舰载航空炸弹保障流程安全性建模分析∗

任俊鹏 严 平 王德石

（海军工程大学 武汉 430033）

舰载航空炸弹保障流程安全性建模分析∗

任俊鹏 严 平 王德石

（海军工程大学 武汉 430033）

舰载航空炸弹的安全是航母战斗力的关键因素之一。将航空炸弹的舰上保障流程划分为贮存、转运、装配、检测、挂载、补给六大作业剖面，对每个作业剖面中影响弹药安全的因素进行分析，确定在航空炸弹保障流程中的主要危险因素。根据层次分析原理，利用AHP法对航空炸弹的整个保障流程进行安全性分析，利用模糊综合评价方法，建立舰载航空炸弹保障流程的总体安全性评估模型。为提高航空炸弹的保障能力提供了一定的理论依据。

航空炸弹；保障流程；安全性

1 引言

大型舰艇的战斗力不仅仅体现在舰船的吨位、武器系统和弹药的数量上，更依赖于一套高效的作战指挥和保障业务流程。作为保障业务流程的核心组成部分，弹药的保障流程的优劣、高效、安全与否不仅制约单个舰艇的作战能力，更制约着整个编队的作战效能的发挥，关系着作战任务的成败。航空炸弹在航母上的保障流程包括弹药的贮存、转运、装配、检测、挂载、补给等六大作业剖面。通过对航空炸弹在航母上保障作业流程的梳理，分析各个流程中影响弹药安全的危险因素，利用模糊数学的方法，建立航母弹药保障流程的作业安全性评估模型，对航母弹药保障流程进行总体安全性评估。

2 弹药贮存过程中的安全性

舰上弹药的包装形式分为两种，一种是托盘化包装的弹药，一种是集装箱式的弹药。托盘化弹药由于在空气中直接暴露，在贮存、转运和补给过程中受到外界激励作用的风险更高，而箱装弹药在外包装的保护下，能够对响应的激励起到一定的缓冲作用。如图1所示，航空炸弹在舰上的典型贮存状态为“裸弹+存放架”，小型和箱装的弹药则使用存放柜贮存。

图1 航空炸弹存放方式

美海军航母、两栖攻击舰和快速支援舰的航空炸弹中，导弹采用箱装、炸弹采用裸态托盘形式贮存。贮存舱室地板配置有矩阵型系留孔，通过系留索具和系留孔进行系固［1］。

2.1 舰上长期贮存环境温度分析

舰艇携行环境中的威胁主要来自于海洋中的环境因素。温度的变化主要对弹药的发射药性能产生影响。如果弹药储存环境长期超过30℃，发射药的缓慢热分解会加速，发射药储存寿命降低，同时在使用时弹药的膛压初速将发生变化，甚至会威胁到弹药的射击安全［2～4］。炸药在正常环境下的分解速度较为缓慢，以炸药分解一半的时间τ0.5来标定其安全性。则有：式中K为反应速度常数；E为活化能；R为气体常数；A为常数，与炸药性质有关；T为反应温度（k）。

根据式（1～2），可以将其化简为

其中A为与炸药性质有关的常数。式（3）指出了炸药在不同热环境下的热爆炸延滞期和炸药的安定性。通过以上可以得出，弹药在长时间的高温贮存环境下，炸药的热爆炸延滞期会变短，同时也会加速炸药的分解速度，从而影响弹药的安全性能下的使用性能［5～9］。

2.2 舰上贮存环境的湿度分析

如果弹药储存环境相对湿度长期超过70%，发射药可能受潮，其点火药产生的火焰冲量不能迅速而全面的点燃发射药。在相对开放的储存环境中，温度与湿度的关系是此消彼长的［10］。随着温度的上升，湿度则相对下降。通过对某试验平台的检测数据可得到如图2中所示的温湿度变化趋势图［11］。

对于相对密闭的空间，其温度湿度的关系则不同。对于箱装弹药的密闭空间来说，其内部的温湿度之间存在以下关系：

图2 温湿度变化趋势图

式中U（%）为相对湿度；a（gm3）为绝对湿度；Eb（mb）为绝对温度T（K）下的饱和水汽压。

对于采用箱装形式包装的弹药来说，其包装箱体积不变，当箱内温度下降，内部空气含水量超过饱和湿度，空气中多余的水就会凝结，在弹体表面形成凝露，附在弹体的表面，加快弹体表面的氧化反应。当温度下降Tx时，将会产生凝露，则有以下露点公式可以计算得出：

