彈藥安全性能評(píng)價(jià)模型研究

董三強(qiáng)，馮順山，金俊

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081;2.第二炮兵工程學(xué)院 核工程系，陜西 西安710025;3.裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)電工程系，北京100072)

彈藥安全一直是世界各國(guó)普遍關(guān)注的問(wèn)題?？v觀彈藥的發(fā)展歷史，由于安全性設(shè)計(jì)方面的缺陷，以及管理和使用方面的不足，彈藥爆炸事故頻繁發(fā)生，造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。文獻(xiàn)［1］提出安全性彈藥的概念，要求在彈藥中引入安全性設(shè)計(jì)來(lái)保證彈藥在其壽命周期中各個(gè)環(huán)節(jié)的安全性。安全性彈藥概念的提出順應(yīng)了社會(huì)的發(fā)展和人類文明的進(jìn)步對(duì)彈藥安全的新的要求，代表了彈藥的未來(lái)發(fā)展方向。

彈藥安全評(píng)價(jià)是安全性彈藥安全設(shè)計(jì)中的必要環(huán)節(jié)。目前彈藥或危險(xiǎn)性物質(zhì)安全評(píng)估模型綜合考慮人員、管理、彈藥以及環(huán)境等多方面的因素，分析比較簡(jiǎn)單，甚至是基于對(duì)諸多重要安全因素的模糊評(píng)價(jià)，不能準(zhǔn)確反映彈藥固有的安全能力［2-6］。本文依據(jù)彈藥相對(duì)其壽命過(guò)程可能遭受到的主要環(huán)境刺激因素的安全水平提出彈藥的安全判據(jù)，建立彈藥安全性能評(píng)價(jià)模型?；谠撃Ｐ蛯?duì)某鈍感彈藥的安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 彈藥的安全判據(jù)

安全與危險(xiǎn)總是相互依存的。彈藥一般都含有各種各樣的含能材料，危險(xiǎn)性是其本身所固有的特性，且彈藥終歸是為了完成某項(xiàng)作戰(zhàn)任務(wù)，在執(zhí)行完使命之前會(huì)一直存在于其壽命過(guò)程的某個(gè)環(huán)節(jié)中，因此彈藥的安全具有相對(duì)性，與彈藥固有的危險(xiǎn)性因素(如引信、爆炸序列以及主裝藥等)對(duì)環(huán)境刺激因素的感度有關(guān)。通過(guò)定義彈藥相對(duì)于其壽命過(guò)程可能遭受到的主要環(huán)境刺激因素的安全水平來(lái)評(píng)價(jià)彈藥的安全性能。

設(shè)彈藥在其壽命過(guò)程中可能遇到n 類環(huán)境刺激因素，以集合的形式表示為

式中:Xi(i=1，2，…，n)表示第i 個(gè)環(huán)境刺激因素。

每一類環(huán)境刺激因素可以用一組特性參數(shù)來(lái)表征

式中:xij(j =1，2，…，mi)表示刺激因素Xi的第j 個(gè)特性參數(shù)。如破片={破片速度，破片質(zhì)量，破片形狀因子}，沖擊波={ 沖擊波壓力，沖擊波持續(xù)時(shí)間}。

對(duì)于任意一類環(huán)境刺激因素Xi，以其某一水平(其特性參數(shù)分別取值)作為彈藥相對(duì)于該刺激因素的安全標(biāo)準(zhǔn)，稱為臨界安全水平，記為Xc-i.

規(guī)定: 當(dāng)彈藥在所有低于該水平的環(huán)境刺激因素Xi的作用下均不發(fā)生危險(xiǎn)響應(yīng)時(shí)，是相對(duì)安全的，否則是相對(duì)不安全的。

分別規(guī)定集U 中所有環(huán)境刺激因素的臨界水平，得到彈藥的臨界安全水平

式中:Xc-i(i=1，2，…，n)為第i 類環(huán)境刺激因素的臨界安全水平。

對(duì)于給定彈藥，以U*表示其在集U 中所有刺激因素作用下的最高安全水平

式中:X*i(i=1，2，…，n)表示該彈藥在第i 類環(huán)境刺激因素的作用下的最高安全水平。

則依據(jù)安全性彈藥的安全理念，彈藥的相對(duì)安全的判據(jù)可表示為，對(duì)于任意?U*，滿足

則稱(5)式中滿足U*=Uc的彈藥為臨界安全彈藥。

如果存在X*i?U*，使

則稱彈藥為低安全彈藥或不安全彈藥。

2 彈藥安全性能評(píng)價(jià)模型的建立

2.1 基本約定

以變量a 表示彈藥的安全性能，即安全度值，并提出以下約定:

