彈藥公路運輸極端沖擊環(huán)境綜述

王光宇，王雨時，聞 泉，張志彪

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 南京 210094)

1 引言

目前在我國，公路運輸仍然在彈藥(包括引信)運輸過程中扮演著重要角色。而運輸過程中極端情況下車輛發(fā)生的碰撞和翻車等事故，甚至因惡劣路況產(chǎn)生的顛簸振動，都有可能對彈藥中的引信造成重大影響，造成引信保險機構(gòu)意外解除保險，形成重大安全隱患，特別是低發(fā)射過載引信，如導(dǎo)彈引信、巡飛彈引信和火箭彈引信等。

某巡飛彈引信安全和解除保險機構(gòu)的設(shè)計解除保險條件為：持續(xù)時間為90 ms的6恒定過載下能可靠解除保險。某航空火箭彈機電觸發(fā)引信后坐保險機構(gòu)采用了曲折槽機構(gòu)。該機構(gòu)在75發(fā)射過載下到達(dá)解除保險行程所需總時間為72.469 ms。運輸過程中出現(xiàn)的極端情況和顛簸有可能使這些低發(fā)射過載引信達(dá)到解除保險條件。

彈藥和引信行業(yè)一直以惡劣路況產(chǎn)生的極端振動環(huán)境作為其安全性設(shè)計和考核的極端條件，并設(shè)計了專門的振動試驗和震動環(huán)境(GJB 573A等)，但從未考慮碰撞和翻車等意外環(huán)境。按照不敏感彈藥和不敏感引信設(shè)計原則，彈藥和引信在這樣的極端環(huán)境下，也應(yīng)盡可能降低危害，例如不會發(fā)生意外爆炸。因此，有必要關(guān)注其引信與解除保險環(huán)境有關(guān)的極端沖擊環(huán)境，以增進對彈藥及引信運輸安全的理解。

2 運輸過程中因顛簸所產(chǎn)生的車身振動環(huán)境

李金明等對典型彈藥系統(tǒng)在公路運輸過程中的振動特性進行了較為詳細(xì)的理論和試驗研究，得到了許多有價值的成果，例如為彈藥公路運輸過程中的振動建立了振動力學(xué)模型，通過試驗研究了包裝箱內(nèi)彈藥的振動特性。

根據(jù)文獻[5-6，9]，卡車以8.3 m/s(合30 km/h)速度相撞引起的沖擊過載可達(dá)300～500；卡車以車速30 km/h碾過地面5 cm高的磚塊，引起的沖擊過載可達(dá)17；以40 km/h車速行駛的卡車，剎車時產(chǎn)生的前沖過載約為0.6～0.7，在惡劣路面上下顛簸沖擊過載可達(dá)10。當(dāng)包裝箱在卡車內(nèi)不固定時，行進過程中同其它包裝箱或車體相撞所產(chǎn)生的慣性過載可達(dá)到300；當(dāng)卡車以80 km/h的速度在柏油路上越過2 cm突起物時沖擊過載可達(dá)到3以上?？ㄜ囋诠?、土路及惡劣路面上運輸時，其最大峰值過載分別達(dá)10.2、30.6、102.2，相應(yīng)的鋸齒波持續(xù)時間分別達(dá)10～11 ms、6～9 ms、3～5 ms。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)行駛速度在30～50 km/h且車輛的振動頻率在100～400 Hz 時產(chǎn)生的過載頻譜值較大；車輛剛開始行駛且振動處于20 Hz以下的較低頻率時產(chǎn)生的加速度頻譜值較大，而振動頻率在50～100 Hz的范圍內(nèi)產(chǎn)生的加速度頻譜值較小，如表1所示。由車輛振動力學(xué)模型計算得到的不同速度下不同等級路面導(dǎo)致的XX型運輸車(額定載質(zhì)量為6 t)裝載彈藥箱振動響應(yīng)加速度值如表2所示。解放雙軸卡車空載時在不同路面產(chǎn)生振動的測試記錄如表3所示。卡車行駛過程中產(chǎn)生的隨機振動垂直加速度遠(yuǎn)大于橫向和縱向加速度，垂直方向上的振動是運輸車輛最惡劣的振動。從上述研究可以看出，卡車行駛過程(包括意外情況下)中產(chǎn)生的過載幅值及持續(xù)時間包含了低發(fā)射過載引信解除保險所需的某些條件(如過載峰值)，從而對低發(fā)射過載彈藥的運輸安全形成了嚴(yán)重威脅。