其中α、β、λ均为参数。通过以上对舰上弹药的贮存环境中的盐度、温度、湿度的分析，可以得出舰上弹药的贮存过程中的安全性威胁主要来自舰上贮存环境的温湿度变化对弹体和内部炸药的影响。

2.3 舱内贮存环境的盐度分析

由于海洋大气中富含氯离子，在弹药的贮存过程中，对弹药舱室内弹药形成威胁的主要是来自通风管道或逸散到舱室内的高盐度的水蒸气对裸态弹体和弹药包装箱的腐蚀。通过对某型舰的相关舱室、舰面及某试验平台的Cl-浓度（mg/100cm3.d）进行检测，结果如表1所示。

表1 不同平台环境检测的Cl-浓度表

通过表1的测试数据可以看出，某型舰的相关弹药舱室的Cl-浓度远远低于海洋大气环境的平均数值和某试验平台的测试数据［10～12］。弹药舱内的盐雾浓度对内部存放的武器装备影响较小，可以认为弹药在舰上的贮存状态下，盐雾浓度不是主要的环境影响因素；通过已经得到的氯离子测试数据和相关舱室的湿度数据，也从另一个方面说明某型作战舰船弹药舱的密封性良好，海洋大气中的盐雾不容易进入到船舱内部。

3 弹药转运过程中的安全性

3.1 弹药在航母上的转运流程

弹药在航母上的转运作业流程需要用到不同的起吊装置、武器升降机、手动推车、弹药叉车以及大量的人力资源，转运作业需要通过不同甲板、不同区域的多个弹药舱室，作业任务量较大，转运过程较为复杂。在航母的设计过程中为考虑弹药的安全性问题，各国航母的弹药舱室、装配区和转运通道都靠近航母中央位置设置。以美国海军“尼米兹”级航母为例，其弹药舱均设置在底层甲板不同的舱室内。对于舰面弹药来说，其转运流程与航空炸弹的转运流程基本一致，具体可以分为以下环节：

1）管理人员向各个弹药舱室下达弹药需求清单；

2）各舱室勤务人员根据命令需求，将弹药取出后，转运到下层弹药升降机平台；

3）下层弹药升降机将弹药运至甲板上的弹药装配区，由装配人员将弹药分配至各装配台进行装配；

4）弹药完成装配后，由武器部门勤务人员通过弹药推车或手动叉车等工具将弹药运至各个战位［13～17］。

3.2 弹药舱室布局安全性分析

由于航母上弹药储存种类繁多，危险性又极高，各种弹药的相关安全技术要求不尽相同，所以航母上弹药舱的设置也比较复杂，不仅要考虑到弹药自身的安全性，同时还要兼顾航母的储存环境以及相关战位的布局。航母上弹药舱大致可分为三大部分：艏部弹药舱、舯部弹药舱和艉部弹药舱。如图3所示。

图3 航母军械舱室分布示意图

3.3 转运通道空间特性分析

弹药的转运可分类为舱内转运和甲板转运。俄罗斯的库兹涅佐夫级航母的军械舱室与飞行甲板之间共有3条转运通道，分别位于艏部、舯部和艉部，舰面转运装置分布如图4所示。舯部弹药舱室只能通过舯部转运通道完成转运，其中1个航空弹药转运舱室位于舯部甲板下方，通过上、下两层武器升降机绕开机库空间位置，形成舯部航空弹药舱室群与飞行甲板之间的弹药转运通道。

图4 库兹涅佐夫级航母转运通道布局示意图

航空弹药由于储存舱室位置的特殊，其在舱内转运环节较多，需要起吊作业多次，空间狭小，操作复杂。其他弹药舱内转运依靠人力，由于个别弹药重量大，经过多层斜梯时容易发生跌落等安全事故。

3.4 转运过程危险源分析

通过以上分析可知，在弹药的转运过程中，主要的威胁来自于意外跌落，意外跌落是由于人为操作不当或大风大浪等恶劣天气情况下，弹药可能由于包装、堆放、固定不牢，从而导致弹药跌落、挤压、碰撞等意外事件发生。假设弹药的跌落高度为H1，弹药跌落撞击舱底后反弹高度为H2，那么

跌落到反弹的时间为Δt，那么弹药承受的加速度a为

撞击跌落主要对弹药的薄弱、敏感部位造成冲击，可能会造成引信的解除保险，甚至引起弹药爆炸或燃烧等事故。舰上转运环节过载不超过13.638m/s2，即不超过1.39g。按照现役弹药的安全性设计标准，不至于产生爆炸后果。

