空气炮设计原理及非致命效能评估

陈飞翔,郭三学

(1.武警工程大学 a.研究生大队；b.装备管理与保障学院， 西安 710086；2.武警第二机动总队机动第五支队， 福建 莆田 351100)

空气炮是利用空气作为工作介质驱散群体目标的一种概念性武器。在动能驱散装备中，打击介质常以柔性介质和液体水介质为主，在使用过程中，介质体资源既不可重复利用，又常常造成环境的污染。空气炮以空气为介质体，资源充足，采集方便；作用中不发生质变，没有污染；作用过程没有间歇，可实施长时间驱散行动。目前，该武器正处于概念设计和技术论证阶段，为客观反映空气炮的综合性能，本研究构建了以非致命性为核心的评估指标体系，采用未确知测度模型对其非致命效能进行评估，为空气炮的设计与应用提供一定的参考。

1 空气炮作用原理

空气炮结构原理如图1所示，主要由充气机构、储气机构、控制机构和发射机构四部分组成。作用时，充气机构通过电能驱动差压装置，将外界气体压缩充入储气罐中，达到规定压强后，进气口关闭，充气停止，实现电能向空气压力能的转换；控制机构主要由电磁阀与活塞机构组成，电磁阀收到释放高压气体的信号后，由于活塞机构内外气体压强不同，罐内压力推动活塞运动，储气罐中的高压气体瞬间通过导气管喷向目标，并产生巨大声响，实现空气压力能向声能及空气射流动力能的转换；喷射结束后，活塞在弹簧力作用下恢复原位，密封导气管，下一次充气即可开始。周而复始，即可实现充气、储气、放气的作用过程。

1.三通电磁阀; 2.连接法兰盘; 3.活塞缸; 4.弹簧;5.活塞; 6.导气管固定体; 7.密封圈; 8.铝合金垫片;9.导气管; 10.储气罐; 11.喷嘴

2 效能评估指标体系构建

空气炮作为驱散群体目标的一种新型非致命武器，非致命性是装备特性的核心要素，以此建立非致命效能评估指标体系如图2所示。

图2 非致命效能评估指标体系框图

2.1 技术性

空气炮作为概念非致命武器，需要对其设计的原理、结构的性能、作用的可靠性进行全面的验证，以确保实现的科学性[1]。

设计原理。空气炮通过充气、储气、放气，实现作用能量的转换，符合空气动力学原理，原理设计上具有科学性，技术实现上具有可行性。

结构性能。空气炮由充气、储气、控制和发射四个机构构成，机构简单，零部件易于加工；各机构具有确定的相对运动，部件便于组装，连接稳定；储气机构密封可靠，充气、放气控制便于实现；活塞往复运动通过弹簧力控制，简单易行；常用的金属材料可满足使用要求。

可靠性。空气炮的可靠性，是指完成对群体目标驱散行动这一规定功能的能力[2]。空气炮射流半径发散快，能量耗散明显，在有效作用距离内，射流覆盖范围广，作用能量小，对群体目标作用效应可靠；空气炮能量传递方式为气动传递，而气体黏度及摩擦因数小，压缩空气的传递力、流量和方向可靠，系统按规定程序和性能工作可靠。

2.2 非致命性

空气炮作为设计的非致命装置，必须具有可靠的非致命性，它的非致命性主要取决于喷爆的能量、作用的距离、喷爆的声强。根据空气炮作用原理及非致命性要求，参照射流模拟仿真计算数据，并考虑试验的局限，设定30 L空气炮为研究对象。30 L空气炮性能设计参数如表1所示。

表1 30 L空气炮性能设计参数

喷爆能量。空气炮在作用过程中，主要通过射流对目标的冲击达到驱散效果。30 L空气炮喷口处射流速度为340 m/s，其冲击能量将对作用目标造成严重的伤害，但在10 m处其速度降至11.5 m/s，能量降至104 J，基本符合动能非致命标准。通过控制喷爆能量，不仅要实现驱散效应，同时确保在作用范围内对目标不产生致命性伤害，这些要求通过结构设计及内压力调整都可实现。

作用距离。空气射流作为发散性的流体介质，在不同的作用距离上，作用能量差异明显，且随着作用距离的增大而迅速耗散[3]。30 L空气炮有效作用距离为10～20 m，在10 m处其作用能量降到非致命限度，超过20 m其作用能量已基本消散，对驱散目标不再产生作用，严重制约空气炮作战效能发挥，提高空气介质作用距离是空气炮技术设计的难点，也是能否实现产品化的关键。

喷爆声强。空气炮作用过程中，高压气体在瞬间喷爆释放时，由于流通面积的改变导致压力和流速变化，从而在喷口产生较大噪声[4]。本研究设计的空气炮压强为0.4～0.8 MPa，在喷口处，其声强较大，对人员具有一定危险性，但随着声强传播中的发散，一般在10 m处达到正常的非致命声强值，对作用目标不会造成致命性伤害，同时也具有一定的声响震慑。

