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(xué) 理學(xué)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(fā)生了一定改變，面對可能遭受的炮火攻擊、戰(zhàn)火炙烤等惡劣作戰(zhàn)環(huán)境，其“生存”能力直接影響武器裝備和人員安全，影響作戰(zhàn)能力的保持與戰(zhàn)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(zhàn)場生存能力的重要指標(biāo)之一，倍受國際社會廣泛關(guān)注，鈍感彈藥或不敏感彈藥(insensitive munitions,IM)于20世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)并迅速發(fā)展。以美國為首的北約國家形成了一系列的試驗標(biāo)準(zhǔn)和方法，較為全面地囊括了幾乎所有非核彈藥、彈藥子系統(tǒng)、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(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)僅對反應(yīng)等級進(jìn)行了定性的描述并給出了對應(yīng)等級的可接受程度，但反應(yīng)等級結(jié)論的確定易受從業(yè)人員的經(jīng)驗與主觀判定影響，特別是爆轟與爆炸、爆燃與燃燒等現(xiàn)象在反應(yīng)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(jié)論。在鈍感彈藥技術(shù)不夠成熟的階段，很多彈藥無法滿足STANAG 4439規(guī)定的“不發(fā)生比燃燒更劇烈的反應(yīng)”要求。因此，怎樣評價一種彈藥滿足預(yù)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(fā)生反應(yīng)的各種特征的評價方法非常必要。

本文中將彈藥經(jīng)受刺激時，改變原來狀態(tài)表現(xiàn)出的一系列物理化學(xué)變化，以及可能造成的危害程度大小或?qū)Υ碳l件反應(yīng)的劇烈強度，通過典型特征描述來定義不同的彈藥反應(yīng)等級，采用數(shù)組統(tǒng)計的方法將試驗數(shù)據(jù)變成量化的結(jié)果。

重點針對彈藥壽命周期中作戰(zhàn)使用、儲運等環(huán)節(jié)，可能遭受的戰(zhàn)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(zhàn)環(huán)境，從彈藥自身對刺激條件的反應(yīng)劇烈程度來定義其反應(yīng)等級。區(qū)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(nèi)外5個反應(yīng)等級的通用表述，將彈藥反應(yīng)能夠獲取的表現(xiàn)特征定義為響應(yīng)元，將響應(yīng)元在特定反應(yīng)等級的不同表現(xiàn)形式賦予對應(yīng)的響應(yīng)值，考慮樣本數(shù)量、試驗項目種類及數(shù)量設(shè)置、響應(yīng)元的選取、響應(yīng)值判定準(zhǔn)則，采用多元統(tǒng)計陣列的模型，統(tǒng)計計算不同反應(yīng)等級對應(yīng)的符合度，以最佳符合度對應(yīng)的反應(yīng)等級為單項試驗的反應(yīng)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(jù)安全性評估“不發(fā)生比燃燒更為劇烈的反應(yīng)”要求，針對低易損性試驗項目設(shè)置、目標(biāo)彈藥特性、刺激條件、測試數(shù)據(jù)、現(xiàn)場勘察等要素對評估準(zhǔn)確性的影響，定義了對高能彈藥低易損性評估有關(guān)的概念：低易損特性響應(yīng)元、響應(yīng)元的響應(yīng)值、低易損性評估符合度。

2.1 低易損特性響應(yīng)元

低易損特性響應(yīng)元，是指能夠獲取并直觀描述安全性彈藥對刺激條件反應(yīng)程度的試驗要素。根據(jù)目標(biāo)彈藥的結(jié)構(gòu)特點、作用方式、可采用的測試手段、對環(huán)境的破壞特征等要素，將能夠給出準(zhǔn)確判定依據(jù)的要素進(jìn)行定義。定義10個響應(yīng)元，分別為殘骸、設(shè)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(xiàn)場聲響。

2.2 響應(yīng)元的響應(yīng)值

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

為便于計算，響應(yīng)值用數(shù)組表示：

(1)

式中，為第個響應(yīng)元對應(yīng)反應(yīng)等級的響應(yīng)值，在[0,1]區(qū)間取值；為設(shè)定的彈藥反應(yīng)等級數(shù)，通常不少于5個；為對應(yīng)單一項目選取的響應(yīng)元數(shù)量，設(shè)=10，一般不小于7。

表1給出了5種典型反應(yīng)等級對應(yīng)10種響應(yīng)元的判定準(zhǔn)則，對每一種反應(yīng)元在不同反應(yīng)等級中的表現(xiàn)特征和響應(yīng)值進(jìn)行了定義。

表1 反應(yīng)等級對應(yīng)響應(yīng)元判定準(zhǔn)則Table 1 Reaction grades correspond to response element criteria

對響應(yīng)元的響應(yīng)值進(jìn)行經(jīng)驗賦值，滿足響應(yīng)元判定條件的響應(yīng)值為1，不滿足響應(yīng)元判定條件的響應(yīng)值為0，同一判定條件有2種可能時對應(yīng)的響應(yīng)值為05(如反應(yīng)等級“爆燃”和響應(yīng)元“裝藥剩余”對應(yīng)的判定條件為“有大塊裝藥殘留”響應(yīng)值為1，“無裝藥殘留”響應(yīng)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(zhǔn)確程度，結(jié)果用百分?jǐn)?shù)表示。對應(yīng)符合度最大的反應(yīng)等級為最可能反應(yīng)等級。