4 弹药的装配及检测过程中的安全性

舰载机挂弹前需要对航空炸弹进行挂机前性能检测。美海军航母没有设置专门的导弹检测舱，而是利用便携式设备检测，在装配区的转运车上完成导弹挂机前检测工作，也可在飞行甲板临时停放区完成弹药挂机前检测。在航空炸弹的装配和检测过程中，主要危险因素来源于跌落和静电作用。由于检测平台的特殊性，一般高度不会太高，根据式（6）和式（7）可知，检测弹药跌落所承受的加速度不大，因此，在检测过程中的跌落不会造成引信等部件的保险解锁。

5 弹药挂载过程中的安全性

在航空炸弹的挂载过程中，弹药是裸态直接与舰面的高盐雾环境接触。主要为高浓度Cl-（氯离子）对弹药的腐蚀作用。在弹药的日常贮存过程中，弹药壳体发生锈蚀大部分为电化学锈蚀。电化学锈蚀的发生基本条件是壳体金属内部不同电极之间存在的电势差和不同电极之间的电解液。由于弹药一般采用复合金属材料，其内部结构不对称且多种成分非均匀分布，从而造成在壳体的表面存在大量的微电极对；同时由于海洋大气中的高湿、高盐雾环境，极易在弹药表面形成一层富含Cl-等电解液，在电解液的作用下，金属的锈蚀速度比化学锈蚀的速度快很多。

钢铁在潮湿的空气中的吸氧腐蚀反应式为

正极：O2+2H2O+4e-=4OH-；

负极：2Fe-4e-=2Fe2+；

总反应式：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2。

二价铁离子在空气中不稳定，最终被氧化变为铁锈。铁锈在弹药表面不断积累，又会在氧气和电解液的作用下加快钢铁的反应速度，即加快弹药表面的锈蚀。通过对某型舰的相关舱室、舰面及某试验平台的Cl-浓度（mg/100cm2.d）进行检测，结果如表1所示，由测试数据可以看出，某型舰面的Cl-浓度远远高于舱室内的浓度，相差两个数量级，达到了海上试验平台的25.3%。

6 弹药补给过程中的安全性

航母弹药的补给分为港口补给和航行补给。港口补给主要依靠大型机械设备进行吊装补给或叉车进行补给。航行补给包括横向补给、纵向补给和垂直补给。

6.1 弹药在补给过程中的力学环境

航母的活动范围广，海情复杂，遇到大风浪的机会多。一般来说，航母在风浪中航行会产生6个自由度的摇荡运动。对航母的航行补给分析，应分别考虑横摇、纵摇及垂荡运动。

表2 某型舰各级海况下的摇摆情况

表2为某型舰船在各级海况下的摇摆情况，经计算和分析得到，4～9级海况情况下，弹药舱所受的最大过载范围为0.288g～1.080g。

图5 弹药箱的摇摆受力分析示意图

图6 弹药箱的加速度分析示意图

如图5所示，航母上弹药舱内箱装弹药在航行中的振荡受力分析示意图，将弹药箱简化为一个质点，对其进行受力分析。由于运动的复杂性和即时性，其在6个自由度方向均有振荡。假设在T1时刻，弹药箱受到X轴方向的力为Fx，在Y轴上受到的力为Fy，在Z轴上受到的力为Fz。通过牛顿的经典力学，对弹药箱受到的力进行合成，那么弹药箱在T时刻受到的力为合力F0，通过图中可以得出：

在三个不同方向的力的作用下，弹药将具有不同的加速度。将弹药简化为一个质点，在某一时刻

弹药在补给时不仅受到航母摇摆所致的惯性力，且在库内转运、垂直转运时还受到库内转运设备及垂直转运设备的起动及停止引起的冲击。根据相关的振动数据结果来看，航母在各种状态下（停泊、航行、转向、舰载机起飞着舰等），各舱室振动过载应力大部分小于0.03g，一般不会超过0.25g。航空炸弹在舰上贮存通过存放支架系留固定，存放支架已进行了减震、隔震设计，降低了振动对弹药的损坏和影响。因此，短期上舰贮存应不会造成永久性损伤。

6.2 补给通道空间

航空炸弹等大型弹药均采用垂直补给。在航行途中，主要采用直升机进行垂直补给，在港口主要借助大型机械进行吊装补给。在航母的飞行甲板平台上设置有两个垂直弹药补给战位，艏部垂直补给战位和艉部垂直补给战位。在执行补给任务中，面临的海况比较复杂，舰体的摇摆、风速、风向、补给人员的业务熟练度、弹药补给的吊高等都是影响补给安全的因素。因此在弹药的补给过程中，意外跌落和意外撞击是影响弹药安全性的主要危险源。