表1 卡車在不同路面行駛隨機振動特征測試值

表2 由車輛振動力學(xué)模型計算得到的不同速度 不同等級路面下XX型運輸車裝載彈藥箱 響應(yīng)加速度(m/s2)Table 2 Acceleration of caisson loaded by the XX type truck under various velocities and road conditions calculated by a vehicle mechanical vibrations model(m/s2)

表3 解放雙軸卡車空載振動測試結(jié)果

為了減少彈藥公路運輸時的安全隱患，只能采取降低運輸速度、增大車隊中車輛間距的方法。例如，將一般道路上的運輸車輛速度控制在35 km/h以內(nèi)，將高速公路上的運輸車輛速度控制在50 km/h以內(nèi)。在車況較差的道路上運輸彈藥時，更是減速慢行；車隊行駛時，車與車之間距離不得小于50 m；運輸退役、報廢軍用爆炸物品時適當(dāng)拉大車距，同時卡車行駛速度不得超過25 km/h。這樣的措施毫無疑問有助于減少事故隱患，但同時也極大地降低了運輸效率，在戰(zhàn)爭期間更有可能造成貽誤戰(zhàn)機的嚴(yán)重后果。

發(fā)達(dá)國家對彈藥公路運輸過程中的安全性問題研究較早。例如，美軍早在20世紀(jì)70年代頒布的軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-331A中就制定了針對引信的機械沖擊和運輸振動試驗標(biāo)準(zhǔn)，并在此后不斷對其進行修訂。2017年頒布的最新版美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-331D中針對引信在運輸過程中可能遭遇的振動環(huán)境制定了詳細(xì)的試驗標(biāo)準(zhǔn)，如隨機振動試驗(模擬商用車輛、軍用車輛、噴氣式飛機、渦輪螺旋槳飛機和貨船運輸環(huán)境)、共振試驗等。Frydman等制定了一種適用于M732引信的運輸振動等效試驗方法。Hartman等針對30 mm榴彈進行了高速公路和鐵路彈藥運輸試驗，并對運輸振動載荷環(huán)境進行了監(jiān)測。Lee等依據(jù)ITOP 1-1-050《實驗室振動試驗方案制定》針對XM982精確制導(dǎo)炮彈的運輸振動環(huán)境建立了相應(yīng)的有限元模型，對由振動引起的角位移、扭矩等進行了有限元仿真分析。

我國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 573A《引信環(huán)境與性能試驗方法》等效采用美軍標(biāo)MIL-STD-331B，針對引信在運輸過程中可能遇到的沖擊、振動環(huán)境也制定了詳細(xì)的試驗方法。例如在GJB 573A—1998中，采用震動試驗機模擬引信在地面運輸條件下的安全性。試驗機的震動參數(shù)為：脈沖形狀為1/2正弦波，沖擊加速度為230±34.5，持續(xù)時間為2.0±0.2 ms，脈沖速率為35±5次/min，震動次數(shù)為1 750±10次。可以看到，震動試驗中采用的沖擊加速度(230±34.5)要低于公路運輸過程中可能出現(xiàn)的最極端情況下的加速度值(300～500)，且震動試驗中加速度的持續(xù)時間(2.0±0.2)ms也低于測試中得到的公路運輸震動鋸齒波持續(xù)時間(3～15 ms)。根據(jù)《引信設(shè)計手冊》、GJB/Z 135—2002《引信工程設(shè)計手冊》，汽車在惡劣地面上行駛時，若包裝箱不固定，則包裝箱間的碰撞所產(chǎn)生的加速度可達(dá)300；剎車產(chǎn)生的加速度為0.6～0.7；在惡劣地面高速行駛時，上下顛簸的加速度可達(dá)10(這遠(yuǎn)小于卡車在惡劣路面上行駛時測試得到的峰值加速度102.2)。

