Urządzenia zabezpieczająco-uzbrajające w zapalnikach *

Transkrypt

1 PROBLEMY MECHATRONIKI UZBROJENIE, LOTNICTWO, INśYNIERIA BEZPIECZEŃSTWA ISSN (5), 20, Urządzenia zabezpieczająco-uzbrajające w zapalnikach * Rafał BAZELA, Mariusz MAGIER Zakład Uzbrojenia Artyleryjskiego, Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia, ul. Prymasa S. Wyszyńskiego 7, Zielonka Streszczenie. W artykule przedstawiono wymogi stawiane zapalnikowym urządzeniom zabezpieczająco-uzbrajającym w świetle obowiązujących norm. Ponadto zaprezentowano podstawowe rodzaje urządzeń przerywających łańcuch ogniowy oraz nowe tendencje w urządzeniach zabezpieczających w zapalnikach elektronicznych. W ostatnim etapie pracy opisano rozwiązanie koncepcyjne urządzenia zabezpieczająco-uzbrajającego do nowego moździerzowego zapalnika zbliŝeniowego. Słowa kluczowe: mechanika, urządzenia zabezpieczająco-uzbrajające, zapalnik zbliŝeniowy. WSTĘP Większość pocisków artyleryjskich jest wyposaŝona w zapalniki, czyli urządzenia powodujące zadziałanie pocisku po strzale w określonym czasie lub/i miejscu. Według normy obronnej [3] zapalniki to urządzenia przeznaczone do: zabezpieczenia amunicji w celu wykluczenia moŝliwości uzbrojenia się przed osiągnięciem wyznaczonej pozycji, wykrycia celu lub reakcji na jeden lub więcej określonych parametrów, takich jak np. czas, ciśnienie lub komenda, wywołania impulsu i przekazania go w postaci detonacji do ładunku wybuchowego. * Artykuł był prezentowany na VIII Międzynarodowej Konferencji Uzbrojeniowej nt. Naukowe aspekty techniki uzbrojenia i bezpieczeństwa, Pułtusk, 6-8 października 200 r.

2 84 R. Bazela, M. Magier RóŜnorodność prowadzonych działań bojowych na polu walki pociągnęła za sobą znaczne zmiany w konstrukcji zapalników artyleryjskich. Spośród obecnie najczęściej stosowanych moŝemy wyróŝnić: uderzeniowe: natychmiastowe i opóźnionego działania, czasowe, zbliŝeniowe, wielofunkcyjne. Zapalniki jako urządzenia inicjujące zadziałanie pocisku podlegają wysokim wymaganiom bezpieczeństwa. Muszą posiadać co najmniej dwa rozdzielne funkcjonalnie zabezpieczenia chroniące przed niezamierzonym uzbrojeniem, a przynajmniej jedno z nich musi zapewniać osiągnięcie bezpiecznej odległości uzbrojenia od stanowiska ogniowego. Głównym czynnikiem zdejmującym zabezpieczenia w zapalniku powinny być zjawiska fizyczne występujące podczas strzału lub w trakcie lotu pocisku. 2. URZĄDZENIA ZABEZPIECZAJĄCO-UZBRAJAJĄCE W celu zapewnienia bezpieczeństwa w stanie nieuzbrojonym oraz w celu uzbrajania zapalników stosuje się urządzenia zabezpieczająco-uzbrajające. Urządzenia te mają na celu zapobieganie uzbrojeniu się zapalnika do chwili spełnienia wielu warunków i następnie umoŝliwienie zadziałania pocisku. Urządzenia te wykorzystują procesy fizyczne występujące podczas strzału lub na torze lotu. Zaliczamy do nich [4]: przyśpieszenie poosiowe (siła bezwładności) podczas ruchu pocisku w lufie, przyśpieszenie poosiowe (siła bezwładności) na aktywnym odcinku toru lotu, prędkość obrotową (siłę odśrodkową) podczas ruchu pocisku w lufie i na torze lotu, ciśnienie atmosferyczne, opóźnienie wywołane oporem powietrza na torze lotu (siły nabiegania), ciśnienie gazów prochowych w komorze nabojowej, ciśnienie robocze w komorze silnika rakietowego, stan niewaŝkości (przyśpieszenie wynoszące 0), działania podjęte w celu uŝycia (miotania) amunicji. Zapalnik uzbrojony jest to stan, w którym określony bodziec moŝe spowodować zadziałanie zapalnika [3]. Poza urządzeniami zabezpieczająco-uzbrajającymi istotnym układem zapalnika jest łańcuch ogniowy, którego zadaniem jest detonacja ładunku wybuchowego lub zapalenie ładunków specjalnych w pocisku.

