Dual-mode fuze

本発明は、爆発性発射体の爆発を開始させる起爆装置に関する。 とりわけ、本発明は、標的の硬さに応答して爆発の遅れ時間を変えることができる標的検出要素を具備する起爆装置に関する

中口径の弾薬を用いた、対地攻撃用航空機に対する、最近の最も効果的な射程範囲は、傾斜角が５°から１５°で１２９１〜５２４メータ（４０００から５０００フィート）である。 一般に対地攻撃機に採用される軍備は、徹甲焼夷（ＡＰＩ）弾でありその効果は力学的エネルギーに依存する。 ＡＰＩ弾は、硬い（装甲板に覆われた）標的には効果的であるが、エネルギーが標的に配分されないので、やわらかい、装甲板で覆われていない攻撃物に対しては効果が落ちる。 最近の最も効果的な迎撃基地により、パイロットと飛行機が小型兵器の集中砲火と、一人で持ち運べる対空ミサイルに曝されるので、攻撃用航空機が危険に陥っている。

化学エネルギーを用いた発射体は、効果的な終端指向性爆薬や、急激に形成された断片を生成する。 対地攻撃用航空機の翼に固定されなくても、この発射体は、２７４３から３６５８メータ（９０００から１２０００フィート）の拡大された範囲で、効力を発揮でき、装甲された標的を打ち破ることができる。 化学エネルギーを用いた発射体は、柔軟な標的に対しては、表面でエネルギーが分配され起爆装置がほとんど瞬時に反応するので、効果が低い。

弾薬の標的に対する効果の程度に影響を与える１つの要素は、衝撃に続く爆発の遅れである。 ターゲットが比較的柔軟な場合は、例えば、弾が標的に入った後爆発が起こったとすると、爆風、断片化、及び焔を標的の中に起こすので、損傷が大きくなる。 一方、固い標的の場合は、当たった瞬間、標的の表面で弾が爆発し、プラズマジェットや爆発的に形成された断片により化学的な破壊がもたらされ、標的はさらに効率的に破壊される。 したがって、爆弾は、しばしば、最も効力を発揮する弾の破壊力に応じて爆発に時間遅れを持たせることが可能な起爆装置を有する。

このような起爆装置の一例が、ワトソン他の米国特許No.5,872,324に開示されている。 ３モードの起爆装置は、ブースター散弾を封じ込める構造物として使われる外被を具備し、主弾頭の起爆に用いられる。 硬い標的用の衝撃起爆薬は、起爆装置の前方に置かれ、標的の衝撃により弾頭が物理的に破壊されたときには、機械的に、瞬時に弾頭を起爆する。 ２番目の起爆薬は、外被の中に置かれ、硬化した標的に入り込むための時間遅れをもたらす花火技術を用いたタイマーを装備する。 このタイマーは、弾頭が完全性を保持しているとき、最初の衝撃と持続的な減速により起動する。 ３番目の起爆薬は、瞬時の空間検出起爆装置の能力を有する。 ３番目の起爆薬の動作は、最初の衝撃により始まり、連続的な減速の中断により、時間遅れを持つ起爆薬が作動する。 いったん標的への侵入が始まると、減速率がどのように変化したときも、空間検出器により主弾頭が瞬時に起爆する。

米国特許No.5,872,324では、貫通できない標的にぶつかったとき、及び、硬いが貫通可能な標的に対しては敏感な花火技術を用いた時間遅れにより、爆発を引き起こす。 柔軟な標的に対しては、微小な製造公差で厳密に支持する必要がある機械的装置が、減速を検出するために用いられる。 機械的な起爆ピンをうまく作動できるかどうかは、このピンを起爆薬に突き刺すために軸方向に装着できているかどうかにかかっている。 斜め方向からの強い衝突によりピン収納容器が横からの力を受けた場合、そのエネルギーによりピンが破壊されることがあり、あるいは、起爆薬にピンを貫通させるために十分な中心軸方向の力を生成できないことがある。 これらの部品は、衝突に依存することに加えて、製造の難しさがあり、温度と打ち上げ力により、性能に思わぬ変化が現れることがある。

