范志鋒,高欣寶,呂 靜

(1.武昌工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 武漢 430065； 2．陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)， 石家莊 050003)

彈藥產(chǎn)品一旦發(fā)生安全性失效，輕則影響部隊(duì)?wèi)?zhàn)備訓(xùn)練，造成經(jīng)濟(jì)損失，重則造成人員傷亡[1-3]。彈藥的安全性是指彈藥在外界刺激條件作用下，自身發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起爆炸的難易程度[4]。受損彈藥是指經(jīng)受過(guò)非正常外界能量的沖擊或非正常環(huán)境介質(zhì)侵蝕過(guò)的彈藥。受損彈藥的安全狀態(tài)不明，部分受損彈藥可能受損嚴(yán)重。經(jīng)歷過(guò)沖擊的受損彈藥，其引信可能解除了保險(xiǎn)，彈藥處于不安全狀態(tài)，如果受到二次沖擊，極易引起爆炸事故。對(duì)于受損的彈藥，需要進(jìn)行后續(xù)的搬運(yùn)、包裝、運(yùn)輸?shù)惹趧?wù)處理。受損彈藥勤務(wù)處理的安全性評(píng)估是彈藥安全領(lǐng)域的一個(gè)重大課題。

某庫(kù)房經(jīng)歷自然災(zāi)害后，內(nèi)部庫(kù)存一定數(shù)量的某無(wú)坐力炮彈受到了強(qiáng)烈沖擊，受損嚴(yán)重。該無(wú)坐力炮彈配用的引信為壓電引信。該壓電引信由頭部機(jī)構(gòu)和底部機(jī)構(gòu)兩部分組成。頭部機(jī)構(gòu)主要是壓電機(jī)構(gòu)，底部機(jī)構(gòu)由后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、隔爆機(jī)構(gòu)、接電機(jī)構(gòu)和傳爆序列等組成。該壓電引信在發(fā)射時(shí)，受單一后坐力作用解除保險(xiǎn)，在撞擊目標(biāo)時(shí)，頭部壓電機(jī)構(gòu)產(chǎn)生電壓使底部傳爆序列中的電雷管起爆。該無(wú)坐力炮彈遭受強(qiáng)烈沖擊后，配用的壓電引信單一后坐保險(xiǎn)是否已經(jīng)解除，無(wú)法進(jìn)行科學(xué)判斷，能否確保后續(xù)勤務(wù)處理安全是迫切需要解決的問(wèn)題。

本文在假設(shè)該無(wú)坐力炮彈配用的壓電引信后坐保險(xiǎn)已經(jīng)解除的前提下，從壓電引信中電雷管安全電壓的角度出發(fā)，從理論上探討該無(wú)坐力炮彈典型勤務(wù)處理環(huán)節(jié)的安全性問(wèn)題。

1 彈藥勤務(wù)處理安全性評(píng)估理論

由于無(wú)法科學(xué)判斷受損彈藥配用的壓電引信其保險(xiǎn)是否已經(jīng)解除，因此，從確保勤務(wù)處理安全的角度考慮，認(rèn)為受損彈藥配用的壓電引信其后坐保險(xiǎn)已經(jīng)解除，即頭部機(jī)構(gòu)中的壓電陶瓷和底部機(jī)構(gòu)中的電雷管已經(jīng)構(gòu)成了串聯(lián)回路。在后續(xù)勤務(wù)處理過(guò)程中，若受損彈藥遭受的沖擊力使壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓 大于電雷管的安全電壓，則認(rèn)為勤務(wù)處理過(guò)程不安全；若壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓 不大于電雷管的安全電壓，則認(rèn)為勤務(wù)處理過(guò)程是安全的。

壓電陶瓷受力F作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電荷Q，力F與電荷Q的關(guān)系如下[5]：

Q=d33F

(1)

式(1)中，d33為壓電陶瓷的壓電系數(shù)。

而電荷Q與電壓V1的關(guān)系如下：

V1=Q/C

(2)

式(2)中，C為壓電陶瓷的電容。

在已知壓電陶瓷尺寸的情況下，可利用下式計(jì)算壓電陶瓷的電容：

(3)

