构弹道保险传统技术

在外弹道飞行过程中，引起惯性发火机构提前发火的环境力主要是向前的爬行力和章动力。

在以往，引信惯性发火机构的弹道保险技术主要是加装抗力元件来抵御弹道上的惯性环境力。抗力元件主要有两类[2]：一类是利用弹簧、弹簧片等弹性零件提供抗力，为可恢复的“弹性保险”；另一类是利用支耳、切断销等刚性零件提供抗力，为一次性垮塌式的“刚性保险”。

1.1 弹性保险

弹性保险是利用压缩弹性零件产生抗力，控制惯性体的状态。常用的弹性零件为压缩弹簧、弹簧片等。

弹性弹道保险机构如图1所示。当弹道上的惯性力小于弹簧预压抗力时，惯性体不能动作，发火机构处于保险状态；当惯性力大于弹簧预压抗力时，惯性体运动，火工品被刺发，发火机构作用。

图1 弹性弹道保险机构示意图Fig.1 Schematic diagram of elasticballistic insurance

弹性保险的技术特点[3]：1) 抗力散布较小，约为±20%；2) 可以进行无损检测筛选；3) 全弹道保险的抗力基本恒定；4) 弹性零件制造工艺性较好；5) 卸载后保险性能可恢复；6) 长期贮存抗力可能下降，降低保险能力；7) 发火过程，保险件全行程对惯性体施加抗力，能量耗损大，对灵敏度不利。

1.2 刚性保险

刚性保险是通过保险件塑性变形或破损的力度来控制惯性体的运动状态。常用的刚性保险元件有支耳、支片、剪切销等。

刚性弹道保险机构如图2所示。当弹道上的惯性力小于刚性保险元件的承受能力时，惯性体不能动作，发火机构处于保险状态；当惯性力大于保险元件承受能力时，惯性体运动，火工品被刺发，发火机构作用。

刚性保险的技术特点：1) 刚性零件的抗力散布较大，支耳相对散布约为±50%；2) 只能破坏性抽检，无法进行无损筛选；3) 全弹道保险的抗力基本恒定；4) 工艺性较差，合格率较低；5) 保险能力不具有可恢复性；6) 保险件可能累积变形降低保险能力；7) 发火过程惯性体部分行程受保险件抗力，能量耗损较小，对灵敏度影响较小。

图2 刚性弹道保险机构示意图Fig.2 Schematic diagram of rigid ballistic insurance

1.3 传统保险技术的主要问题

传统保险技术的主要问题在于弹道保险能力与惯性灵敏度难以同时得到兼顾。一方面，保险元件的抗力上限应该满足对各类作战目标的惯性发火灵敏度要求；另一方面，保险元件的抗力下限应该保证惯性体在弹道上保持状态稳定。由于侵彻目标过载与弹道环境过载量值接近，抗力元件存在较大散布，保证弹道保险能力具有充足余量比较困难。

155 mm加榴炮杀伤爆破弹战斗部对土工事侵彻所受的惯性过载g值较小，经估算约为300g左右[4]。打击土工事可靠惯性发火是炮弹引信的基本功能之一，这样，保险过载上限不应超过300g。采用弹性保险时，按抗力偏差为±20%，过载下限约减少40%，保险过载下限约为200g；采用刚性保险时，按抗力偏差为±50%，过载下限约减少100%，保险过载下限约为150g。采用弹性弹道保险的自调延期惯性发火机构，保险过载为150g时，配用于155 mm底凹杀爆弹仍发生弹道早炸现象。这表明，采用传统的弹道保险技术手段已经不能同时兼顾惯性发火机构弹道安全与可靠作用的两个基本功能。