1)a 在(0，1)間取值。

2)以a =0.5 表示彈藥的臨界安全水平; a≥0.5 則認(rèn)為彈藥是相對(duì)安全的，且a 越大彈藥的相對(duì)安全性能越好;a＜0.5 則認(rèn)為彈藥為低安全或不安全彈藥，且a 越小彈藥越不安全。

2.2 彈藥安全性評(píng)價(jià)模型

仍以集合U 表示彈藥在其壽命過(guò)程中所主要遭受的環(huán)境刺激因素，以集合Uc作為彈藥的安全判據(jù)，以集合U*表示給定彈藥的安全水平。

由于不同環(huán)境刺激因素之間以及同一環(huán)境刺激因素的不同特性參數(shù)之間一般不具有可比性，為了便于比較和計(jì)算，引入轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的安全度形式

式中:a*ij為第i 類環(huán)境刺激因素中第j 個(gè)特性參數(shù)的安全度表示形式;和xc-ij分別為U*和Uc中第i類環(huán)境刺激因素中第j 個(gè)特性參數(shù)的取值; kij為轉(zhuǎn)換因子。

(7)式中，當(dāng)表示彈藥在環(huán)境刺激因素Xi作用下的安全性能的特性參數(shù)的值隨著彈藥的安全性能的提高而增大時(shí)，取“+”;反之取“-”.

經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，可以得到反映彈藥相對(duì)于刺激因素Xi的實(shí)際安全水平的安全度集合

記彈藥相對(duì)于環(huán)境刺激因素Xi的安全度為.通過(guò)下面的方法評(píng)價(jià)彈藥相對(duì)于環(huán)境刺激因素Xi的安全性。

如果存在a*ij∈A*i，使a*ij＜0.5，則稱彈藥在環(huán)境刺激因素Xi的作用下是低安全的或不安全的，不能通過(guò)加權(quán)平均或算術(shù)平均的方法來(lái)計(jì)算，否則可能丟失彈藥最重要的安全信息。本文以最大安全原則處理此類情況，

由(9)式和(10)式可以確定彈藥相對(duì)于不同環(huán)境刺激因素的安全度集合

以集合W 表示環(huán)境刺激因素U 的權(quán)重集

式中:wi(i =1，2，…，n)為集合U 中元素Xi的權(quán)重值，表示不同環(huán)境刺激因素對(duì)彈藥整體安全性能的影響程度，且有

通過(guò)下面的方法計(jì)算彈藥的安全度。

如果任意a*i∈A*，滿足a*i≥0.5，則稱彈藥為相對(duì)安全彈藥，通過(guò)加權(quán)平均的方法計(jì)算彈藥的安全度值

如果存在a*i∈A*，使a*i＜0.5，則稱該彈藥為低安全或不安全彈藥，不能通過(guò)加權(quán)平均的方法計(jì)算彈藥的安全度，否則可能丟失彈藥最重要的安全信息。本文采用下式計(jì)算彈藥的安全度

式中:m 為使彈藥未能達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境刺激因素的個(gè)數(shù);和(j =1，2，…，m)分別為彈藥相對(duì)于某類環(huán)境刺激未能達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的相應(yīng)安全度值和權(quán)重值。

2.3 彈藥的安全等級(jí)劃分

依據(jù)(13)式和(14)式計(jì)算得到的彈藥安全度值，可以將彈藥劃分為如表1所示的5 個(gè)安全等級(jí)和3 個(gè)不安全等級(jí)。

依據(jù)彈藥的安全度值而劃分的彈藥安全等級(jí)是一個(gè)相對(duì)安全的概念，參考標(biāo)準(zhǔn)是彈藥的安全判據(jù)。因此，集合U 中環(huán)境刺激因素的選擇要建立在對(duì)彈藥的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)之上，確保影響彈藥安全的主要環(huán)境刺激因素不被遺漏。其次，集合U 中環(huán)境刺激因素的臨界水平的確定需要切實(shí)反映環(huán)境刺激因素的現(xiàn)實(shí)威脅水平，同時(shí)還要考慮當(dāng)前彈藥安全設(shè)計(jì)的技術(shù)水平，既不能定的太高，而限制彈藥的有效生產(chǎn)及使用，又不能定的太低，降低彈藥的安全等級(jí)而失去安全性彈藥的意義。

表1 彈藥安全等級(jí)劃分Tab.1 Safety ranks of assessed ammunitions

3 算例

基于本文建立的彈藥安全性能評(píng)價(jià)模型計(jì)算了美國(guó)空軍研制的改Mk-82 鈍感常規(guī)炸彈的安全性能。改Mk-82 鈍感炸彈是美國(guó)空軍Wight 實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)90年代在Mk-82 的基礎(chǔ)上通過(guò)應(yīng)用鈍感主裝藥及改裝引信而開(kāi)發(fā)的［7］。冷戰(zhàn)期間，受到只具有HD1.1 資格的彈藥的Q/D 的嚴(yán)格限制，大大削減了美國(guó)空軍對(duì)歐洲戰(zhàn)區(qū)的彈藥配備及運(yùn)輸能力。因此，美國(guó)空軍啟動(dòng)了該項(xiàng)研究，旨在通過(guò)鈍感改進(jìn)，提高彈藥的安全等級(jí)，使其整彈達(dá)到HD1.2的標(biāo)準(zhǔn)，未裝引信時(shí)達(dá)到HD1.6 的標(biāo)準(zhǔn)。

