一種基于試驗統計的彈藥低易損性評估方法

劉永付,陳 榮,2，余 洋,李曉輝

(1.中國人民解放軍63867部隊， 吉林 白城 137001； 2.國防科技大學 理學院， 長沙 410073)

1 引言

高能彈藥提升威力的同時炸藥的敏感性也發生了一定改變，面對可能遭受的炮火攻擊、戰火炙烤等惡劣作戰環境，其“生存”能力直接影響武器裝備和人員安全，影響作戰能力的保持與戰局的變化，彈藥的低易損性成為衡量彈藥性能和人員裝備戰場生存能力的重要指標之一，倍受國際社會廣泛關注，鈍感彈藥或不敏感彈藥(insensitive munitions,IM)于20世紀70年代開始出現并迅速發展。以美國為首的北約國家形成了一系列的試驗標準和方法，較為全面地囊括了幾乎所有非核彈藥、彈藥子系統、火炸藥裝置等可能遭遇的各種威脅、測試與評估程序做出了具體規定。該標準僅對反應等級進行了定性的描述并給出了對應等級的可接受程度，但反應等級結論的確定易受從業人員的經驗與主觀判定影響，特別是爆轟與爆炸、爆燃與燃燒等現象在反應特征上有很大部分的重疊交叉，不同人員可能給出完全不同的結論。在鈍感彈藥技術不夠成熟的階段，很多彈藥無法滿足STANAG 4439規定的“不發生比燃燒更劇烈的反應”要求。因此，怎樣評價一種彈藥滿足預期的程度，在什么情況下可以接受或部分接受，一個事先量化的、能夠客觀表征彈藥發生反應的各種特征的評價方法非常必要。

本文中將彈藥經受刺激時，改變原來狀態表現出的一系列物理化學變化，以及可能造成的危害程度大小或對刺激條件反應的劇烈強度，通過典型特征描述來定義不同的彈藥反應等級，采用數組統計的方法將試驗數據變成量化的結果。

重點針對彈藥壽命周期中作戰使用、儲運等環節，可能遭受的戰場燃料燃燒、彈藥爆炸或聚能裝藥射流沖擊、敵方炮彈或爆炸碎片撞擊等作戰環境，從彈藥自身對刺激條件的反應劇烈程度來定義其反應等級。區分彈藥正常作用或近似正常作用、部分作用、不作用3種情況，參照國內外5個反應等級的通用表述，將彈藥反應能夠獲取的表現特征定義為響應元，將響應元在特定反應等級的不同表現形式賦予對應的響應值，考慮樣本數量、試驗項目種類及數量設置、響應元的選取、響應值判定準則，采用多元統計陣列的模型，統計計算不同反應等級對應的符合度，以最佳符合度對應的反應等級為單項試驗的反應等級，綜合所有試驗項目和樣本量確立彈藥安全性評估的符合度。

2 高能彈藥安全性評估的影響因子

根據安全性評估“不發生比燃燒更為劇烈的反應”要求，針對低易損性試驗項目設置、目標彈藥特性、刺激條件、測試數據、現場勘察等要素對評估準確性的影響，定義了對高能彈藥低易損性評估有關的概念：低易損特性響應元、響應元的響應值、低易損性評估符合度。

2.1 低易損特性響應元

低易損特性響應元，是指能夠獲取并直觀描述安全性彈藥對刺激條件反應程度的試驗要素。根據目標彈藥的結構特點、作用方式、可采用的測試手段、對環境的破壞特征等要素，將能夠給出準確判定依據的要素進行定義。定義10個響應元，分別為殘骸、設備(或工裝)損毀、爆坑、殼體破裂、裝藥剩余、沖擊波壓力、破片速度(動能)、驗證板穿孔、爆炸火光(高速影像)、現場聲響。