3 Urządzenia zabezpieczająco-uzbrajające w zapalnikach 85 W skład łańcucha ogniowego mogą wchodzić: spłonki zapalające, spłonki pobudzające, wzmacniacze, opóźniacze, łączniki ogniowe itd. W związku z tym istnieje problem z zabezpieczeniem zapalnika przed niezamierzonym pobudzeniem tych elementów łańcucha ogniowego w wyniku oddziaływań środowiska, takich jak np.: wibracje, wstrząsy, udary mechaniczne, przyspieszenia w lufie, wysoka temperatura, elektryczność statyczna, wyładowania atmosferyczne, elektryczność indukowana. Do niedawna w Wojsku Polskim stosowana była tylko klasyfikacja zapalników zaczerpnięta z nomenklatury rosyjskiej, która definiuje zapalniki następująco: całkowicie zabezpieczone spłonka zapalająca jest odizolowana od spłonki pobudzającej, a ta z kolei jest odizolowana od pobudzacza, częściowo zabezpieczone izolowana jest tylko spłonka pobudzająca niezabezpieczone Ŝadna ze spłonek nie jest odizolowana od pobudzacza, Obecnie po wstąpieniu Polski do struktur NATO obowiązuje nas takŝe nowa klasyfikacja zgodna ze STANAG 487. Norma obronna [3] rozróŝnia zapalniki: z przerwanym łańcuchem ogniowym (Interrupted Explosive Train) łańcuch ogniowy, który posiada fizyczną (ogniową) przerwę między elementami go tworzącymi, łańcuch ogniowy, który nie posiada fizycznej i ogniowej przerwy między elementami go tworzącymi. 2.. Mechanizmy przerywające łańcuch ogniowy Podstawowe mechanizmy przerywające łańcuch ogniowy stosowane w zapalnikach to: uszczelnienie brodawkowe w stanie zabezpieczonym odpowiednio ukształtowana obsada spłonki (2) wchodzi w otwór obudowy (), tym samym uniemoŝliwia przekazywanie ognia na następny element zapalnika (3), (4) (rys. ). Ten sposób izolacji spłonek był często stosowany podczas drugiej wojny światowej [2];

4 86 R. Bazela, M. Magier Rys.. Schemat urządzenia słuŝącego do izolacji spłonki zapalającej za pomocą obsady bezwładnikowej spłonki z brodawką (zapalnik typu KT): obudowa, 2 obsada spłonki zapalającej, 3 wzmacniacz prochowy, 5 spłonka pobudzająca Fig.. Scheme of the device insulating the igniferous primer with the use of the plunger holder of primer with a nodule (KT type fuse): casing, 2 holder of igniferous primer, 3 powder intensifier, 4 disruptive primer kulki uszczelniające kulka (3) znajdująca się w gnieździe stoŝkowym obudowy, u wylotu którego znajduje się otwór słuŝący do przenoszenia ognia. W chwili strzału kulka osiada na dno, zamykając ten otwór. Po wylocie pocisku z lufy siły odśrodkowe i siły nabiegania przemieszczają kulkę po ścianie bocznej, otwierając drogę ogniową [2] (rys. 2); Rys. 2. Schemat urządzenia słuŝącego do izolacji spłonki zapalającej za pomocą kulki uszczelniającej: spłonka, 2 obsada spłonki, 3 kulka, 4 spłonka pobudzająca Fig. 2. Scheme of the device insulating the igniferous primer with the use of the sealing ball: primer, 2 primer holder, 3 ball, 4 disruptive primer

