彈藥安全性能評價模型研究

董三強，馮順山，金俊

(1.北京理工大學 爆炸科學技術國家重點實驗室，北京100081;2.第二炮兵工程學院 核工程系，陜西 西安710025;3.裝甲兵工程學院 機電工程系，北京100072)

彈藥安全一直是世界各國普遍關注的問題。縱觀彈藥的發展歷史，由于安全性設計方面的缺陷，以及管理和使用方面的不足，彈藥爆炸事故頻繁發生，造成重大的人員傷亡和財產損失。文獻［1］提出安全性彈藥的概念，要求在彈藥中引入安全性設計來保證彈藥在其壽命周期中各個環節的安全性。安全性彈藥概念的提出順應了社會的發展和人類文明的進步對彈藥安全的新的要求，代表了彈藥的未來發展方向。

彈藥安全評價是安全性彈藥安全設計中的必要環節。目前彈藥或危險性物質安全評估模型綜合考慮人員、管理、彈藥以及環境等多方面的因素，分析比較簡單，甚至是基于對諸多重要安全因素的模糊評價，不能準確反映彈藥固有的安全能力［2-6］。本文依據彈藥相對其壽命過程可能遭受到的主要環境刺激因素的安全水平提出彈藥的安全判據，建立彈藥安全性能評價模型。基于該模型對某鈍感彈藥的安全性能進行評價。

1 彈藥的安全判據

安全與危險總是相互依存的。彈藥一般都含有各種各樣的含能材料，危險性是其本身所固有的特性，且彈藥終歸是為了完成某項作戰任務，在執行完使命之前會一直存在于其壽命過程的某個環節中，因此彈藥的安全具有相對性，與彈藥固有的危險性因素(如引信、爆炸序列以及主裝藥等)對環境刺激因素的感度有關。通過定義彈藥相對于其壽命過程可能遭受到的主要環境刺激因素的安全水平來評價彈藥的安全性能。

設彈藥在其壽命過程中可能遇到n 類環境刺激因素，以集合的形式表示為

式中:Xi(i=1，2，…，n)表示第i 個環境刺激因素。

每一類環境刺激因素可以用一組特性參數來表征

式中:xij(j =1，2，…，mi)表示刺激因素Xi的第j 個特性參數。如破片={破片速度，破片質量，破片形狀因子}，沖擊波={ 沖擊波壓力，沖擊波持續時間}。

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

規定: 當彈藥在所有低于該水平的環境刺激因素Xi的作用下均不發生危險響應時，是相對安全的，否則是相對不安全的。

分別規定集U 中所有環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 類環境刺激因素的臨界安全水平。

對于給定彈藥，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 類環境刺激因素的作用下的最高安全水平。

則依據安全性彈藥的安全理念，彈藥的相對安全的判據可表示為，對于任意?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 彈藥安全性能評價模型的建立

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 則認為彈藥是相對安全的，且a 越大彈藥的相對安全性能越好;a＜0.5 則認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 彈藥安全性評價模型

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

由于不同環境刺激因素之間以及同一環境刺激因素的不同特性參數之間一般不具有可比性，為了便于比較和計算，引入轉換關系轉換為統一的安全度形式

式中:a*ij為第i 類環境刺激因素中第j 個特性參數的安全度表示形式;和xc-ij分別為U*和Uc中第i類環境刺激因素中第j 個特性參數的取值; kij為轉換因子。

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

經過轉換，可以得到反映彈藥相對于刺激因素Xi的實際安全水平的安全度集合

記彈藥相對于環境刺激因素Xi的安全度為.通過下面的方法評價彈藥相對于環境刺激因素Xi的安全性。

如果存在a*ij∈A*i，使a*ij＜0.5，則稱彈藥在環境刺激因素Xi的作用下是低安全的或不安全的，不能通過加權平均或算術平均的方法來計算，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于不同環境刺激因素的安全度集合

以集合W 表示環境刺激因素U 的權重集

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

通過下面的方法計算彈藥的安全度。

如果任意a*i∈A*，滿足a*i≥0.5，則稱彈藥為相對安全彈藥，通過加權平均的方法計算彈藥的安全度值

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，不能通過加權平均的方法計算彈藥的安全度，否則可能丟失彈藥最重要的安全信息。本文采用下式計算彈藥的安全度

式中:m 為使彈藥未能達到安全標準的環境刺激因素的個數;和(j =1，2，…，m)分別為彈藥相對于某類環境刺激未能達到安全標準時的相應安全度值和權重值。

2.3 彈藥的安全等級劃分

依據(13)式和(14)式計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 個安全等級和3 個不安全等級。

依據彈藥的安全度值而劃分的彈藥安全等級是一個相對安全的概念，參考標準是彈藥的安全判據。因此，集合U 中環境刺激因素的選擇要建立在對彈藥的安全風險進行充分分析的基礎之上，確保影響彈藥安全的主要環境刺激因素不被遺漏。其次，集合U 中環境刺激因素的臨界水平的確定需要切實反映環境刺激因素的現實威脅水平，同時還要考慮當前彈藥安全設計的技術水平，既不能定的太高，而限制彈藥的有效生產及使用，又不能定的太低，降低彈藥的安全等級而失去安全性彈藥的意義。