模型中分析了彈藥相對(duì)于撞擊、沖擊波、子彈沖擊、慢速烤燃和快速烤燃5 種不同環(huán)境刺激因素的安全性能。彈藥的安全判據(jù)中，特性參數(shù)的設(shè)定及相關(guān)測(cè)試方法如表2所示，特性參數(shù)的臨界取值參考HD1.6 的安全標(biāo)準(zhǔn)給出［8-9］，如表3所示。

計(jì)算過(guò)程及最終取值如表3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該鈍感彈藥的安全度值為0.65，屬于比較安全彈藥。考慮到當(dāng)前較為突出的彈藥終點(diǎn)未爆安全問(wèn)題，結(jié)合在相關(guān)研究中提出的自失效彈藥的概念［1］進(jìn)一步分析了彈藥終點(diǎn)未爆時(shí)引入自失效設(shè)計(jì)對(duì)改Mk-82 安全性能的影響。

以彈藥終點(diǎn)未爆時(shí)的自失效性能作為評(píng)價(jià)彈藥安全性能的因素之一引入到前面所建立的彈藥安全性能評(píng)價(jià)模型中，以彈藥自失效模式(即引信自失效、爆炸序列自失效和主裝藥自失效)和自失效時(shí)間(即彈藥按照預(yù)定自失效模式失去規(guī)定效能的時(shí)間t*)作為評(píng)價(jià)彈藥終點(diǎn)未爆安全性能的特性參數(shù)。取彈藥終點(diǎn)未爆時(shí)規(guī)定的自失效時(shí)間(τd-c)為5 d，計(jì)算了不同自失效模式下彈藥終點(diǎn)未爆時(shí)的安全性能如圖1(a)所示，以及考慮了彈藥終點(diǎn)未爆自失效設(shè)計(jì)的改Mk-82 鈍感常規(guī)炸彈的整體安全性能，如圖1(b)所示。

表2 改Mk-82 彈藥的安全判據(jù)Tab.2 Safety criteria for modified Mk-82

表3 改Mk-82 安全評(píng)價(jià)結(jié)果(a=0.65)Tab.3 Safety evaluation results for modified Mk-82 (a=0.65)

圖1 彈藥終點(diǎn)未爆自失效設(shè)計(jì)對(duì)彈藥安全性能的影響Fig.1 Effect of terminal self-failing design for UXO on ammunition safety

結(jié)果顯示，當(dāng)彈藥終點(diǎn)未爆時(shí)，在引信自失效、裝藥自失效和爆炸序列自失效3 種不同的自失效模式下的彈藥終點(diǎn)未爆安全度值最高分別為0.546(一般安全彈藥)、0.598(一般安全彈藥)和0.701(比較安全彈藥)?？紤]終點(diǎn)自失效設(shè)計(jì)時(shí)，改Mk-82 鈍感常規(guī)炸彈在3 種不同自失效模式下的安全度值分別達(dá)到0.687(比較安全彈藥)、0.695(比較安全彈藥)和0.711(安全彈藥)。由此得出結(jié)論，引入彈藥終點(diǎn)未爆自失效設(shè)計(jì)可以顯著提高彈藥的綜合安全水平，且爆炸序列自失效設(shè)計(jì)對(duì)彈藥的安全性能的貢獻(xiàn)最大，引信自失效設(shè)計(jì)對(duì)彈藥的整體安全性能影響最小。

4 結(jié)論

1)根據(jù)彈藥相對(duì)其壽命過(guò)程中可能遭受的主要環(huán)境刺激因素的安全水平提出了彈藥的安全判據(jù)，引入安全度參數(shù)，建立了彈藥安全性能評(píng)價(jià)的理論模型。依據(jù)彈藥的安全度值劃分了彈藥的安全等級(jí)。

2)基于該評(píng)價(jià)模型計(jì)算了改Mk-82 鈍感常規(guī)炸彈的安全性能，分析了彈藥終點(diǎn)未爆時(shí)自失效設(shè)計(jì)對(duì)彈藥整體安全性能的影響。結(jié)果顯示，終點(diǎn)未爆自失效設(shè)計(jì)能明顯提高彈藥的安全水平。此模型較好地反映了彈藥固有的安全性能，可以為彈藥安全性設(shè)計(jì)及安全性能評(píng)價(jià)提供理論指導(dǎo)。

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