弹药安全性能评价模型研究

董三强，冯顺山，金俊

(1.北京理工大学 爆炸科学技术国家重点实验室，北京100081;2.第二炮兵工程学院 核工程系，陕西 西安710025;3.装甲兵工程学院 机电工程系，北京100072)

弹药安全一直是世界各国普遍关注的问题。纵观弹药的发展历史，由于安全性设计方面的缺陷，以及管理和使用方面的不足，弹药爆炸事故频繁发生，造成重大的人员伤亡和财产损失。文献［1］提出安全性弹药的概念，要求在弹药中引入安全性设计来保证弹药在其寿命周期中各个环节的安全性。安全性弹药概念的提出顺应了社会的发展和人类文明的进步对弹药安全的新的要求，代表了弹药的未来发展方向。

弹药安全评价是安全性弹药安全设计中的必要环节。目前弹药或危险性物质安全评估模型综合考虑人员、管理、弹药以及环境等多方面的因素，分析比较简单，甚至是基于对诸多重要安全因素的模糊评价，不能准确反映弹药固有的安全能力［2-6］。本文依据弹药相对其寿命过程可能遭受到的主要环境刺激因素的安全水平提出弹药的安全判据，建立弹药安全性能评价模型。基于该模型对某钝感弹药的安全性能进行评价。

1 弹药的安全判据

安全与危险总是相互依存的。弹药一般都含有各种各样的含能材料，危险性是其本身所固有的特性，且弹药终归是为了完成某项作战任务，在执行完使命之前会一直存在于其寿命过程的某个环节中，因此弹药的安全具有相对性，与弹药固有的危险性因素(如引信、爆炸序列以及主装药等)对环境刺激因素的感度有关。通过定义弹药相对于其寿命过程可能遭受到的主要环境刺激因素的安全水平来评价弹药的安全性能。

设弹药在其寿命过程中可能遇到n 类环境刺激因素，以集合的形式表示为

式中:Xi(i=1，2，…，n)表示第i 个环境刺激因素。

每一类环境刺激因素可以用一组特性参数来表征

式中:xij(j =1，2，…，mi)表示刺激因素Xi的第j 个特性参数。如破片={破片速度，破片质量，破片形状因子}，冲击波={ 冲击波压力，冲击波持续时间}。

对于任意一类环境刺激因素Xi，以其某一水平(其特性参数分别取值)作为弹药相对于该刺激因素的安全标准，称为临界安全水平，记为Xc-i.

规定: 当弹药在所有低于该水平的环境刺激因素Xi的作用下均不发生危险响应时，是相对安全的，否则是相对不安全的。

分别规定集U 中所有环境刺激因素的临界水平，得到弹药的临界安全水平

式中:Xc-i(i=1，2，…，n)为第i 类环境刺激因素的临界安全水平。

对于给定弹药，以U*表示其在集U 中所有刺激因素作用下的最高安全水平

式中:X*i(i=1，2，…，n)表示该弹药在第i 类环境刺激因素的作用下的最高安全水平。

则依据安全性弹药的安全理念，弹药的相对安全的判据可表示为，对于任意⊂U*，满足

则称(5)式中满足U*=Uc的弹药为临界安全弹药。

如果存在X*i⊂U*，使

则称弹药为低安全弹药或不安全弹药。

2 弹药安全性能评价模型的建立

2.1 基本约定

以变量a 表示弹药的安全性能，即安全度值，并提出以下约定:

1)a 在(0，1)间取值。

2)以a =0.5 表示弹药的临界安全水平; a≥0.5 则认为弹药是相对安全的，且a 越大弹药的相对安全性能越好;a＜0.5 则认为弹药为低安全或不安全弹药，且a 越小弹药越不安全。

2.2 弹药安全性评价模型

仍以集合U 表示弹药在其寿命过程中所主要遭受的环境刺激因素，以集合Uc作为弹药的安全判据，以集合U*表示给定弹药的安全水平。

由于不同环境刺激因素之间以及同一环境刺激因素的不同特性参数之间一般不具有可比性，为了便于比较和计算，引入转换关系转换为统一的安全度形式

式中:a*ij为第i 类环境刺激因素中第j 个特性参数的安全度表示形式;和xc-ij分别为U*和Uc中第i类环境刺激因素中第j 个特性参数的取值; kij为转换因子。

(7)式中，当表示弹药在环境刺激因素Xi作用下的安全性能的特性参数的值随着弹药的安全性能的提高而增大时，取“+”;反之取“-”.