7 弹药保障流程作业安全性评估模型

航母等大型舰艇平台的弹药保障流程较为复杂，包括从岸上仓库到舰艇平台的运输、吊装，从舰艇补给平台到舰上弹药舱室的转运，携行过程中在弹药舱室内的贮存，从弹药舱室内到装配、检测区域的转运，再到武器装备战位的部署，每一个保障步骤都存在着不同的危险因素，本小节以弹药在舰上舱室内贮存为起点，以弹药补给为终点，对保障全流程中的作业安全性建模分析。

7.1 弹药保障流程安全风险因素的确定

采用层析法原理对保障流程的安全风险指标进行归类区分。根据APH理论，上层准则层为风险等级，下层总指标可以分为三大类：弹药的本质安全性能；保障流程的环境条件；勤务人员的综合素质与组织管理风险。在此三大类指标的下层指标全部为并列关系。

1）弹药的本质安全风险：

·弹药的弹体结构；

·弹药的使用寿命；

·弹药的战备时间；

·传爆药的成分；

·主装药的成分；

·引信的战技术性能；

·弹药的包装形式。

2）保障流程的环境风险：

·保障流程中的温度；

·保障流程中的湿度；

·保障流程中的盐度；

·保障流程中的力学环境；

·保障流程中的冲击波作用；

·保障流程中的跌落冲击；

·保障流程中的破片冲击；

·保障流程中的补给空间；

·保障流程中的通道空间。

3）勤务人员的综合素质与组织管理风险：

·军官的心理素质及应对突发事件的能力；

·军官对弹药保障流程的熟悉程度和综合管理水平；

·军官对保障流程中潜在风险发生可能性及产生后果的认识程度及管控能力；

·舰员对弹药保障机械装备的使用熟练程度；·舰员的文化程度及身体素质；

·舰员对保障流程中的操作规程及规章制度的熟悉程度；

·舰员对消防设施分布的熟悉程度；

·舰员对消防设施的使用熟练程度；

·舰上规章制度的健全性；

·日常技术教育和安全培训制度的健全性。

7.2 保障流程的模糊综合评价

航母弹药的保障流程涉及到不同弹种，不同型号，多种保障设备以及大量的勤务保障人员，流程中存在的危险因素复杂多样，部分潜在危险因素不具有可预测性，对弹药的整个保障流程进行详细评估难度较大。模糊综合评价是综合评估中经常采用的理论。模糊评估利用模糊变换原理和引入隶属函数，采用模糊运算对结果进行排序分析。论文采用模糊综合评价对航母弹药的保障流程的作业安全性进行建模评估。

1）确定保障流程中各个环节的评价因素集合Ui={Ai，Bi，Ci} ，i=1，2，3，4，5，6。其中Ui为保障流程中的某一环节，Ai为该环节中弹药本质危险因素集合，其中aijk为弹药本质危险集合中第 j个风险因素，Bi为该环节中环境危险因素，其中bijk为弹药保障环境中危险因素的集合中第 j个风险因素，Ci为该环节中勤务人员的综合素质与组织管理风险的危险因素，其中cijk为弹药保障勤务人员的综合素质与组织管理风险中第 j个风险因素，j为危险因素的个数。

定义弹药保障流程中的贮存环节的评价因素为U1，转运环节的评价因素为U2，装配环节的评价因素为U3，检测环节的评价因素为U4，挂载环节的评价因素为U5，补给环节的评价因素为U6。弹药保障全流程的作业安全性评价框架即建立起来。

贮存环节中弹药的本质安全风险因素有7个，环境风险因素有6个，勤务人员素质与组织管理的风险有8个，如图7所示。

图7 贮存环节评价因素

图8 转运环节评价因素

转运环节中弹药的本质安全风险因素有6个，环境风险因素有6个，勤务人员素质与组织管理的风险有6个。装配环节中弹药的本质安全风险因素有5个，环境风险因素有5个，勤务人员素质与组织管理的风险有6个。

图9 装配环节评价因素

检测环节中弹药的本质安全风险因素有6个，环境风险因素有5个，勤务人员素质与组织管理的风险有6个。挂载环节中弹药的本质安全风险因素有6个，环境风险因素有5个，勤务人员素质与组织管理的风险有7个。