2 惯性发火机构离心弹道保险技术

一种源于引信离心自炸技术[5]的惯性发火机构离心弹道保险技术方案如图3所示。主要由惯性体、保险子、带保险斜面的壳体等组成。

在引信惯性体内(横孔)装有离心保险件(可以是球、销等形状，以下称“保险子”)，固装在引信内的壳体具有前行收拢形的斜面或锥面(以下称“保险面”)。

图3 离心弹道保险机构示意图Fig.3 Schematic diagram of centrifugal ballistic insurance

弹丸旋转时，保险子产生离心力，经过保险面产生对惯性体的轴向约束分力，限制惯性体轴向前移，实现弹道上惯性机构的保险功能。

碰目标时，惯性体受惯性前冲力作用，保险子被推挤回退，解除对惯性体的限制，惯性体前冲，惯性发火机构作用。

离心弹道保险的能力与惯性体质量、保险子质量、保险子偏心距、保险角(保险面与弹轴夹角)等机构参数有关[6]，还与弹丸在弹道上的转速有关。

保险子质量、保险子偏心距、保险角等机构参数通过结构设计获得[6]。机构参数仅在公差范围内变动，可控制在比较精确的范围。机构相关参数确定后，弹道保险能力随同弹道上的转速而变化[7]。

3 离心弹道保险技术分析

惯性发火机构的弹道保险能力主要取决于对惯性体约束抗力的大小，保险能力必须确保惯性发火机构受外弹道环境激励不被启动。

3.1 弹道环境力的基本特征

引起旋转弹引信惯性发火机构在外弹道上不稳定的力学环境主要是爬行力和章动力。

爬行力与弹丸速度、弹道高度(空气密度)、弹丸结构要素(弹形系数)等有关，爬行力的量值相对较小，外弹道上呈平稳减缓变化规律。

章动力具有周期性，与弹丸转动惯量、惯性体与弹丸质心距离、章动角等有关，与转速的平方成正比。外弹道上弹丸转速逐渐衰减、章动角逐渐减小，其他因素是由弹丸技术状态决定的固有物理量(不随弹道而变化)，因此章动力随转速与章动角呈现周期性衰减的变化走势[8]。

一般地，章动力比爬行力更大一些。这里称爬行力与章动力的合力为前向力，前向力也是周期性波动衰减的变化规律。

旋转弹引信弹道爬行力、章动力及其合成的前向环境力变化趋向图示见图4。前向环境力在炮口附近较大，在目标附近较小，全弹道为衰减走势。

图4 旋转弹外弹道轴向环境过载变化图示Fig.4 Axial environmental overload of ordinary rotating shells on external ballistics

3.2 对弹道保险能力要求的简要分析

弹道近炮位的前段部分靠近己方阵地，对于弹道安全性的要求高；弹道后段靠近目标(敌方)区域，弹道安稳性的重要程度相对低。从安全性设计的角度来考虑，惯性发火机构的弹道保险能力应该是炮口处强、目标区弱。

弹道保险能力由强变弱的要求，恰好与弹道环境力逐渐衰减的变化规律相吻合。

将弹道保险能力与弹道环境的比值定义为弹道保险指数(Is=保险能力/弹道环境)，那么兼顾弹道保险和惯性发火灵敏度这两方面功能，在飞行过程弹道保险指数Is基本一致较为合理。

3.3 传统弹道保险技术的保险能力性能特征

弹性保险其保险力来自保险件的变形弹力，刚性保险的保险力来自保险件的损毁抗力，弹道保险能力在弹道上都是恒定的量值，如图5所示。前向环境力(图4(c))与保险能力(图5)对比见图6。弹道环境力曲线与保险能力曲线之间的区域(阴影部位)为保险能力的余量。可以看出，传统弹道保险技术的能力余量呈逐渐增长的走势。

图5 弹道保险(承载)能力图示Fig.5 The capability of ballistic insurance

图6 弹道保险能力与弹道环境力关系图示Fig.6 Relationship between ballistic insurance capability and ballistic environmental force

与弹道保险要求对标，显然，传统的弹道保险技术在弹道保险能力的分配上存在不合理性。

3.4 离心弹道保险技术的保险能力性能特征

弹丸的转速随弹道延伸而逐渐衰减。出炮口时转速最高、着目标时转速最低。保险子的离心力与弹丸转速的平方成正比，反映在弹道保险能力上是炮口处最强、着目标时最弱。这一特点正好与近程安稳、远程灵敏的期望相吻合。同时也满足近程扰动大、远程扰动小的弹道环境力变化规律要求。

离心弹道保险能力与弹道环境同步变化规律如图7所示，表现为能力余量比较均匀的特征。

图7 离心弹道保险能力与弹道环境关系图示Fig.7 Relationship between centrifugal ballistic insurance capability and ballistic environmental force