ミン他の米国特許No.5,255,608では、標的の硬さを砲弾が貫通中にリアルタイムで決定する機構を設けた、高性能の、硬い標的用砲弾が開示されている。 入力信号を、一次センサとして用いられる加速度センサから受け取る。 具体的な長さのデータをオンラインで同時進行的に処理することは、少しの特徴的な状況の変化を抽出するのを容易にする。 この処理装置は、センサからの信号（加速度計からのデータ）を用いて、堅固でリアルタイムの方針決定をもたらす。 これに採用された特徴は、（１）信号の振幅、（２）それらの相違の輪郭、及び（３）突発的な変化への対応である。 この目的は、高速度での貫通物体が、埋もれた価値の高い目的物に行く途中の、コンクリート、鉄、泥、砂、などの様々な層を通り抜けるときに適当なポイントで起爆させるためである。 実時間での方針決定は加速度計からのデータを用いた起爆装置に提供される。

米国特許No.4,799,427は、発射体、特に誘導ミサイルの着火装置を開示する、ここでは、発火時間は、衝突の遅れと発射体の飛行時間の関数として制御可能である。 このことは、標的を構成する材料のタイプにより、例えば硬いか柔軟か、及び、発射体の飛行時間により、調整することが可能であり、標的にぶつかったとき減速した発射体の速度を調整する。

イーツ他の米国特許No.4,375,192は、予め定めた距離、あるいは、弾頭が予め定めた数の空洞を突き通った後、標的を貫通したとき起爆させるようにした起爆装置が開示されている。 その他、不発又は回収モードは、弾頭の解体又は跳飛に基づいている。

上記の特許において、信頼性のない、又は、高価な機構、又は花火技術を用いた手段が起爆装置の引き金として用いられており、あるいは、複雑な手順が発射体の貫通状態を決定するために用いられている。 したがって、硬い標的には衝突の瞬間に、また、柔軟な標的には衝突から時間遅れを持たせて爆発を起こすことができ、製造容易で信頼性の高い、起爆装置の必要性が残っている。 この起爆装置は、硬い標的の破壊に対しては化学エネルギーのターミナルエフェクトと、柔軟な標的を効果的に破壊するために時間遅れを持った反応と結合した発射体に組み込まれる。

したがって、本発明の目的は、瞬時に発射体を爆発することができ、又は、発射体の減速の大きさに基づき時間遅れの後発射体を爆発することができる、信頼度の高い起爆装置を提供することである。

起爆装置は、硬い標的及び柔軟な標的のどちらに衝突する発射体にも有用であることが本発明の特徴である。 加速度計が発射体の減速度を検出するために用いられ、減速度を、発射体を瞬時に爆発させるか、時間遅れのあと爆発させるかを決定する起爆ロジックに交信させることが、他の特徴である。

加速度計とソリッドステートロジックを爆発の決定のために用いることにより、起爆装置を、他の起爆装置より信頼度高く安価にしたことが本発明の利点である。 さらに、発射体のターミナルエフェクトを最大にしたことが本発明の利点である。

本発明によれば、兵器が標的に衝突したときの減速率に応じて電気信号を発生する少なくとも１つのセンサ、電気的出力により柔軟な標的と硬い標的とを識別するために効果的な少なくとも１つのセンサと組み合わされたロジック回路、及びこの兵器を起爆するための爆発を開始させる起爆信号を具備する、兵器に対するマルチモードの起爆装置が提供される。 この起爆信号は標的の識別に対応した時間に伝送される。

本発明に係るマルチモードの起爆装置は、航空力学的に形作られた金属製の外被と、外被内に収納された爆発物と、爆発物と接触している起爆薬とを有する爆発性発射体に組み込むことができる。 このマルチモードの起爆装置は、硬い標的に対しては衝突の瞬間に、柔軟な標的に対しては衝突から時間遅れを伴って、爆発物の爆発を誘起させるために、爆発の開始のために信号のやり取りをおこなう。

２５mmから７６mmの中口径の兵器は、攻撃用車両、水陸両用攻撃用車両、航空機の翼に取り付けたもの、戦艦及び戦車を含む、数多くの既存のあるいは将来の銃砲システムとして用いられている。 標的は、乗用車、トラックを含む軽い装甲車、及び、飛行機、地面に支持された通信基地やレーダー基地のような柔軟な標的かもしれない。 これらの標的は、一般に、航空機においては０．０３９インチ（１mm）のアルミニウムでできており、通信基地やレーダー基地においては０．０３９インチから０．２５０インチ（１．０mmから６．４mm）の鉄でできている。 他の標的は重装甲車や戦車や陣地構築物のような硬い標的である。 これらの標的は一般に硬度が３００BHN（ブリネル硬度数）から３６０BHN（ブリネル硬度数）の０．５インチから１．５インチ（１２．７mmから３８．０mm）の均一圧延装甲（rolled homogeneous armor）（RHA）板（plate）でできている。