5 Urządzenia zabezpieczająco-uzbrajające w zapalnikach 87 komora izolująca komora (A) o grubych ścianach wewnętrznych, w której znajduje się spłonka pobudzająca () oddzielona od pobudzacza (2) (rys. 3). Przed strzałem i w trakcie ruchu pocisku w przewodzie lufy spłonka znajduje się w komorze; pobudzenie jej nie powoduje przekazania detonacji na następne elementy. Po ustaniu przyspieszeń osiowych spręŝyna (3) przesuwa spłonkę z komory izolującej (A) w przestrzeń, gdzie zadziałanie spłonki jest w stanie pobudzić następny element łańcucha ogniowego [2]; 2 A 3 Rys. 3. Schemat urządzenia słuŝącego do izolacji spłonki pobudzającej za pomocą komory izolującej (zapalniki typu GT i DT): spłonka pobudzająca, 2 pobudzacz, 3 spręŝyna, A komora izolująca Fig. 3. Scheme of the device insulating the disruptive primer with the use of the insulating chamber (GT and DT type fuses): disruptive primer, 2 detonator, 3 spring, A insulating chamber obsada izolująca typu odśrodkowego o ruchu postępowym jest to część zapalnika, w której w stanie zabezpieczonym materiał pobudzający () (rys. 4) jest przesunięty względem łańcucha ogniowego, a wszelkie zadziałanie nie przekazuje ognia dalej. Po strzale i po wylocie pocisku z lufy, przy odpowiednio duŝych siłach odśrodkowych, mechanizmy zabezpieczające (2), (3) zwalniają suwak (4). Dzięki tym siłom działającym na suwak i umiejscowieniu środka masy poza osią pocisku obsada przemieszcza się do pozycji uzbrojonej [2];

6 88 R. Bazela, M. Magier A A 3 Rys. 4. Schemat urządzenia słuŝącego do izolacji spłonki pobudzającej w postaci obsady odśrodkowej łącznika pobudzającego o ruchu postępowym (zapalnik typu RTD): spłonka pobudzająca, 2, 3 rygiel, 4 suwak Fig. 4. Scheme of the device insulating the disruptive primer in the form of the centrifugal housing of disruptive link which moves with translational motion (RTD type fuse): disruptive primer, 2, 3 bolt, 4 slider przesłona izolująca typu odśrodkowego o ruchu obrotowym zasada działania jest taka sama jak opisana powyŝej, a róŝnica polega na ruchu suwaka () (rys. 5). W wyniku sił odśrodkowych powstałych po wylocie z lufy przesłona () obraca się względem osi (2), otwierając drogę ogniową [2]; obsada izolująca obrotowa lub przesuwna zasada działania jest taka sama jak w dwóch wyŝej opisanych zespołach z wyjątkiem tego, Ŝe na obrót suwaka nie mają wpływu procesy fizyczne powstające po wylocie pocisku z lufy. Zmiana połoŝenia suwaka () wykonywana jest czynnikami zewnętrznymi, takimi jak np. spręŝyna (2), która włącza materiał (3) w łańcuch ogniowy (rys. 6).

7 Urządzenia zabezpieczająco-uzbrajające w zapalnikach A A Rys. 5. Schemat urządzenia słuŝącego do izolacji spłonki zapalającej za pomocą przesłony odśrodkowej: przesłona odśrodkowa, 2 oś przesłony, 3 spłonka pobudzająca, 4 obsada ze spłonką zapalającą Fig. 5. Scheme of the device insulating the igniferous primer with the use of the centrifugal plate: centrifugal plate, 2 plate axle, 3 disruptive primer, 4 housing with igniferous primer 2 3 Rys. 6. Schemat urządzenia izolującego spłonkę pobudzającą w postaci obsady obrotowej spłonki wraz ze spręŝyną [2]: suwak, 2 spręŝyna, 3 spłonka pobudzająca Fig. 6. Scheme of the device insulating the disruptive primer in the form of the revolving housing of the primer with spring [2]: slider, 2 spring, 3 disruptive primer 2