3.5 离心弹道保险技术验证

机构有关参数：惯性体质量m=55.52 g；惯性体质心与弹丸质心距离L=150 mm；保险子质量m1=0.58 g；保险子数量n=2(对称)；保险状态保险子与弹轴偏心距r=11.3 mm；保险角α=45°。

弹药、弹道相关参数：弹丸质量G=5.9 kg；弹丸直径D=76.2 mm；转动惯量比B/A=8.97；弹形系数i43=1.05；弹道系数C=i43D2/G×10-3=1.028；取章动角δ=15°；取气压函数π(Y)=1(弹道高按0 m计，弹道保险能力评估略微保守)。

相关数据计算式如下[2]：

空气阻力加速度：J=Cπ(Y)F(V)

(1)

惯性体爬行力：Fp=mJ×10-3

(2)

惯性体章动力：Fzh=mL[(ω/2)(A/B)δ]2×10-6

(3)

惯性体前向合力：Fq=Fp+Fzh

(4)

前冲过载系数：kq′=Fq/(m/9.806 65/103)

(5)

保险子离心力：Fb=m1rω2×10-6

(6)

弹道保险力：P=2Fbtan α

(7)

弹道保险过载值：k3′=P/(m/9.806 65/103)

(8)

弹道保险指数：Is=P/Fq

(9)

弹道保险能力相关参数和计算数值见表1(速度和转动角速度由测试获得)。可以看到：弹道保险指数在4.69～6.73之间，保险能力余量充足，保险指数分布比较均衡。

该惯性发火机构用于76 mm杀爆弹，以500 m/s着速(角速度1 350 rad/s)对200 m处5 mm厚中碳钢板40°着角射击试验，10发均着靶发火。此时V=500，F(V)=43.2，按式(6)—式(8)计算，着靶时的弹道保险过载值为43.8g。在同等条件下，对弹道保险过载值为23g的弹性保险惯性发火机构射击，试验10发，8发着靶发火，2发着靶后落地发火。前者的发火灵敏度高于后者。

3.6 与传统弹道保险技术的优势

与弹性保险、刚性保险等固定抗力弹道保险技术相比，离心弹道保险技术避免了性能和工艺方面的一些不足，具有如下明显优势：

1) 保险能力随弹道上的转速而变化，与弹道上的前向惯性力同步升降，有利于弹道安全与惯性发火的性能协同；

2) 依靠旋转环境产生的离心力工作，无需抗力零件，不存在弹性保险的能力衰减、刚性保险的能力损失问题；

3) 保险能力与保险角、保险子偏心距(离心半径)、保险子质量、保险子接触表面粗糙度等参数和状态有关，质量可控，系统误差小；

4) 贮存时间、温度等不引起保险能力变化；

5) 惯性发火机构作用过程，保险子通过保险面之后对惯性体的抗力迅速消失，在灵敏度方面优于全行程阻止惯性体的弹性保险，与刚性保险相当；

6) 着目标时，弹体转速会骤然降低，保险力随离心力迅速减小，对惯性灵敏度的影响优于同等能力的传统保险技术。

表1 弹道保险能力相关数表Tab.1 data sheet related to ballistic insurance capability

4 结论

1) 离心弹道保险具有随着弹道延伸保险能力递减的特点。在外弹道初期，保险能力强，对炮口附近的安全性有利；在目标区，弹道保险能力减弱，对惯性发火可靠性有利。能较好兼顾弹道安全、碰击目标可靠作用的双重功能。

2) 弹道保险能力与弹道环境力成正相关变化，弹道上的保险指数比较均衡，避免了传统弹道保险技术炮口附近能力余量小、目标区能力过剩的不合理分布。

3) 在同等条件下射击试验，弹道保险过载值较高的离心弹道保险，发火率高于弹道保险过载值较低弹性弹道保险，初步验证了离心弹道保险技术的性能优势。

4) 碰目标时弹体转速骤降，保险子的保险能力迅速消失，对惯性灵敏度会产生有利影响，需要进一步加以研究；最小作战距离、小落角等使用条件下的发火灵敏度性能需要进一步考证。