陳治民，郭三學(xué)

(武警工程大學(xué) 裝備管理與保障學(xué)院， 西安 710000)

在應(yīng)急救援、反恐突擊行動(dòng)中，任務(wù)部隊(duì)常常需要對(duì)障礙物進(jìn)行破拆，以便實(shí)現(xiàn)快速突入、有效處置。傳統(tǒng)的炸、撞、砍、切、銼、撬等手段，耗時(shí)費(fèi)力效率低，往往還會(huì)對(duì)障礙物整體結(jié)構(gòu)及有關(guān)目標(biāo)造成較大破壞，影響工作正常進(jìn)展。近年來(lái)，定向爆破、聚能裝藥技術(shù)的發(fā)展為實(shí)施定向破拆提供了有效技術(shù)手段。聚能切割是基于聚能效應(yīng)的切割技術(shù)，可對(duì)墻體、玻璃、防盜門(mén)、交通工具艙體等進(jìn)行破拆，具有高速有效、安全可靠、操作方便且不受環(huán)境限制等特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-3]。現(xiàn)實(shí)中由于障礙物的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、形狀等不同，很有必要開(kāi)展模塊化聚能切割裝置研究，并對(duì)其破拆效能進(jìn)行評(píng)估，為部隊(duì)遂行多樣化任務(wù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 作用原理

聚能切割裝置如圖1(a)所示[4]，主要由殼體、聚能罩、主裝藥、引爆藥等組成[5]。切割目標(biāo)時(shí)切割索被雷管引爆，炸藥爆炸產(chǎn)生爆轟能量，迅速壓垮聚能罩并形成一股能量密度高、方向性強(qiáng)的“刀片”狀金屬射流(其余材料形成杵體)，見(jiàn)圖1(b)，射流頭部速度可達(dá)4 500 m/s,在高溫高壓環(huán)境下對(duì)切割目標(biāo)進(jìn)行侵徹，避免了爆炸能量360°釋放對(duì)切割目標(biāo)整體結(jié)構(gòu)及相關(guān)目標(biāo)造成破壞，從而實(shí)現(xiàn)定向切割的目的[6-8]。

圖1 聚能切割裝置結(jié)構(gòu)(a)和切割(b)示意圖

2 模塊化聚能切割裝置設(shè)計(jì)

從理論上講，聚能裝置只要設(shè)計(jì)合適的裝藥量和聚能罩尺寸，就可切割不同厚度、不同材料的障礙物。目前，切割墻體、防盜門(mén)及交通工具艙體的聚能裝置大多設(shè)計(jì)成矩形結(jié)構(gòu)，尺寸一般為長(zhǎng)1 000 mm×寬500 mm，這種裝置體積大、操作應(yīng)用不方便，有必要設(shè)計(jì)一種體積小、重量輕、易攜帶、效率高的模塊化聚能裝置，應(yīng)用時(shí)可將多個(gè)聚能塊按需求組合尺寸，通過(guò)膠粘與目標(biāo)連接。

模塊化聚能塊由聚能罩、炸藥、金屬殼體構(gòu)成，采用面對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，殼體與聚能罩為一體式設(shè)計(jì)，內(nèi)部均勻、對(duì)稱(chēng)裝藥，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸約為長(zhǎng)100 mm×寬55 mm×高55 mm，這樣方便攜帶和應(yīng)用組合，結(jié)構(gòu)如圖2所示。藥型罩為“ V”型結(jié)構(gòu)，錐角一般是70°～80°[9]，殼體兩端設(shè)置卡扣，可將聚能塊組合連接。聚能罩材料要求可壓縮性小、密度大、塑性和延展性好。紫銅具有密度大、熔點(diǎn)適中、聲速高、延展性好、不易斷裂等特點(diǎn)，是制作聚能罩的理想材料[10-12]。

圖2 模塊化聚能藥塊結(jié)構(gòu)示意圖

炸藥是聚能射流的能源，裝藥量設(shè)計(jì)直接影響切割效果。射流侵徹孔道容積、切割深度均與爆轟壓力有關(guān),如圖3所示。L表示侵徹孔道的深度(mm)，V表示侵徹孔道的容積(mm3)。按照爆轟理論,爆轟壓力是炸藥爆速和裝藥密度的函數(shù)[6]26。