8 90 R. Bazela, M. Magier 3. NOWE TENDENCJE W URZĄDZENIACH ZABEZPIECZAJĄCYCH ZAPALNIKÓW ELEKTRONICZNYCH Najczęściej w zapalnikach elektronicznych główne zabezpieczenie polega na przerwaniu obwodu spłonki elektrycznej od źródła zasilania. Stan ten jest utrzymywany przez mechanizmy zabezpieczające i zespół styków. Zapalniki tego rodzaju mogą wykorzystywać energię zgromadzoną przed strzałem (baterie) bądź energię generowaną po strzale (turbiny, baterie aktywowane strzałem), przy czym normy preferują rozwiązania korzystające z energii generowanej po strzale. Baterie aktywowane strzałem dostarczają energię elementom wykonawczym zapalnika. Przykładem takiego rozwiązania jest bateria UA6275/844 firmy THALES (rys. 7). Rys. 7. Bateria aktywowana strzałem UA6275/8 firmy THALES Fig. 7. Shot activated battery UA6275/8 produced by THALES Aktywacja baterii następuje w wyniku liniowych przyśpieszeń powstałych podczas strzału. Umieszczona wewnątrz urządzenia ampułka zostaje zniszczona, a zawarty w niej elektrolit dzięki ruchowi obrotowemu pocisku wypełnia przestrzeń między ogniwami litowymi. Od tej chwili bateria pracuje jako źródło energii dla układów elektronicznych zapalnika i odpalania. Kolejnym rozwiązaniem są turbiny np. w zapalniku AGM- (rys. 8) w trakcie lotu powietrze opływa łopatki wirnika, a powstały ruch obrotowy jest przekazywany do uzbrajania i odbezpieczania zapalnika. Ten typ urządzenia wykorzystywano między innymi w bombach lotniczych [].

9 Urządzenia zabezpieczająco-uzbrajające w zapalnikach Rys. 8. Zapalnik uderzeniowy głowicowy AGM- do bomb lotniczych: wiatrak, 2 śruba wiatraczka, 3 kaptur, 4 kadłub, 5 cięŝarki zabezpieczające Fig. 8. Percussive head fuse AGM- for aerial bombs: air turbine, 2 air turbine screw, 3 cap, 4 body, 5 protective weights Obracający się wiatrak () wykręca śrubą (2) kapturek (3) z kadłuba (4), umoŝliwiając wypadnięcie cięŝarków zabezpieczających (5) (rys. 8). W tej chwili zapalnik jest odbezpieczony, a uderzenie w cel spowoduje nakłucie spłonki iglicą i zadziałanie pocisku. W nowszych konstrukcjach wirnik znajduje się wewnątrz zapalnika. Ruch obrotowy przekazywany jest przez zespół przekładni zębatych. Przykładem tego jest zapalnik firmy JUNGHANS Feinwerktechnik (rys. 9). Rys. 9. Urządzenie zabezpieczająco-uzbrajające z turbiną firmy JUNGHANS Fig. 9. Safety and arming device with air turbine produced by JUNGHANS