2.2 響應元的響應值

響應元的響應值，是指反映彈藥安全程度的低易損特性響應元對應的響應程度值。需要根據低易損性試驗的反應等級(或反應劇烈程度)以及對應響應元的客觀描述對其賦值，根據彈藥反應表現的響應元特性描述(或等級判定依據)查對應響應元的響應值，綜合所有響應值結果用于判定高能彈藥的反應等級。

為便于計算，響應值用數組表示：

(1)

式中，為第個響應元對應反應等級的響應值，在[0,1]區間取值；為設定的彈藥反應等級數，通常不少于5個；為對應單一項目選取的響應元數量，設=10，一般不小于7。

表1給出了5種典型反應等級對應10種響應元的判定準則，對每一種反應元在不同反應等級中的表現特征和響應值進行了定義。

表1 反應等級對應響應元判定準則Table 1 Reaction grades correspond to response element criteria

對響應元的響應值進行經驗賦值，滿足響應元判定條件的響應值為1，不滿足響應元判定條件的響應值為0，同一判定條件有2種可能時對應的響應值為05(如反應等級“爆燃”和響應元“裝藥剩余”對應的判定條件為“有大塊裝藥殘留”響應值為1，“無裝藥殘留”響應值為05)。

2.3 安全性評估符合度

安全性評估符合度，是指對某一彈藥的多項或單項安全性試驗低易損性評估準確程度，結果用百分數表示。對應符合度最大的反應等級為最可能反應等級。

單一樣本對應各反應等級評估符合度(,):對應第個反應等級的響應值之和與響應元個數的比值。

(2)

得到，樣本試驗結果對應個反應等級的符合度數組(,):

(3)

該數組的最大值-max對應的反應等級為樣本最可能的反應等級，或該反應等級最接近真實的試驗結果。

以某型殺爆彈快速烤燃試驗為例，對照表1判定準則，得到10個響應元對應5個反應等級的響應值(見表2)。

表2 某型殺爆彈快速烤燃反應等級與響應值Table 2 Fast cook-off reaction grade and response value of the characteristicsof high explosive bomb

利用式(2)計算得到=0，=20，=95，=50，=50，==95>50，為該樣本快速烤燃試驗的最佳評估符合度，=3對應的“爆燃”為最可能的反應等級。

3 單項試驗的評估符合度計算

彈藥可能遭遇的常見典型刺激條件有快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊、射流沖擊、殉爆等，同時彈藥在不同使用環境下的儲運狀態及其包裝有較大差異，如一般運輸條件下的木質通用包裝箱、儲運發箱；作戰行駛條件下的裝甲防護彈倉、外掛吊倉；陣地臨時構建的簡易野戰倉庫防護掩體等。

試驗有多個刺激條件(或激勵狀態)時，個刺激條件(如殉爆狀態的刺激條件，一般有裸彈殉爆、帶制式包裝殉爆、自行武器彈倉攜行殉爆等多個狀態；子彈撞擊按子彈口徑、射流沖擊按聚能裝藥產生的能量大小劃分為多個狀態)、每個刺激條件有個樣本。

單項評估符合度，對×個樣本的最佳符合度-max統計平均。第個樣本的最佳符合度用()表示：

(4)

式中，為單一低易損性項目采用的彈藥樣本量，一般取3～5發。

也可將同一刺激條件作為一個單元進行計算，第個刺激條件的響應值采用數組求和計算：

(5)

(6)

利用某型殺爆彈殉爆試驗進行驗證，分別采用式(4)和式(5)、式(6)進行計算，得到相同的試驗結果，對應“爆轟”反應等級的評估符合度均為100。

采用制式包裝運輸裝載殉爆、自行武器彈倉攜行殉爆2種狀態，模擬包裝及儲運位置關系，試驗結果描述見表3。

表3 某型殺爆彈殉爆結果Table 3 The sympathetic detonation results of the characteristicsof high explosive bomb

4 安全性評估的符合度計算

高能彈藥的安全性評估符合度，定義為同一類型彈藥的安全性試驗評估滿足產品安全指標的符合程度，應當包括該類型彈藥所進行的全部安全性項目。參考彈藥反應等級的定義(見表4)和國外低易損性彈藥安全性評定標準(見表5)，采用kano模型將不同項目對應的反應等級與各反應等級在安全性評定中的加權結合起來，綜合判定該型彈藥的安全性評估符合度。