因為公路運輸過程中路況/情景差異很大，所以各國標(biāo)準(zhǔn)中的振動測試方法不一定能覆蓋所有情況下的振動幅值和頻率，也沒有考慮極端情況下如碰撞和翻車等意外環(huán)境下沖擊和振動對引信的影響，這就給彈藥及引信的公路運輸帶來了安全隱患。根據(jù)不敏感彈藥和引信的定義，當(dāng)不敏感彈藥和引信遭受意外威脅時，要盡量降低意外引爆戰(zhàn)斗部的可能性和隨后對后勤系統(tǒng)、發(fā)射平臺以及相關(guān)人員的附帶傷害。根據(jù)這一定義，運輸過程中可能發(fā)生的最為極端的情況(如碰撞和翻車等事故)也應(yīng)認(rèn)定為危及彈藥和引信安全的“意外威脅”并納入彈藥和引信的安全考核標(biāo)準(zhǔn)，以進一步提高彈藥和引信的安全性，特別是公路運輸安全性。

3 碰撞事故中的車身過載

行駛過程中發(fā)生在車輛間的碰撞和翻車事故，以及車輛與建筑間的碰撞等事故可能對運輸中的彈藥造成嚴(yán)重影響。然而，目前尚未能找到國內(nèi)、國外關(guān)于軍用運輸車輛碰撞和翻車事故對彈藥及其內(nèi)部引信影響的文獻，因此只能從一般碰撞事故發(fā)生時車體各部位的過載變化、過載持續(xù)時間等角度判斷其對彈藥的影響。

對商用車碰撞和翻車事故統(tǒng)計分析表明，傷亡最重的事故為正面碰撞和滾翻。正面碰撞的重疊度一般大于50%，導(dǎo)致非常大的碰撞能量和車體變形。滾翻事故可分為90°側(cè)翻和180°滾翻。90°側(cè)翻在連續(xù)碰撞情況下會對汽車A柱(A柱指前擋風(fēng)玻璃和左、右前車門之間的柱狀結(jié)構(gòu))產(chǎn)生劇烈的擠壓變形，對乘員威脅較大；180°滾翻則要先經(jīng)歷90°側(cè)翻，然后對駕駛室頂蓋產(chǎn)生垂直擠壓，引起駕駛室壓潰變形導(dǎo)致乘員傷亡?？梢酝茢?，類似事故也會對運輸車輛上的采用低發(fā)射過載引信的彈藥產(chǎn)生巨大危害。

還有一種情況是車輛與建筑物之間的碰撞。例如，2009年4月，在郴州市郴資桂高等級公路與京珠高速公路K479+200交叉處，一輛大貨車在行駛過程中與京珠高速公路橋墩發(fā)生猛烈撞擊，造成橋墩斷裂、倒塌。類似事故在日常生活中并不罕見。據(jù)統(tǒng)計，北京的立交橋半數(shù)曾被超高車輛撞擊。因超高車輛撞擊導(dǎo)致的橋梁損壞已占損壞橋梁總數(shù)的20%以上。

國內(nèi)不少研究人員通過仿真和試驗相結(jié)合的方法對碰撞事故中車輛重點部位的過載、速度變化過程進行了研究，可為彈藥和引信在公路運輸中可能遭遇的極端碰撞環(huán)境提供一定的參考。吳敏等應(yīng)用商業(yè)有限元軟件ANSYS LS DYNA研究了重型卡車車身的被動安全性，包括正面全寬碰撞和翻滾碰撞情況下車體重點部位的過載值。該卡車屬于非承載式結(jié)構(gòu)，通過四點彈性懸置與車架連接。車身的縱向承力構(gòu)件包括兩根地板縱梁、四根車頂縱梁；橫向承力構(gòu)件有：前風(fēng)窗上橫梁、前風(fēng)窗下橫梁，后圍上橫梁和地板后橫梁；垂直承力構(gòu)件有：左右前立柱各一根。對于車身的正面碰撞，主要的受力部件是車身前部的前圍板總成和地板縱梁等。對翻滾碰撞來說，主要的受力部件是頂蓋和車頂縱梁。車身有限元模型如圖1所示。

圖1 某高頂平頭卡車車身有限元模型示意圖

仿真過程中，將車身速度設(shè)為48 km/h，與剛性墻進行垂直碰撞。車身地板上安裝座椅位置處一點的加速度變化如圖2所示。從圖中可以看出，碰撞產(chǎn)生的方向過載峰值約為135，過載波動的持續(xù)時間約100 ms。