BHNは、球状の圧子を、圧力を加えて押し付けることにより表面にできた永久圧痕により測定するもので、下式により計算される：
BHN=２P／πD（（D−（D２−ｄ２）１／２））
ここでPは加えられた圧力ｋｇｆ、Dはボールの直径mm、そしてｄは永久圧痕の直径mmである。

図１は、二重機能起爆装置を装備する先端部を具備する本発明に係る発射体を表した部分断面図である。 発射体１０は、一般に鋼鉄でできていて、外被１２内の爆薬１４が爆発したときに断片となる金属の外被１２を有する。 この断片は、爆風の噴出の形成と共に攻撃物に対するターミナルエフェクトを強化する。 すなわち、以下に説明するように爆発的に断片を形成する。 適切な爆薬１４の１つはプラスティック爆弾（plastic bonded explosive）（PBX）である。

発射体１０の先端部には、機械的スイッチ又は圧電結晶でできた、柔軟なターゲットを検出する素子１６が収納される。 発射体１０が、航空機や地面に支持された装置のような比較的柔軟な非装甲の標的に衝突したとき、先端部１８の変形が、硬い標的にぶつかったときに比べて小さくなる。 本実施の形態において、柔軟な標的による先端部の変形により、柔軟標的検出素子１６の機械的スイッチが作動する。 このスイッチは、発射体が標的の内部に十分入り込むまで発射体１０の反応を遅らせるタイマーをスタートさせる。 適切な遅れ時間は１５０ミリ秒から３００ミリ秒である。

また、柔軟標的検出素子１６には、発射体先端部１８に入り込んだ衝突衝撃波の強さに比例した出力を出す圧電結晶が含まれる。 圧電結晶からの信号波形は起爆装置２０内のロジック回路により解析され、標的内で爆発させるために時間遅れを開始させる。

さらに、柔軟標的検出素子１６内の圧電結晶を、以下に述べるようにより硬い標的を検出するために用いることができる。 このようすれば、発射体の設計が単純になり、発射体先端部１８にある１つの検出用圧電結晶を用いることで信頼性が高くなる。

柔軟標的検出素子１６の後方には、硬い標的検出素子２２が置かれている。 一般に、中口径の弾薬に対して効果的な装甲板又は強化板は、１２．７mmから３８．１mm（０．５インチから１．５インチ）で、３００BHNから３６０BHNの均一圧延装甲板で保護されている。 強い標的抵抗により、発射体先端部１８の変形が増大し、硬い標的検出素子を作動させる。 硬い標的検出素子２２は、先端１８の変形が硬い標的検出素子に到達したとき、起爆装置２０のロジック回路に信号を送る機械的スイッチ又は第二の圧電結晶であっても良い。 または、上述のように、柔軟な標的と衝突したときとは違った波形を生成し、起爆装置のロジックがこの２つの波形を識別するような、単一の圧電結晶を用いてもよい。

加速度を決定するのに適切な圧電素子の１つは、発射体先端部１８に入り込んだ衝突衝撃波の強さに比例した出力を出す、Kinetic Ceramics, Inc.で作られた圧電素子である。 圧電素子からの信号波形は起爆装置のロジックにより解析され、発射体を起爆させ又は時間遅れを開始させる。

硬い標的を破壊する効果的な方法は、プラズマを形成する噴射物又は爆発的に形成された断片のどちらかである噴出物を浸透させることである。 成形炸薬ライナー２４は、銅、チタン、タングステンのような適当なライナー材で形成される。 成形炸薬ライナー２４の凸状表面の後方には爆薬１４が置かれる。 爆発したとき、爆薬は衝撃波を生じさせてライナーを崩壊させ、発射体１０から前方にライナー材で形成されたプラズマ噴射を発射させる。 成形炸薬ライナーと標的との間には、プラズマ噴射物が最大運動量（噴射物の長さと速度の結合）を持つセットオフ距離を持たせる。 硬い標的検出素子２２と成形炸薬ライナー２４との距離「ｄ」は、ライナーが標的からできるだけセットオフ距離近くで崩壊するように設定される。 成形炸薬ライナーについてのさらに詳細な説明は、ファンストン他の米国特許No.6,393,991に記載されている。