表4 彈藥反應等級與接受程度Table 4 Reaction level and acceptability of ammunition

表5 低易損彈藥安全性評定標準Table 5 Evaluation standard for insensitive munition

Kano模型是一種對用戶需求分類和優先排序的產品滿意度工具，根據彈藥發生反應的劇烈程度和可能產生的后果危害將5個反應等級對應5種不同的危害程度，按照Kano模型分析法將部隊對彈藥的產品預期定義為“不期望發生或拒絕接受的、允許發生或可接受的、理想的或最好期望”3種需求，將“可接受”視為正理想點、“不可接受”視為負理想點，分別對反應等級進行加權賦值。每個樣本反應等級的結果向正、負理想點的靠近程度，視為該樣本的考核結果對應反應等級的符合度，由表5可知“可接受的”條件為“沒有比燃燒更劇烈的反應”，表4中給出了使用部隊對彈藥安全性一種“理想的”反應等級與接受程度。

定義第個樣本考核得到的反應等級的“接受程度”為

(7)

5個反應等級對應的“接受程度”分別為、、、、，樣本中具有相同反應等級的樣本數量為，第個反應等級對應的樣本數為，利用加權平均法計算同一彈藥的“接受程度”，既低易損性符合程度。個項目，第個項目的樣本數為，得到

(8)

通過某型殺爆彈安全性試驗對本研究提出的方法進行了驗證，其中殺爆彈進行了4個低易損性項目共9發目標彈藥樣本。按照式(1)～式(7)分別計算每個試驗科目對應反應等級的符合度，根據表5和式(7)得到單個樣本的可接受程度(見表6)。

表6 某型殺爆彈讓步接受程度Table 6 Acceptance of concession of the characteristicsof high explosive bomb

按照式(8)計算，某型殺爆彈的低易損性符合度=111。由于該戰斗部裝藥并非為鈍感炸藥，其低易損性符合度偏低，與非鈍感炸藥對于刺激激勵的響應更加敏感、其安全性明顯低于鈍感彈藥在原理上是一致的。

考慮任務不同階段、不同使用對象和不同儲運環境，對同一類型彈藥的安全性需求存在差異，以及鈍感技術在彈藥中的應用能力，可根據實際需要適當放寬“接受”條件，增加的賦值在(0，1)之間取值表示讓步接受的權重，得到如表7所示的讓步接受程度和對應的式(9)。

此時，

(9)

式(8)同樣適用。

在表7所示讓步條件下，重新計算得到=733，該讓步條件下該型彈藥可以讓步使用。

表7 反應等級與讓步接受程度Table 7 Reaction level and acceptance of concession

由于受考核項目設置條件限制，樣本量較少，不能完全反映彈藥的真實安全性，因此一般單個項目的試驗樣本量不少于3發。同時，結合裝備研制、生產、部隊使用的全壽命周期中出現的刺激激勵反應數據，采用加權移動平均法計算，增加數據樣本量，隨時更新彈藥的低易損性指標，其評價更趨近于真實。

(10)

式中，為第個樣本(含)數據之前的符合度；為從第+1個樣本到第+個樣本，對應5個反應等級的符合度；為第個樣本的權數(接受程度)；為樣本增加前的樣本總數；為新增加的樣本數。

5 結論

1) 響應元設置、響應值判定準則體現彈藥反應實際特征，采用數組統計方法能夠量化給出單個樣本與單一項目的反應等級及結果符合度。

2) 采用加權平均法和加權移動平均法，能夠直觀體現所有樣本的低易損性刺激與反應等級，其綜合評價客觀、動態，更接近實際情況。

3) 采用本文方法計算得到某型殺爆彈的低易損性符合度=73.3%，現有裝藥技術下該型彈藥可以讓步使用。