圖2 車身地板上安裝座椅位置處加速度 有限元仿真曲線

陳東益等應(yīng)用Altair公司碰撞安全分析軟件研究了某輕型卡車正面碰撞情況下的安全性，包括車體內(nèi)過載的變化，并將仿真結(jié)果和試驗結(jié)果進行了對比。該整車正面碰撞試驗中的卡車如圖3所示。

圖3 整車正面碰撞剛性墻試驗中的某輕型卡車

仿真工況為整車以50 km/h的速度正面撞擊剛性墻。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 某輕型卡車正面碰撞剛性墻試驗結(jié)果 與有限元仿真結(jié)果

碰撞過程中卡車A柱和B柱(B柱指車輛前排側(cè)窗玻璃和后排側(cè)窗玻璃之間的立柱結(jié)構(gòu))在撞擊方向上的加速度變化如圖5所示。從圖5可以看出，碰撞過程中，方向加速度峰值約66，出現(xiàn)在A柱上，加速度波動的持續(xù)時間超過了100 ms。

圖5 正面碰撞剛性墻時卡車A柱和B柱在撞擊方向上的 加速度隨時間變化的有限元仿真曲線

欒蘭等應(yīng)用商業(yè)有限元軟件ANSYS LS DYNA研究了某轎車前保險杠緩沖吸能裝置的性能，對3種不同結(jié)構(gòu)的緩沖支架的吸能效果進行了對比。整車外形尺寸為4 685 mm×1 740 mm×1 440 mm，質(zhì)量為1 176 kg。轎車的設(shè)計目的、外形、質(zhì)量均與以運輸貨物為目的的卡車差別很大，這是需要注意的。該轎車的有限元模型如圖6所示。

圖6 用于與剛性墻碰撞過程仿真的某轎車 有限元模型示意圖

仿真模型碰撞過程的工況設(shè)置為：初始速度為8 km/h，與剛性墻發(fā)生正面碰撞。碰撞過程中轎車車身在撞擊方向上的速度、加速度的變化情況如圖7所示。從圖7(b)可以看出，碰撞過程中轎車車身的方向加速度峰值約為6.2、波動時間在100 ms以內(nèi)。

肖果等通過商業(yè)有限元軟件ANSYS LS DYNA和試驗研究了防撞柱防卡車碰撞的性能，包括卡車車身在與防撞柱碰撞過程中的加速度變化?？ㄜ囆吞枮闁|風(fēng)EQ140，空載時質(zhì)量為5.17 t。試驗時貨箱內(nèi)載有泥土以模擬載重，總質(zhì)量變?yōu)?.8 t?？ㄜ嚳傞L為6 365 mm，寬2 385 mm，高2 325 mm，如圖8所示。防撞柱上部結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土柱。鋼管采用外徑219 mm，壁厚20 mm的無縫鋼管，材質(zhì)為Q345。鋼管內(nèi)填充C40混凝土。防撞柱的設(shè)置如圖9所示。

試驗時，撞擊速度為46 km/h。碰撞后的試驗現(xiàn)場如圖10所示?？ㄜ囓嚿碓谧矒舴较蛏系募铀俣茸兓鐖D11所示。可以看出，碰撞過程中，卡車車身的加速度最大幅值約為52。

孫超等通過商業(yè)有限元軟件ANSYS LS DYNA和試驗研究了某皮卡的側(cè)翻安全性。該皮卡的有限元模型如圖12所示。皮卡側(cè)翻撞地前一刻的姿態(tài)如圖13所示。

圖7 轎車在與剛性墻正面碰撞過程中車身在撞擊方向上 速度、加速度隨時間變化的有限元仿真結(jié)果

圖8 參與卡車-防撞柱碰撞試驗的東風(fēng)EQ140卡車 外形示意圖

圖9 防撞柱防卡車碰撞性能試驗中的防撞柱設(shè)置圖

圖10 卡車-防撞柱碰撞試驗后的試驗現(xiàn)場場景圖

圖11 卡車-防撞柱碰撞試驗中卡車車身在撞擊方向上的 加速度變化測試曲線

圖12 用于側(cè)翻安全性研究的某皮卡有限元模型示意圖

圖13 某皮卡側(cè)翻撞地前后的姿態(tài)及重心位置變化示意圖

仿真工況為，皮卡以0.087 rad/s的初始角速度繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)并撞擊剛性地面。皮卡典型部位的總加速度隨時間的變化如圖14所示。從圖14中可以看出，乘客處座椅的總加速度峰值約為11.6，碰撞側(cè)座椅的總加速度峰值約為15.8，加速度的波動持續(xù)時間約600 ms。