單一樣本對應(yīng)各反應(yīng)等級評估符合度(,):對應(yīng)第個反應(yīng)等級的響應(yīng)值之和與響應(yīng)元個數(shù)的比值。

(2)

得到，樣本試驗結(jié)果對應(yīng)個反應(yīng)等級的符合度數(shù)組(,):

(3)

該數(shù)組的最大值-max對應(yīng)的反應(yīng)等級為樣本最可能的反應(yīng)等級，或該反應(yīng)等級最接近真實的試驗結(jié)果。

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

表2 某型殺爆彈快速烤燃反應(yīng)等級與響應(yīng)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(yīng)的“爆燃”為最可能的反應(yīng)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(huán)境下的儲運狀態(tài)及其包裝有較大差異，如一般運輸條件下的木質(zhì)通用包裝箱、儲運發(fā)箱；作戰(zhàn)行駛條件下的裝甲防護(hù)彈倉、外掛吊倉；陣地臨時構(gòu)建的簡易野戰(zhàn)倉庫防護(hù)掩體等。

試驗有多個刺激條件(或激勵狀態(tài))時，個刺激條件(如殉爆狀態(tài)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(tài)；子彈撞擊按子彈口徑、射流沖擊按聚能裝藥產(chǎn)生的能量大小劃分為多個狀態(tài))、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(tǒng)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(fā)。

也可將同一刺激條件作為一個單元進(jìn)行計算，第個刺激條件的響應(yīng)值采用數(shù)組求和計算：

(5)

(6)

利用某型殺爆彈殉爆試驗進(jìn)行驗證，分別采用式(4)和式(5)、式(6)進(jìn)行計算，得到相同的試驗結(jié)果，對應(yīng)“爆轟”反應(yīng)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(tài)，模擬包裝及儲運位置關(guān)系，試驗結(jié)果描述見表3。

表3 某型殺爆彈殉爆結(jié)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(chǎn)品安全指標(biāo)的符合程度，應(yīng)當(dāng)包括該類型彈藥所進(jìn)行的全部安全性項目。參考彈藥反應(yīng)等級的定義(見表4)和國外低易損性彈藥安全性評定標(biāo)準(zhǔn)(見表5)，采用kano模型將不同項目對應(yīng)的反應(yīng)等級與各反應(yīng)等級在安全性評定中的加權(quán)結(jié)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)Table 5 Evaluation standard for insensitive munition

Kano模型是一種對用戶需求分類和優(yōu)先排序的產(chǎn)品滿意度工具，根據(jù)彈藥發(fā)生反應(yīng)的劇烈程度和可能產(chǎn)生的后果危害將5個反應(yīng)等級對應(yīng)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(chǎn)品預(yù)期定義為“不期望發(fā)生或拒絕接受的、允許發(fā)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(fù)理想點，分別對反應(yīng)等級進(jìn)行加權(quán)賦值。每個樣本反應(yīng)等級的結(jié)果向正、負(fù)理想點的靠近程度，視為該樣本的考核結(jié)果對應(yīng)反應(yīng)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(yīng)”，表4中給出了使用部隊對彈藥安全性一種“理想的”反應(yīng)等級與接受程度。

定義第個樣本考核得到的反應(yīng)等級的“接受程度”為

(7)

5個反應(yīng)等級對應(yīng)的“接受程度”分別為、、、、，樣本中具有相同反應(yīng)等級的樣本數(shù)量為，第個反應(yīng)等級對應(yīng)的樣本數(shù)為，利用加權(quán)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(shù)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(jìn)行了驗證，其中殺爆彈進(jìn)行了4個低易損性項目共9發(fā)目標(biāo)彈藥樣本。按照式(1)～式(7)分別計算每個試驗科目對應(yīng)反應(yīng)等級的符合度，根據(jù)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(zhàn)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(yīng)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(wù)不同階段、不同使用對象和不同儲運環(huán)境，對同一類型彈藥的安全性需求存在差異，以及鈍感技術(shù)在彈藥中的應(yīng)用能力，可根據(jù)實際需要適當(dāng)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(quán)重，得到如表7所示的讓步接受程度和對應(yīng)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(yīng)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(shè)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(fā)。同時，結(jié)合裝備研制、生產(chǎn)、部隊使用的全壽命周期中出現(xiàn)的刺激激勵反應(yīng)數(shù)據(jù)，采用加權(quán)移動平均法計算，增加數(shù)據(jù)樣本量，隨時更新彈藥的低易損性指標(biāo)，其評價更趨近于真實。

(10)

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

5 結(jié)論

1) 響應(yīng)元設(shè)置、響應(yīng)值判定準(zhǔn)則體現(xiàn)彈藥反應(yīng)實際特征，采用數(shù)組統(tǒng)計方法能夠量化給出單個樣本與單一項目的反應(yīng)等級及結(jié)果符合度。

2) 采用加權(quán)平均法和加權(quán)移動平均法，能夠直觀體現(xiàn)所有樣本的低易損性刺激與反應(yīng)等級，其綜合評價客觀、動態(tài)，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(xiàn)有裝藥技術(shù)下該型彈藥可以讓步使用。