图10 检测环节评价因素

图11 挂载环节评价因素

补给环节中弹药的本质安全风险因素有6个，环境风险因素有7个，勤务人员素质与组织管理的风险有6个。

图12 补给环节评价因素

其中Vi为保障流程中的某一环节的评价结果，Vai为该环节中存在的弹药本质危险因素的评价结果，Vbi为该保障环节中环境的危险因素的评价结果，Vci为该环节中勤务人员的综合素质与组织管理风险的危险因素的评价结果。这一评价结果集合规定了对应某一评价因素的评价结果选择范围。评价结果集合既可以是定性的，也可以的量化后的分值。

3）确定隶属度矩阵

假设对保障流程中第i个环节中第 j类风险因素中的第k个评价因素进行单因素评价，可以得到一个模糊向量 Rk={r1，r2，r3，…，rm}，（其中m=1，2，…，n）。模糊向量 Rk反应了第k个评价因素Ui对于评价结果Vi的反映程度，0≤rm≤1。那么进一步对评价因素中所有元素进行综合评价，其结果是一个n行m列的矩阵，称之为隶属度R。显然，该矩阵中每一行是对每一个单因素的评价结果，整个矩阵包含了评价结果集合V对于评价因素U进行评价所获得的全部信息。

4）确定权重向量牙W={w1，w2，w3，…，wn}

其中 wi，i=1，2，…，n ，表示因素 ui的重要程度，即在综合评估中分配到ui的权重，满足

7.3 保障流程总体安全性评估

考虑到保障流程环节的多样性与复杂性，在对保障流程进行整体评估时，应充分考虑到弹药保障各个环节的安全性与不同环节在整个保障流程中的安全程度。本文采用级别变量特征值公式来确定评估结果。设评估环节i的级别变量特征值为Hi，则有

由此可以得到最终评价结果B：B=WR=(b1，b2，b3，…，bn)，其中

式中t为级别变量，且1＜Hi＜C。该参数描述了t分布的整体特征，综合了某一环节下隶属于各个级别的相对隶属度信息，使得评价更符合实际。

为准确评估整个保障过程的安全性，设定保障环节权重集合 K=(k1，k2，…，k6)，集合 K 表示在某一弹药的完整保障流程中，弹药的贮存、转运、装配、检测、挂载（装填）各个环节在整个弹药保障流程中所占的权重。通过6.2节所建立的评估模型以及上述改进评定结果，可以得出整个保障流程的安全度A，即

8 结语

本文以俄罗斯库兹涅佐夫号航母为例，并借鉴美国尼米兹级航母上航空炸弹的保障流程，将航空炸弹在航母上的保障流程分为贮存、转运、装配、检测、挂载及补给六大作业剖面，各作业剖面中的主要环境影响因素如下：贮存环节的主要是温度、湿度；转运环节的主要是跌落和撞击；装配和检测环节的主要是跌落和静电；挂载环节中的主要是高盐；补给环节的主要是高盐环境、意外跌落和过载力学环境。

在此基础上，结合航空炸弹的本质安全性和勤务人员的综合素质及组织管理风险，运用AHP层析法原理对保障流程的安全风险指标进行归类区分，确定弹药保障流程环节中的安全风险评估指标，采用模糊综合评价方法对航空炸弹保障流程建立安全性评估模型，对航空炸弹保障流程进行总体安全性评估。

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Analysis of Safety Modelingfor the Carrier-borne Aviation Bomb Ensuring Process

REN JunpengYAN PingWANG Deshi
（Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

The safety of carrier-borne aviation bombs is one of the key factors in aircraft carrier combat effectiveness.The carrier-borne aviation bombs ensuring process can divide to six parts：Storage，Transport，Assembly，Detection，Mount，Supply.Identify the major risk factors in the ensuring process by analyzing the factors affecting safety of aviation bomb in the every six parts.According to Analytic Hierarchy Process，analysis the aviation bomb's safety of whole ensuring process，Modeling the safety evaluation of the carrier-borne aviation bomb ensuring process by the fuzzy comprehensive evaluation method，and providing a theoretical basis for improving the aviation bomb ensuring capability.

aviation bomb，ensuring process，safety

TJ4

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.11.006

Class Number TJ4

2017年5月11日，

2017年6月30日

任俊鹏，男，博士研究生，研究方向：兵器科学与技术，弹药保障及毁伤技术。严平，男，副教授，研究方向：兵器科学与技术，弹药保障及安全评估。王德石，男，教授，研究方向：兵器科学与技术，火炮振动与新型弹药设计。