表1 彈藥安全等級劃分Tab.1 Safety ranks of assessed ammunitions

3 算例

基于本文建立的彈藥安全性能評價模型計算了美國空軍研制的改Mk-82 鈍感常規炸彈的安全性能。改Mk-82 鈍感炸彈是美國空軍Wight 實驗室于20世紀90年代在Mk-82 的基礎上通過應用鈍感主裝藥及改裝引信而開發的［7］。冷戰期間，受到只具有HD1.1 資格的彈藥的Q/D 的嚴格限制，大大削減了美國空軍對歐洲戰區的彈藥配備及運輸能力。因此，美國空軍啟動了該項研究，旨在通過鈍感改進，提高彈藥的安全等級，使其整彈達到HD1.2的標準，未裝引信時達到HD1.6 的標準。

模型中分析了彈藥相對于撞擊、沖擊波、子彈沖擊、慢速烤燃和快速烤燃5 種不同環境刺激因素的安全性能。彈藥的安全判據中，特性參數的設定及相關測試方法如表2所示，特性參數的臨界取值參考HD1.6 的安全標準給出［8-9］，如表3所示。

計算過程及最終取值如表3所示。根據計算結果，該鈍感彈藥的安全度值為0.65，屬于比較安全彈藥。考慮到當前較為突出的彈藥終點未爆安全問題，結合在相關研究中提出的自失效彈藥的概念［1］進一步分析了彈藥終點未爆時引入自失效設計對改Mk-82 安全性能的影響。

以彈藥終點未爆時的自失效性能作為評價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價模型中，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)和自失效時間(即彈藥按照預定自失效模式失去規定效能的時間t*)作為評價彈藥終點未爆安全性能的特性參數。取彈藥終點未爆時規定的自失效時間(τd-c)為5 d，計算了不同自失效模式下彈藥終點未爆時的安全性能如圖1(a)所示，以及考慮了彈藥終點未爆自失效設計的改Mk-82 鈍感常規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Tab.2 Safety criteria for modified Mk-82

表3 改Mk-82 安全評價結果(a=0.65)Tab.3 Safety evaluation results for modified Mk-82 (a=0.65)

圖1 彈藥終點未爆自失效設計對彈藥安全性能的影響Fig.1 Effect of terminal self-failing design for UXO on ammunition safety

結果顯示，當彈藥終點未爆時，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]終點自失效設計時，改Mk-82 鈍感常規炸彈在3 種不同自失效模式下的安全度值分別達到0.687(比較安全彈藥)、0.695(比較安全彈藥)和0.711(安全彈藥)。由此得出結論，引入彈藥終點未爆自失效設計可以顯著提高彈藥的綜合安全水平，且爆炸序列自失效設計對彈藥的安全性能的貢獻最大，引信自失效設計對彈藥的整體安全性能影響最小。

4 結論

1)根據彈藥相對其壽命過程中可能遭受的主要環境刺激因素的安全水平提出了彈藥的安全判據，引入安全度參數，建立了彈藥安全性能評價的理論模型。依據彈藥的安全度值劃分了彈藥的安全等級。

2)基于該評價模型計算了改Mk-82 鈍感常規炸彈的安全性能，分析了彈藥終點未爆時自失效設計對彈藥整體安全性能的影響。結果顯示，終點未爆自失效設計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計及安全性能評價提供理論指導。

References)

［1］董三強.彈藥安全理論及相關應用研究［D］.北京:北京理工大學，2008.DONG San-qiang.Research on safety theory and related application of ammunitions［D］.Beijing:Beijing Institute of Technology，2008.(in Chinese)

［2］宣兆龍.野戰彈藥環境安全的灰色模糊綜合評判［J］.裝備環境工程，2006，3(1): 56 -59.XUAN Zhao-long.Fuzzy-grey comprehensive evaluation to environmental safety of field ammunition［J］.Equipment Environmental Engineering，2006，3(1): 56 - 59.

［3］劉小春，黃嵩.基于模糊數學的民爆器材料庫房安全綜合評價模型及應用［J］.中國安全科學學報，2007，17(7): 102 -105.LIU Xiao-chun，HUANG Song.Comprehensive safety assessment model for civil blasting material storeroom based on fuzzy mathematics and its application［J］.China Safety Science Journal，2007，17(7):102 -105.

［4］宣兆龍，易建政，吳建華.灰色模糊理論在彈藥安全管理系統評價中的應用［J］.軍械工程學院學報，2005，17(2): 4 -6.XUAN Zhao-long，YI Jian-zheng，WU Jian-hua.Application of fuzzy-grey theory in security assessment of system managing ammunition［J］.Journal of Ordnance Engineering College，2005，17(2): 4 -6.

［5］劉鐵民，張興凱，劉功智.安全評價方法應用指南［M］.北京: 化學工業出版社，2005: 227 -293.LIU Tie-ming，ZHANG Xing-kai，LIU Gong-zhi.Application guides of safety assessment methods［M］.Beijing: Chemical Industry Press，2005: 227 -293.(in Chinese)

［6］羅云，樊運曉，馬曉春.風險分析與安全評價［M］.北京: 化學工業出版社，2004:176 -178.LUO Yun，PAN Yun-xiao，MA Xiao-chun.Risk analysis and safety assessment［M］.Beijing: Chemical Industry Press，2004:176 -178.(in Chinese)

［7］Corley J D.Fuzed insensitive general purpose bomb containing AFX-645［R］.WL-TR-95-7019，Florida: Eglin Air Force Base，1995.

［8］DOD4145.26-M，DOD contractors' safety manual for ammunition and explosives［S］.Washington: DOD，1997.

［9］TB 700-2，DOD Ammunition and explosives hazard classification procedures［S］.Washington: DOD，1998.