10 92 R. Bazela, M. Magier Ponadto ruch obrotowy jest wykorzystywany do generowania zasilania dla innych podzespołów zapalnika. Urządzenie tego typu działa na zasadzie prądnicy, gdzie energia mechaniczna obracającego się wirnika zamieniana jest na energię elektryczną. 4. KONCEPCJA URZĄDZENIA ZABEZPIECZAJĄCO- -UZBRAJAJĄCEGO DO MOŹDZIERZOWEGO ZAPALNIKA ZBLIśENIOWEGO Zapalniki zbliŝeniowe są urządzeniami mającymi za zadanie zainicjowanie zadziałania pocisku w odpowiedniej odległości od celu. Składają się z elektronicznego modułu wykrywającego i mechanicznego urządzenia zabezpieczająco- uzbrajającego. Interesującemu nas zespołowi zabezpieczająco- -uzbrajającemu oprócz standardowych wymagań zawartych w normie obronnej postawiono następujące dodatkowe wymogi: łańcuch ogniowy przerywany, całkowicie zabezpieczony, zastosowanie mechanizmu bezwładnościowego nakłuciowego z bocznym działaniem, przekazanie sygnału o uzbrojeniu się zapalnika do elektronicznego modułu zbliŝeniowego. Na rysunkach 0 i przedstawiono model koncepcyjny urządzenia zabezpieczająco-uzbrajającego do moździerzowego zapalnika zbliŝeniowego. Rys. 0. Koncepcja urządzenia zabezpieczająco-uzbrajającego do moździerzowego zapalnika zbliŝeniowego Fig. 0. Conception of safety and arming device for the mortar proximity fuse

11 Urządzenia zabezpieczająco-uzbrajające w zapalnikach 93 W stanie zabezpieczonym rygiel () (rys. ) mechanizmu bezwładnikowego utrzymuje suwak (4) w połoŝeniu przerywającym łańcuch ogniowy. Spłonka zapalająca (6) (rys. 2) blokowana jest przez bolec suwaka (5), uniemoŝliwiając przypadkowe nakłucie. Styki przesuwne () zwierają obwód elektryczny spłonki (2), a rozwierają obwód pobudzający. Jest to połoŝenie stabilne, w którym niezamierzone zadziałanie materiałów inicjujących nie powoduje pobudzenia pocisku. NaraŜenia środowiskowe występujące podczas eksploatacji zapalnika nie obniŝają jego bezpieczeństwa. W głównej mierze decyduje o tym mechanizm bezwładnikowy, który jest adaptowany z dotychczas stosowanych zapalników konstrukcji WITU, takich jak np. MZR-96M, MZR-60. Poprawność jego działania została potwierdzona wieloma badaniami doświadczalnymi. Rys.. Koncepcja urządzenia zabezpieczająco-uzbrajającego do moździerzowego zapalnika zbliŝeniowego w stanie zabezpieczonym: rygiel, 2 bezwładnik, 3 korpus, 4 suwak, 0 spręŝyny, styki, 2 spłonka elektryczna, 3 bezpiecznik boczny Fig.. Conception of safety and arming device for the mortar proximity fuse in the safe state: bolt, 2 plunger, 3 body, 4 slider, 0 springs, contacts, 2 electric primer, 3 side bolt

12 94 R. Bazela, M. Magier Rys. 2. Przerwany łańcuch ogniowy w urządzeniu zabezpieczająco-uzbrajającym w stanie zabezpieczonym: 5 bolec suwaka, 6 nakłuciowa spłonka zapalająca, 7 bijnik bocznego działania, 8 łączniki ogniowe, 9 iglica Fig. 2. Interrupted fire train in safety and arming device in the safe state: 5 slider bolt, 6 pierced igniferous primer, 7 side action hammer, 8 fire links, 9 firing pin Podczas strzału siły poosiowe przesuwają bezwładnik (2) w dół do korpusu (3), a po ich ustaniu spręŝyna wysuwa rygiel () mechanizmu bezwładnikowego do góry, zwalniając suwak (4). Dwie spręŝyny (0) przemieszczają suwak (4), włączając łączniki ogniowe (8) (rys. 2) wraz z pobudzaczem (4) w łańcuch ogniowy. Bolec suwaka (5) odblokowuje spłonkę zapalającą (6), a obwody elektryczne są przygotowane do przekazania impulsu inicjującego. W tej pozycji moduł zbliŝeniowy zaczyna pracę, a urządzenie zabezpieczająco-uzbrajające jest gotowe do przekazywania ognia. Stan ten jest utrzymywany spręŝynami (0) i bocznym bezpiecznikiem (3), ryglującym suwak (4) (rys. 3). W przypadku niepobudzenia łańcucha ogniowego przez zespół elektroniczny i spłonkę elektryczną (2), pocisk eksploduje w wyniku działania mechanizmu bezwładnościowego nakłuciowego. Jest on przystosowany do pracy przy uderzeniu zarówno na wprost, jak i bocznym. Składa się on zasadniczo z dwóch elementów, spłonki wraz z obsadą (6) oraz bijnika bocznego działania (7) (rys. 3). Przy uderzeniu pocisku na wprost obsada wraz ze spłonką siłą bezwładności nakłuwają się na iglicę (9), powodując zadziałanie spłonki. Przy uderzeniu bocznym bijnik przemieszcza się w korpusie, popychając obsadę wraz ze spłonką na iglicę.