2.3 应用性

空气炮的应用性，主要通过机动性、操作维护性和环保性进行衡量。

机动性。通常是指在规定的时间内部署到预定使用区域的能力[5]。空气炮根据任务需要，可设计不同的体积，罐体越大，储存气体越多，作用效果越好，但罐体越庞大，体积也越大，机动性也越差。结合驱散行动实际，选择30L作为设计指标，在行动中，可通过牵引或运载方式随队行动，以实现预期机动性能。

操作维护性。空气炮充气、储气、控制、发射机构，结构简单，构件常见；通过控制电能驱动差压装置来发射高压射流，操作控制简单；能够根据目标距离控制射流方向和强度，调整使用方便。空气炮构成中，复杂机件和移动机件较少，在作用中，振动冲击效应有限，不易导致零部件损坏，故障性低；零件更换也很方便，操作维护性强。

环保性。空气炮以空气为作用介质，通过电能驱动方式压缩气体形成高压射流，源动力清洁高效没有污染，且介质体来源充足采集方便，不需要进行初加工，在使用转换中也不发生质变，作用后能够对装备、基础设施和环境的破坏降至最低限[6]，具有极强环保性，能够达到零污染；其整体构件以金属材质为主，使用寿命久，能够节约装备生产使用的自然资源。

3 未确知测度模型

未确知理论是由我国工程院院士王光远教授于1990年在建筑工程理论的研究中提出的，它用来刻画处理由于决策者主观认识上的不确定性而产生的不确定性信息，其在军事、环境、工程等领域得到了广泛应用，取得了较好的效果[7-8]。对于新型装备效能评估，其中涉及众多不确定因素，基于未确知理论构建的信息熵未确知效能评估方法，从不确定性着手评估装备体系效能，能够全面考虑随机性和不确定性因素，充分体现未确知因素对效能的影响，具有现实客观性[9]。本文运用未确知测度评价预测模型的理论和思想[10-11]，将未确知数学理论运用到空气炮效能评估中，利用信息熵理论客观地确定各影响因素的权重，对空气炮设计原理及非致命性的不确定信息进行处理，较好地消除了人为因素带来的偏差，使评价结果更符合实际。

3.1 单指标未确知测度

设评价对象U的评价对象有i个(i=1,2,…,m)，空间集合由[U1,U2,…,Ui]组成；每个评价对象的评价指标有j个(j=1,2,…,n)，其空间集合由[U1j,U2j,…,Uij]组成。现将每个评价指标分为“好”、“较好”、“中等”、“一般”、“差” 5个评价区间，对应为[1,0.90]为“好”，(0.90,0.75]为“较好”，(0.75,0.60]为“中等”，(0.60,0.45]为“一般”，(0.45,0]为“差”。专家需将0～1分打给每个评价指标所对应的评语区间，并且满足：

(1)

由此可得到指标测度评价矩阵：

(2)

3.2 基于信息熵的指标权重

观测值具有不确定性，主要体现在数量上的度量，是观测值分布的相应泛函，这就是熵[12-13]。未确知程度熵函数表达式为：

(3)

(4)

(5)

式中，wi为相对重要程度，指测量指标Uij相对于其他指标的重要度，且wi必须满足0≤wi≤1。则W=(w1,w2,…,wm)为空气炮评价因素各个评价指标相对应的权重向量。

3.3 计算未确知程度

令Ck与集合[C11,C12,…,C1k]表示评价结果，且属于第k个评语等级的未确知程度，则：

(6)

其中[C11,C12,…,C1k]为评价对象评价向量，该评价向量描述了评价对象在相对应的第k个评语等级不确定性程度。

3.4 置信度识别

为了得到对评价对象的确定性程度，需要对评价向量进行相应的置信度识别。令λ为置信度(λ必须≥0.5，通常情况下取值为0.6或0.7)，且置信度识别模型为：

(7)

取k值满足式(7)，则评价对象的评价结果为第k0个评价等级Ck。

4 空气炮非致命效能评估

4.1 确定未确知测度评价矩阵

由10位装备专家分别给每个待评价指标进行打分，得到空气炮相应未确知矩阵：

(7)

4.2 计算指标权重

由式(5)可计算出空气炮单因素指标权重：

W=(0.196 3, 0.163 4, 0.096 7, 0.100 1, 0.007 3,

0.112 4, 0.028 4, 0.099 0, 0.196 3)

4.3 计算综合评价向量

由式(6)可计算出综合评价向量：

U=(0.196 3, 0.163 4, 0.0967, 0.100 1,

0.007 3, 0.112 4, 0.028 4, 0.099 0, 0.196 3)

(0.801 014, 0.112 975, 0.054 436, 0.030 015, 0.001 46)

4.4 置信度识别

取置信度λ=0.7，由置信度识别准则公式(7)，计算得到k=1时，满足：

0.801 014>0.7

即空气炮非致命效能为第1等级，记做“好”。通过此结果，得知以空气作为动能打击介质的空气炮，在设计原理和非致命效能上具有科学性和应用价值，为空气炮的设计和应用提供了参考。

5 结论

1) 本研究设计了空气炮，论述了其作用原理，构建了以非致命性为核心的效能指标体系，能客观反映空气炮的非致命效能。

2) 采用未确知测度评估模型，对空气炮非致命效能进行了评估，其评估结果为“好”。

3) 非致命空气炮的效能评估，为研制以空气为打击介质的非致命武器提供了依据。