式(3)中，εr為壓電陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)；D和h分別為壓電陶瓷的直徑和厚度(cm)；C的單位是(pf)。

因此，在壓電陶瓷的壓電系數(shù)d33、相對(duì)介電常數(shù)εr、直徑D和厚度h已知的情況下，壓電陶瓷受力F作用，其產(chǎn)生的電壓V1可由式(1)、式(2)、式(3)進(jìn)行計(jì)算，表達(dá)式如下：

(4)

2 彈藥勤務(wù)處理過(guò)程壓電陶瓷受力分析

受損彈藥的包裝分為兩種狀態(tài)，一種是包裝破損，另外一種是包裝完好。對(duì)于包裝破損的彈藥，勤務(wù)處理時(shí)，應(yīng)首先從包裝中取出裸彈，然后由操作人員將裸彈搬運(yùn)至預(yù)定區(qū)域裝箱后進(jìn)行后續(xù)處理；對(duì)于包裝完好的彈藥，直接由操作人員將裝彈的包裝箱搬運(yùn)至預(yù)定區(qū)域。本文主要考慮裸彈搬運(yùn)意外跌落和包裝完好的受損彈藥運(yùn)輸兩種勤務(wù)處理環(huán)節(jié)炮彈配用壓電引信內(nèi)部壓電陶瓷的受力問(wèn)題。

2.1 裸彈搬運(yùn)意外跌落

裸彈搬運(yùn)過(guò)程中，由于意外情況，炮彈直接落地，最?lèi)毫拥那闆r是炮彈頭部垂直碰擊堅(jiān)硬地面。該炮彈引信頭部結(jié)構(gòu)如圖1所示。正常射擊，炮彈碰擊目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)反力使引信的頭部變形大于間隙e時(shí)，才能向陶瓷盒施壓。遭受強(qiáng)烈沖擊時(shí)，該炮彈引信頭有可能產(chǎn)生了變形，使間隙e消失，從而使引信頭與陶瓷盒直接接觸。這種情況是最極端的情況。下面分析這種情況下壓電陶瓷的受力。

圖1 引信頭部結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)垂直跌落時(shí)，炮彈與地面的距離為h1，考慮最?lèi)毫拥那闆r，忽略撞擊時(shí)地面吸收的能量，近似認(rèn)為炮彈的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為引信頭部的變形能。根據(jù)能量守恒定律，可得：

(5)

式(5)中，mp為炮彈質(zhì)量；c1為陶瓷盒部件的剛度；c2為引信頭的剛度；x為受壓變形量。

作用在壓電陶瓷上的力F為

F=c1x

(6)

由式(5)、式(6)，可計(jì)算引信頭與陶瓷盒已經(jīng)直接接觸的情況下，炮彈頭部垂直著地，壓電陶瓷的受力F，表達(dá)式如下：

(7)

2.2 包裝完好的受損彈藥運(yùn)輸

對(duì)于包裝完好的受損彈藥，在運(yùn)輸時(shí)，會(huì)受到振動(dòng)和顛簸產(chǎn)生的慣性力作用。正常運(yùn)輸時(shí)，彈藥要求橫裝，而且裝車(chē)整齊牢固，避免行車(chē)過(guò)程中來(lái)回碰撞。因此，正常運(yùn)輸時(shí)，車(chē)輛的左右振動(dòng)會(huì)使壓電陶瓷產(chǎn)生慣性力，壓電陶瓷受力表達(dá)式如下：

F=mca

(8)

式(8)中，mc為壓電陶瓷的質(zhì)量；a為壓電陶瓷的慣性加速度。

由于包裝的緩沖作用，實(shí)際壓電陶瓷的慣性加速度不會(huì)超過(guò)車(chē)輛左右振動(dòng)產(chǎn)生的慣性加速度a′，但從安全的角度考慮，計(jì)算時(shí)，用a′代替a，即壓電陶瓷受力為

F=mca′

(9)