硬い標的検出素子２２が信号を発生すると、起爆装置のロジックが、柔軟標的検出素子１６からの信号により残っているどんな時間遅れにも優先して作動し、セットオフ距離の近くで成形炸薬ライナーが崩壊する。

発射体１０の付加的な要素として、早期の爆発や標的を外れたときの発射体の爆発を防止する安全装置２６が含まれる。 発射体１０は起爆装置が作動するまでは安全に装着されなければならない。 発射ノズルから排除した後、安全距離を維持しながら発射体を装備することは、電気的タイマーにより補われた排除用ローターの機械的な動きの複合により達成されるであろう。 一般にセットバックと呼ばれる線形加速度と、一般にスピンロードと呼ばれる半径方向の力について予め設定されたレベルは、二次的な起爆装置増強素子又はブースターと起爆薬を含有する一次的な起爆装置を整合させるために、２つの周囲条件における安全装置と武器としての機能を満足するようにしなければならない。 機械的な安全装置の条件が満たされた後、発射時に開始する電子タイムディレーにより武装距離がさらに拡張される。 ノズルから発射して約０．５秒の飛行の後、起爆装置機能の電気回路が閉じられ、起爆信号を待つこととなる。 発射体が標的に到着するのに必要な時間に誤差に対するマージンを加えた時間以内に信号を受け取らなければ、発射体は爆発可能状態が解除される。

RDX（１，３，５トリニトロ１，３，５トリアザシクロヘキサン（1,3,5-trinitro-1,3,5-triazacyclohexane））のような起爆薬２８は、起爆装置２０から導線を介して受け取った電気信号により爆発する。 起爆薬２８の爆発による衝撃波により爆薬１４が爆発する。

図２は、二重機能起爆装置を装備する底部を具備する本発明の第２の実施形態に係る発射体４０を表した部分断面図である。 この発射体における素子の番号は、先の発射体１０における素子の番号と同様であり、これらの同様の素子は同様の参照番号により特定される。 起爆装置２０と通信し、起爆装置内に含むのが好ましいものは、加速度計４２である。 加速度計は、発射体の減速率を検出し減速率に比例した電気信号を発生する。 加速度計４２は、機械的素子又は圧電素子でよいが、マイクロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）が好ましい。

ＭＥＭＳは、微細加工技術を用いて、共通のシリコン基板上に、機械的素子、センサー、アクチュエーター、及び電子機器を集積させたものである。 電子機器は集積回路（ＩＣ）製造工程の手順（例えば、ＣＭＯＳ、バイポーラ、又はＢＩＣＭＯＳ製造工程）によって製造されるのであるが、マイクロメカニカル部品は、シリコンウエハから選択的に部品を除去すること又は、機械的及び電子機械的装置を形成させるために新たな構造の層を加えることを、両立できる「超微小機械」工程により製造される。 ＭＥＭＳ加速度メータは一般に非常に小さく、より機能的で、軽く、より信頼性があり、そして従来の大規模な加速度計素子より安い価格で売られている。

ＭＥＭＳ加速度計は、底部に装備した起爆装置に関連して開示したが、ＭＥＭＳ加速度計を、同様に先端部に装備した起爆装置に用いてもよい。

図３は、柔軟な標的（参照ライン５２）又は硬い標的（参照ライン５４）に衝突した後又は、衝突しなかった場合（参照ライン５０）の減速率を図示したものである。 通常の飛行において、発射体の速度は、重力や流体抵抗のような変数に応じて（速度の平方根の関数で）比較的滑らかに加速している。 飛行が最初の閾値となる時間を超えると（参照点５６）、発射体は爆発可能状態になる。 もし飛行が、速度の急激な減少を伴わずに、２番目の閾値となる時間を超えると（参照点５８）、失敗と決定され発射体の爆発可能状態が解除される。