13 Urządzenia zabezpieczająco-uzbrajające w zapalnikach 95 Rys. 3. Koncepcyjne urządzenie zabezpieczająco-uzbrajające w zapalniku zbliŝeniowym w stanie uzbrojonym: 4 suwak, 5 bolec suwaka, 6 nakłuciowa spłonka zapalająca, 7 bijnik bocznego działania, 8 łączniki ogniowe, 9 iglica, 0 spręŝyny, 3 bezpiecznik boczny Fig. 3. Conception of safety and arming device for the proximity fuse in the armed state: 4 slider, 5 slider bolt, 6 pierced igniferous primer, 7 side action hammer, 8 fire links, 9 firing pin, 0 springs, 3 side bolt 5. WNIOSKI Obecnie w Wojskowym Instytucie Technicznym Uzbrojenia prowadzone są prace nad sensorem zbliŝeniowym do zapalnika moździerzowego pocisku odłamkowego w ramach projektu badawczo-rozwojowego Sensory zbliŝeniowe odporne na naraŝenia mechaniczne występujące podczas strzału nr OR Opracowanie sensora zbliŝeniowego i nowego urządzenia zabezpieczająco-uzbrajającego będzie podstawą do prac nad zapalnikiem zbliŝeniowym (pierwszym opracowanym i wykonanym w Polsce). Ze względu na zasadę działania modułu zbliŝeniowego urządzenie zabezpieczająco- -uzbrajające będzie musiało być umiejscowione w tylnej części zapalnika. Inicjacja łańcucha ogniowego nastąpi w wyniku zadziałania sensora zbliŝeniowego lub przy uderzeniu pocisku w ziemię. Proponowana konstrukcja spełniać będzie wymogi nowych norm [3] i [4] wykonanych w ramach ratyfikacji STANAG 487 i AOP-6. Praca realizowana była ze środków własnych Wojskowego Instytutu Technicznego Uzbrojenia.

14 96 R. Bazela, M. Magier LITERATURA [] Tretiakow G.M., Amunicja artyleryjska, Wydawnictwo MON, Warszawa, 954. [2] Wasiliew M., Teoria projektowania zapalników, Wydawnictwo MON, Warszawa, 955. [3] Norma obronna NO-0-A , Zapalniki. Wymagania ogólne dotyczące bezpieczeństwa. [4] Norma obronna NO-3-A , Systemy zapalnikowe, Zapewnienie bezpieczeństwa. Metody konstrukcyjne. [5] Grula A., Zapalniki artyleryjskie w świetle wymagań NATO, Problemy techniki uzbrojenia, Zeszyt 77 nr 2/200. Safety and Arming Devices in Fusing System Rafał BAZELA, Mariusz MAGIER Abstract. The requirements for safety and arming devices of fuses according to the binding norms were presented in this paper. Moreover the basic types of explosive train interrupting devices and new tendencies in the design of safety devices in electronic fuses were described. In the last part of the article the preliminary conception of safety and arming device for new mortar proximity fuse was presented. Keywords: mechanics, safety and arming device, proximity fuse