圖14 皮卡典型部位的總加速度有限元仿真曲線

4 公路運輸極端沖擊環(huán)境匯總

根據(jù)前述文獻[5-6，9-11]，將彈藥公路運輸過程中，不同車速/路況/情景下所產(chǎn)生的顛簸振動過載峰值整理如表4(測試結(jié)果)、表5(振動力學(xué)模型計算結(jié)果)所列。從表4可以看出，測試得到的不同車速/路況/情境下車身的顛簸振動過載幅值差異較大，其變動范圍大致為0.60～102.2，極端情況下甚至可達(dá)300.00(包裝箱未固定情況下，包裝箱之間或包裝箱與車體之間相撞產(chǎn)生的過載)，將對彈藥特別是低發(fā)射過載彈藥的運輸安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

表4 測試得到的卡車不同車速/路況/情景下所產(chǎn)生的運輸顛簸振動過載幅值

表5 根據(jù)振動力學(xué)模型計算得到的XX型運輸車在不同車速/路況/情景下所產(chǎn)生的運輸顛簸振動過載幅值

根據(jù)前述文獻[6，9，22，24-26]，將不同車速/情景下碰撞事故中的車身過載幅值及過載波動時間整理如表6所示(包括測試值與有限元仿真結(jié)果)。由于研究方法所限，碰撞過程中的車身過載值大部分通過有限元仿真模型得到，但是經(jīng)過試驗結(jié)果的驗證，仿真結(jié)果仍然具有較高的參考價值。從表6可以看出，不同車速/情境下碰撞事故中的車身過載幅值差異較大，其變動范圍大致為6.2～135.0，極端情況下可達(dá)500.0，過載波動持續(xù)時間為100 ms左右。此外，在車輛側(cè)翻的情況下，車身總加速度峰值可達(dá)15.8，加速度的波動持續(xù)時間約600 ms。

表6 不同車速/情景下碰撞事故中的車身過載幅值 及過載波動時間(包括數(shù)值仿真結(jié)果和測試結(jié)果)

5 結(jié)論

公路運輸過程中，測試得到的不同車速/路況/情境下車身的顛簸振動過載幅值差異較大，其變動范圍大致為0.60～102.2(測試結(jié)果)，極端情況下甚至可達(dá)300(包裝箱未固定情況下，包裝箱之間或包裝箱與車體之間相撞引起的過載)，有可能使低發(fā)射過載彈藥中的引信達(dá)到解除保險條件，從而形成重大安全隱患。公路運輸過程中可能出現(xiàn)的極端沖擊環(huán)境的峰值加速度和加速度波動時間都超過了我國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)中針對引信地面運輸環(huán)境制定的震動試驗方法規(guī)定的加速度峰值(230±34.5)和脈沖持續(xù)時間(2.0±0.2)ms。由此可見引信冗余保險設(shè)計和緩沖包裝設(shè)計的必要性和重要性。

綜合有關(guān)文獻由于研究方法所限，不同車速/情景下碰撞事故中的車身過載幅值及過載波動時間大部分通過有限元仿真模型得到，但是經(jīng)過驗證，仿真結(jié)果仍然具有較高的參考價值。碰撞事故中的車身過載幅值變動范圍大致為6.2～135.0(仿真結(jié)果)，極端情況下可達(dá)500.0(測試結(jié)果)，過載波動持續(xù)時間約100 ms(仿真結(jié)果)。在車輛側(cè)翻的情況下，車身總加速度峰值可達(dá)15.8(仿真結(jié)果)，加速度的波動持續(xù)時間約600 ms(仿真結(jié)果)。

根據(jù)不敏感彈藥和引信的定義，當(dāng)不敏感彈藥和引信遭受意外威脅時，要盡量降低意外引爆戰(zhàn)斗部的可能性和隨后對后勤系統(tǒng)、發(fā)射平臺以及相關(guān)人員的附帶傷害。因此，運輸過程中可能發(fā)生的最為極端的情況(如碰撞和翻車等事故)也應(yīng)認(rèn)定為危及彈藥和引信安全的“意外威脅”并納入彈藥和引信的安全考核標(biāo)準(zhǔn)，以進一步提高彈藥和引信的安全性，特別是公路運輸安全性。