発射体が柔軟な標的に当たったときは、時間間隔Δｔにおける加速度の変化率Δａの計算により、Δａの最初の値が算出される。 発射体が硬い標的に当たったときは、Δａは大幅に大きくなる。 簡単な実施の形態における起爆装置のロジックの演算手順は、以下のとおりとすることができる。

もし｜Δａ｜≧ｘ なら ｙ＝０
もし｜Δａ｜＜ｘ なら ｙ＝１５０マイクロ秒 ここでａは、発射体の加速度である。

ｘは、硬い標的と柔軟な標的とを区別するために、予め定めた閾値となる大きさである。 ｘは、標的に当たったことを示す最小値より大きくなければならない。 そして、
ｙは、時間遅れである。

最大衝突速度が３０００フィート毎秒（９１４．４メートル毎秒）であることを考慮して、発射体内の検出素子が破壊する前に正しいロジック機能を確実なものにするために、１マイクロ秒のサンプリングレートが適当である。

起爆装置のロジックは、図４を参照すると、よく理解できる。 起爆装置のロジックは、オハイオ州シンシナティのKDI Precision Products, Inc製のマイクロプロセッサのような予めプログラムされたマイクロプロセッサを利用してもよい。 このマイクロプロセッサは、Miltec SA製のもののような、セットバックジェネレータにより提供される電気エネルギーにより電力が供給される。 キャパシタに蓄えられた電気エネルギーが、時間遅れを持たせるのか又は瞬時とするのかの決定を行うために起爆装置における閾値を決める。 蓄電キャパシタを含むマイクロプロセッサは、スピンや加速により影響を受けなくするために、ポリマーによりモールドされたカプセルに包み込まれる。

加速度計４２は、起爆装置のロジック６０と電気的につながれている。 加速度計４２は、比例信号６２を起爆装置のロジックに伝送することができる。 起爆装置のロジック６０は、比例信号６２を受け取り、大きさ６４と比較して、どちらか一方、すなわち（１）もし信号６２が大きさ６４と同じかより大きければ、爆薬を瞬時に起爆するための信号６６、（２）信号４が大きさ６４を下回れば、時間遅れ７０の後の信号６８、のどちらか一方を伝送する。

中口径の発射体は、ＮＡＴＯ基準で、７５度までの傾きでの衝突で柔軟な標的を破壊する。 これらの傾きにおいて、加速度の軸方向成分は起爆装置の引き金として適当であろう。 硬い標的又は大きな傾きに対しては、しかしながら三軸の検出素子がもし軸方向成分が非常に小さい場合は機能を確実にするために有効であろう。

単一の圧電結晶を用いて標的のタイプを決定し起爆装置のロジックに情報を提供する物について、以下の実施例に示す。

実施例 カリフォルニア州のHaywardのKinetic Ceramics, Inc.から入手した圧電結晶は、定格０．３７ｍＶ／ｇの感度を持ち、模擬発射体の中に組み込まれた。 重力加速度を変えて衝撃加速度を模擬するために高さを変えて重りを発射体の先端に落とした。 １，０００ｇから１０，０００ｇの衝撃加速度は柔軟な標的への衝突を模擬すると考えられ、２０，０００ｇを越える衝撃加速度は硬い標的への衝突を模擬すると考えられた。 これらの模擬衝撃により圧電結晶に発生した電圧が記録された。 図５に示すように、標的のタイプは出力電圧から容易に決定された。 約３ボルト以下の出力は、柔らかい標的に対応し、約４．４ボルト以上は硬い標的に対応していた。 電圧の計測値には±１７％の一般的な誤差があった。

本発明に基づいて、以上に開示した目的、特徴、及び利点を十分に満足する起爆装置が提供されたのは明らかである。 本発明の具体的な実施の形態に基づき開示されたが、本発明に対して多くの代案、変更、変形が可能であり、これらの変更や変形は特許請求の範囲に包含される。

上記に説明した対象、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明と図面によりさらに明らかになるであろう。

二重機能起爆装置を装備する先端部を具備する本発明に係る発射体を表した部分断面図である。

二重機能起爆装置を装備する底部を具備する本発明に係る発射体を表した部分断面図である。

柔軟な標的又は硬い標的に衝突した後の減速率を図示したものである。

起爆ロジックの適用についてブロック図で示したものである。

衝突の加速度と圧電結晶の電圧出力との関係を図示したものである。