经过转换，可以得到反映弹药相对于刺激因素Xi的实际安全水平的安全度集合

记弹药相对于环境刺激因素Xi的安全度为.通过下面的方法评价弹药相对于环境刺激因素Xi的安全性。

如果存在a*ij∈A*i，使a*ij＜0.5，则称弹药在环境刺激因素Xi的作用下是低安全的或不安全的，不能通过加权平均或算术平均的方法来计算，否则可能丢失弹药最重要的安全信息。本文以最大安全原则处理此类情况，

由(9)式和(10)式可以确定弹药相对于不同环境刺激因素的安全度集合

以集合W 表示环境刺激因素U 的权重集

式中:wi(i =1，2，…，n)为集合U 中元素Xi的权重值，表示不同环境刺激因素对弹药整体安全性能的影响程度，且有

通过下面的方法计算弹药的安全度。

如果任意a*i∈A*，满足a*i≥0.5，则称弹药为相对安全弹药，通过加权平均的方法计算弹药的安全度值

如果存在a*i∈A*，使a*i＜0.5，则称该弹药为低安全或不安全弹药，不能通过加权平均的方法计算弹药的安全度，否则可能丢失弹药最重要的安全信息。本文采用下式计算弹药的安全度

式中:m 为使弹药未能达到安全标准的环境刺激因素的个数;和(j =1，2，…，m)分别为弹药相对于某类环境刺激未能达到安全标准时的相应安全度值和权重值。

2.3 弹药的安全等级划分

依据(13)式和(14)式计算得到的弹药安全度值，可以将弹药划分为如表1所示的5 个安全等级和3 个不安全等级。

依据弹药的安全度值而划分的弹药安全等级是一个相对安全的概念，参考标准是弹药的安全判据。因此，集合U 中环境刺激因素的选择要建立在对弹药的安全风险进行充分分析的基础之上，确保影响弹药安全的主要环境刺激因素不被遗漏。其次，集合U 中环境刺激因素的临界水平的确定需要切实反映环境刺激因素的现实威胁水平，同时还要考虑当前弹药安全设计的技术水平，既不能定的太高，而限制弹药的有效生产及使用，又不能定的太低，降低弹药的安全等级而失去安全性弹药的意义。

表1 弹药安全等级划分Tab.1 Safety ranks of assessed ammunitions

3 算例

基于本文建立的弹药安全性能评价模型计算了美国空军研制的改Mk-82 钝感常规炸弹的安全性能。改Mk-82 钝感炸弹是美国空军Wight 实验室于20世纪90年代在Mk-82 的基础上通过应用钝感主装药及改装引信而开发的［7］。冷战期间，受到只具有HD1.1 资格的弹药的Q/D 的严格限制，大大削减了美国空军对欧洲战区的弹药配备及运输能力。因此，美国空军启动了该项研究，旨在通过钝感改进，提高弹药的安全等级，使其整弹达到HD1.2的标准，未装引信时达到HD1.6 的标准。

模型中分析了弹药相对于撞击、冲击波、子弹冲击、慢速烤燃和快速烤燃5 种不同环境刺激因素的安全性能。弹药的安全判据中，特性参数的设定及相关测试方法如表2所示，特性参数的临界取值参考HD1.6 的安全标准给出［8-9］，如表3所示。

计算过程及最终取值如表3所示。根据计算结果，该钝感弹药的安全度值为0.65，属于比较安全弹药。考虑到当前较为突出的弹药终点未爆安全问题，结合在相关研究中提出的自失效弹药的概念［1］进一步分析了弹药终点未爆时引入自失效设计对改Mk-82 安全性能的影响。

以弹药终点未爆时的自失效性能作为评价弹药安全性能的因素之一引入到前面所建立的弹药安全性能评价模型中，以弹药自失效模式(即引信自失效、爆炸序列自失效和主装药自失效)和自失效时间(即弹药按照预定自失效模式失去规定效能的时间t*)作为评价弹药终点未爆安全性能的特性参数。取弹药终点未爆时规定的自失效时间(τd-c)为5 d，计算了不同自失效模式下弹药终点未爆时的安全性能如图1(a)所示，以及考虑了弹药终点未爆自失效设计的改Mk-82 钝感常规炸弹的整体安全性能，如图1(b)所示。