當(dāng)然，運(yùn)輸過(guò)程中，若出現(xiàn)意外情況，如翻車(chē)造成摔箱，炮彈包裝破壞嚴(yán)重，此時(shí)，炮彈的受力情況比較復(fù)雜，壓電陶瓷的受力比正常運(yùn)輸嚴(yán)酷，比正常運(yùn)輸條件下可能高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 彈藥勤務(wù)處理安全性理論計(jì)算結(jié)果

查閱相關(guān)資料[5-7]，參照得到受損炮彈引信關(guān)鍵部件的性能參數(shù)值，見(jiàn)表1。

表1 受損炮彈引信關(guān)鍵部件的性能參數(shù)

3.1 裸彈搬運(yùn)意外跌落

假設(shè)操作人員在搬運(yùn)裸彈時(shí)意外跌落的高度h1=0.5 m(彎腰、雙手下垂，手與地面的距離)。

根據(jù)式(7)，結(jié)合炮彈質(zhì)量，可計(jì)算裸彈搬運(yùn)意外跌落時(shí)，壓電陶瓷的受力F為7 855 N。

根據(jù)式(4)，可計(jì)算得到裸彈搬運(yùn)時(shí)，炮彈垂直跌落頭部著地，壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓V1為4 894 V。

可見(jiàn)，V1=4 894 V遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電雷管安全電壓Vs=70 V。

也就是說(shuō)，在各種極限情況下，操作人員在搬運(yùn)受損裸彈時(shí)，若發(fā)生意外跌落，受損炮彈很有可能發(fā)生爆炸，造成重大的人員傷亡。

當(dāng)然從式(4)、式(7)中可以看出：壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓V1與跌落高度h1的平方根成正比，即使跌落高度h1低至0.1 m，壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓V1也高達(dá)2 189 V，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電雷管安全電壓Vs=70 V。總之，在各種極限情況下，搬運(yùn)裸彈時(shí)應(yīng)避免發(fā)生跌落。

3.2 包裝完好的受損彈藥運(yùn)輸

典型車(chē)輛運(yùn)輸時(shí)，左右振動(dòng)情況如表2所示。從表2中可以看出，正常運(yùn)輸時(shí)，各種車(chē)輛的左右振動(dòng)加速度不會(huì)超過(guò)2g。從安全的角度考慮，取a′=2g。

根據(jù)式(9)，可計(jì)算包裝完好的受損彈藥運(yùn)輸時(shí)，壓電陶瓷的受力F為0.137 2 N。

表2 車(chē)輛在運(yùn)輸時(shí)的左右振動(dòng)參數(shù)

根據(jù)式(4)，可計(jì)算得到包裝完好的受損彈藥運(yùn)輸時(shí)，壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓V1為0.085 V。

可見(jiàn)，V1=0.085 V遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電雷管安全電壓Vs=70 V。也就是說(shuō)，在正常運(yùn)輸條件下，裝載牢固、包裝完好的受損彈藥運(yùn)輸是安全的。

當(dāng)然，在運(yùn)輸過(guò)程中，若彈藥發(fā)生摔箱事故，此時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊過(guò)載。假設(shè)沖擊加速度值比正常運(yùn)輸左右振動(dòng)加速度高3個(gè)數(shù)量級(jí)，則可計(jì)算得到壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓V1=85 V大于電雷管安全電壓Vs=70 V。此時(shí)，彈藥有可能發(fā)生爆炸。

4 結(jié)論

1) 裸彈搬運(yùn)時(shí)，受損炮彈意外跌落、頭部垂直著地，壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電雷管的安全電壓，受損炮彈很有可能發(fā)生爆炸事故。正常運(yùn)輸條件下，包裝完好的受損彈藥由于車(chē)輛左右振動(dòng)，壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電雷管的安全電壓，運(yùn)輸是安全的。

2) 在類(lèi)似受損彈藥勤務(wù)處理過(guò)程中，盡量避免搬運(yùn)含引信的裸彈，應(yīng)將引信頭部機(jī)構(gòu)與底部機(jī)構(gòu)連接的線路斷開(kāi)，并將底部機(jī)構(gòu)的線路短路后，再進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)，確保勤務(wù)處理安全。