圖3 侵徹深度、孔道容積與爆壓的關(guān)系曲線

式中:P表示爆轟壓力(GPa);ρο表示裝藥密度(g/cm3);D表示炸藥爆速(m/s)。由此可見(jiàn)，選用高爆速、大密度的炸藥切割效果好。目前國(guó)內(nèi)外主裝藥選擇主要以RDX、HMX為主。裝藥量在滿足切割技術(shù)指標(biāo)的前提下,應(yīng)盡量減少用量，以降低爆炸產(chǎn)生的沖擊波、爆轟產(chǎn)物和噪音。研究表明，裝藥量2 000 g/m可切割45號(hào)35 mm厚鋼板；裝藥量800 g/m、600 g/m分別可切割厚度37 cm、24 cm磚墻和有關(guān)交通工具艙體；裝藥量58 g/m可切割甲級(jí)(含甲級(jí))以下級(jí)別防盜安全門(mén)、厚度小于120 mm磚砌墻；裝藥量24 g/m、6.3 g/m分別可切割厚度8 mm的車(chē)輛夾膠玻璃和貼膜鋼化玻璃[13]。

主要由起爆電線、起爆線盤(pán)、起爆器和電雷管組成。起爆前要在雷管兩個(gè)腳線短路的基礎(chǔ)上，將雷管插入模塊化聚能藥塊，固定聚能塊至切割目標(biāo)、操作人員撤離爆破點(diǎn)后，起爆作業(yè)點(diǎn)向爆破破拆點(diǎn)敷設(shè)起爆線路，接線雷管前要去除人體靜電，將兩個(gè)雷管顏色一致的腳線分別連接，雷管腳線與線盤(pán)導(dǎo)線連接，并用絕緣膠帶纏繞兩個(gè)接頭，現(xiàn)場(chǎng)人員迅速撤離到安全區(qū)域并實(shí)施隱蔽；起爆時(shí)旋轉(zhuǎn)起爆器到“起爆”狀態(tài)，聚能切割裝置起爆，完成目標(biāo)破拆。

3 模塊化聚能切割裝置效能評(píng)估

模塊化聚能切割裝置是快速破拆的新手段，應(yīng)采取科學(xué)的方法對(duì)其綜合性能進(jìn)行評(píng)估，為今后應(yīng)用研發(fā)提供技術(shù)依據(jù)。

3.1 指標(biāo)體系設(shè)計(jì)

效能評(píng)價(jià)指標(biāo)要遵循科學(xué)性、針對(duì)性、實(shí)用性和可操作性等原則，根據(jù)聚能模塊切割能力構(gòu)成，設(shè)計(jì)綜合效能評(píng)估指標(biāo)體系如圖4所示。

圖4 綜合效能評(píng)估指標(biāo)體系框圖

1) 技術(shù)性

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。模塊化聚能切割裝置主要由聚能罩、主裝藥、引爆藥等組成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小巧、操作簡(jiǎn)單、組裝方便，起爆系統(tǒng)安全可靠，炸藥選擇和裝藥量根據(jù)需求設(shè)計(jì)，切割面積和程度可控，金屬射流方向性和穩(wěn)定性高，且充分考慮了沖擊波、爆炸噪聲等對(duì)人員不產(chǎn)生傷害。

作用原理。將炸藥爆炸產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成聚能裝藥中藥型罩的動(dòng)能，利用罩體在炸藥作用下匯聚成的金屬射流，達(dá)到對(duì)目標(biāo)的高速侵徹，技術(shù)原理可有效實(shí)現(xiàn)。

可靠性。爆轟壓力主要取決于炸藥種類(lèi)和裝藥結(jié)構(gòu)，聚能裝置裝藥為高爆速高猛度炸藥，“ V”型藥型罩易于獲得較大的射流質(zhì)量與射流速度，引爆炸藥的爆轟能量能讓藥型罩可靠實(shí)現(xiàn)具有方向性的金屬射流，達(dá)到切割效應(yīng)。

2) 戰(zhàn)術(shù)性

作用面積。模塊化聚能裝置切割尺寸可以根據(jù)實(shí)際需要組合安裝，其切割尺寸標(biāo)準(zhǔn)是單體目標(biāo)能夠方便突入，同時(shí)不產(chǎn)生次生破壞，不造成人員傷亡。