表2 改Mk-82 弹药的安全判据Tab.2 Safety criteria for modified Mk-82

表3 改Mk-82 安全评价结果(a=0.65)Tab.3 Safety evaluation results for modified Mk-82 (a=0.65)

图1 弹药终点未爆自失效设计对弹药安全性能的影响Fig.1 Effect of terminal self-failing design for UXO on ammunition safety

结果显示，当弹药终点未爆时，在引信自失效、装药自失效和爆炸序列自失效3 种不同的自失效模式下的弹药终点未爆安全度值最高分别为0.546(一般安全弹药)、0.598(一般安全弹药)和0.701(比较安全弹药)。考虑终点自失效设计时，改Mk-82 钝感常规炸弹在3 种不同自失效模式下的安全度值分别达到0.687(比较安全弹药)、0.695(比较安全弹药)和0.711(安全弹药)。由此得出结论，引入弹药终点未爆自失效设计可以显著提高弹药的综合安全水平，且爆炸序列自失效设计对弹药的安全性能的贡献最大，引信自失效设计对弹药的整体安全性能影响最小。

4 结论

1)根据弹药相对其寿命过程中可能遭受的主要环境刺激因素的安全水平提出了弹药的安全判据，引入安全度参数，建立了弹药安全性能评价的理论模型。依据弹药的安全度值划分了弹药的安全等级。

2)基于该评价模型计算了改Mk-82 钝感常规炸弹的安全性能，分析了弹药终点未爆时自失效设计对弹药整体安全性能的影响。结果显示，终点未爆自失效设计能明显提高弹药的安全水平。此模型较好地反映了弹药固有的安全性能，可以为弹药安全性设计及安全性能评价提供理论指导。

References)

［1］董三强.弹药安全理论及相关应用研究［D］.北京:北京理工大学，2008.DONG San-qiang.Research on safety theory and related application of ammunitions［D］.Beijing:Beijing Institute of Technology，2008.(in Chinese)

［2］宣兆龙.野战弹药环境安全的灰色模糊综合评判［J］.装备环境工程，2006，3(1): 56 -59.XUAN Zhao-long.Fuzzy-grey comprehensive evaluation to environmental safety of field ammunition［J］.Equipment Environmental Engineering，2006，3(1): 56 - 59.

［3］刘小春，黄嵩.基于模糊数学的民爆器材料库房安全综合评价模型及应用［J］.中国安全科学学报，2007，17(7): 102 -105.LIU Xiao-chun，HUANG Song.Comprehensive safety assessment model for civil blasting material storeroom based on fuzzy mathematics and its application［J］.China Safety Science Journal，2007，17(7):102 -105.

［4］宣兆龙，易建政，吴建华.灰色模糊理论在弹药安全管理系统评价中的应用［J］.军械工程学院学报，2005，17(2): 4 -6.XUAN Zhao-long，YI Jian-zheng，WU Jian-hua.Application of fuzzy-grey theory in security assessment of system managing ammunition［J］.Journal of Ordnance Engineering College，2005，17(2): 4 -6.

［5］刘铁民，张兴凯，刘功智.安全评价方法应用指南［M］.北京: 化学工业出版社，2005: 227 -293.LIU Tie-ming，ZHANG Xing-kai，LIU Gong-zhi.Application guides of safety assessment methods［M］.Beijing: Chemical Industry Press，2005: 227 -293.(in Chinese)

［6］罗云，樊运晓，马晓春.风险分析与安全评价［M］.北京: 化学工业出版社，2004:176 -178.LUO Yun，PAN Yun-xiao，MA Xiao-chun.Risk analysis and safety assessment［M］.Beijing: Chemical Industry Press，2004:176 -178.(in Chinese)

［7］Corley J D.Fuzed insensitive general purpose bomb containing AFX-645［R］.WL-TR-95-7019，Florida: Eglin Air Force Base，1995.

［8］DOD4145.26-M，DOD contractors' safety manual for ammunition and explosives［S］.Washington: DOD，1997.

［9］TB 700-2，DOD Ammunition and explosives hazard classification procedures［S］.Washington: DOD，1998.