時(shí)間。模塊化聚能裝置通過(guò)雷管引爆炸藥，金屬射流完成破拆作業(yè)時(shí)間短、效率高，同時(shí)，模塊化聚能裝置安裝十分方便。

破拆能力。模塊化聚能裝置可以根據(jù)切割目標(biāo)材質(zhì)、厚度設(shè)計(jì)裝藥量，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同障礙物的破拆，適用于不同軍事工程的切割、爆破，應(yīng)用廣泛。

3 ) 應(yīng)用性

操作性。操作聚能裝置要選好易于破拆的目標(biāo)與點(diǎn)位，用雙面膠固定好切割裝置，敷設(shè)接好起爆線路，遠(yuǎn)程操控、使用簡(jiǎn)單，破拆后收回導(dǎo)線、清理現(xiàn)場(chǎng)。

安全性。聚能裝置適應(yīng)溫度為-40～+50 ℃，貯存期可達(dá)15年；操作時(shí)人員應(yīng)立即撤離到距爆炸點(diǎn)不小于300 m的安全區(qū)域，做好隱蔽防護(hù)工作，以保證自身安全。

便攜性。模塊化聚能塊尺寸小，可設(shè)計(jì)成長(zhǎng)100 mm×寬55 mm×高55 mm，重量輕，這樣使得攜帶很方便，安裝操作簡(jiǎn)單。

3.2 綜合效能評(píng)估

模塊化聚能切割裝置綜合效能評(píng)估是一個(gè)涉及多目標(biāo)多指標(biāo)不確定性問(wèn)題的決策過(guò)程，不僅要考慮諸多的定量指標(biāo)，而且需考慮大量的定性指標(biāo)，存在極大的不確定性和隱蔽性。未確知理論能夠很好地整合處理這些不確定信息，并進(jìn)行綜合分析，為解決此類(lèi)問(wèn)題提供了一個(gè)較好的方法，已在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并取得良好效果[14-17]。

3.2.1單指標(biāo)未確知矩陣

設(shè)評(píng)價(jià)對(duì)象C的評(píng)價(jià)對(duì)象有i個(gè)(i=1,2,3,…,n)，空間集合由[c1,c2,c3,…,ci]組成,每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)指標(biāo)有j個(gè)(j=1,2,3,…,n)，其空間集合由[c1j,c2j,c3j,…,cij]組成。現(xiàn)將每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分為“很好”、“好”、“中等”、“一般”、“差”5個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)間，對(duì)應(yīng)為[1，0.9]為“很好”，(0.9，0.75]為“好”，(0.75，0.6]為“中等”，(0.6，0.45]為“一般”，(0.45，0]為“差”。邀請(qǐng)專(zhuān)家將0～1分打給每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的評(píng)語(yǔ)區(qū)間，并且滿足：

采取專(zhuān)家打分法得到相應(yīng)未確知矩陣：

3.2.2指標(biāo)權(quán)重

計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，令

歸一化處理，得

ωi為相對(duì)重要程度，指測(cè)量指標(biāo)cij相對(duì)于其他指標(biāo)的重要度，且ωi必須滿足0≤ωi≤1。計(jì)算可得權(quán)重向量為：

W=(0.140 1，0.123 5，0.093 5，0.108 6，

0.085 8，0.099 1，0.068 6，0.145 6，0.135 3)

3.2.3綜合評(píng)價(jià)

令Dk與集合[D11,D12,D13,…,D1k]表示評(píng)價(jià)結(jié)果，且屬于第k個(gè)評(píng)語(yǔ)等級(jí)的未確知程度，則有

其中[D11,D12,D13,…,D1k]為評(píng)價(jià)對(duì)象評(píng)價(jià)向量，該評(píng)價(jià)向量描述了評(píng)價(jià)對(duì)象在相對(duì)應(yīng)的第k個(gè)評(píng)語(yǔ)等級(jí)不確定性程度。計(jì)算得：

D=WCij=(0.628 7,0.184 8,0.080 1,0.021 6,0.003 8)

取置信度λ=0.7，置信度識(shí)別模型為:

通過(guò)計(jì)算可得，當(dāng)k=2時(shí)，滿足:

k0=k1+k2=0.628 7+0.184 8=0.813 5>0.7

即模塊化聚能切割裝置綜合效能是第2等級(jí)，為“好”。

4 結(jié)論

模塊化聚能切割裝置具有體積小、攜帶操作方便，能根據(jù)需求組合使用等特點(diǎn)，是目前應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展的破拆裝備；通過(guò)綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果為“好”，為聚能切割裝置的研發(fā)提供了技術(shù)依據(jù)。