模块化聚能切割装置设计及效能评估

陈治民，郭三学

(武警工程大学 装备管理与保障学院， 西安 710000)

在应急救援、反恐突击行动中，任务部队常常需要对障碍物进行破拆，以便实现快速突入、有效处置。传统的炸、撞、砍、切、锉、撬等手段，耗时费力效率低，往往还会对障碍物整体结构及有关目标造成较大破坏，影响工作正常进展。近年来，定向爆破、聚能装药技术的发展为实施定向破拆提供了有效技术手段。聚能切割是基于聚能效应的切割技术，可对墙体、玻璃、防盗门、交通工具舱体等进行破拆，具有高速有效、安全可靠、操作方便且不受环境限制等特点，在各个领域被广泛应用[1-3]。现实中由于障碍物的性质、结构、形状等不同，很有必要开展模块化聚能切割装置研究，并对其破拆效能进行评估，为部队遂行多样化任务提供理论依据和技术支持。

1 作用原理

聚能切割装置如图1(a)所示[4]，主要由壳体、聚能罩、主装药、引爆药等组成[5]。切割目标时切割索被雷管引爆，炸药爆炸产生爆轰能量，迅速压垮聚能罩并形成一股能量密度高、方向性强的“刀片”状金属射流(其余材料形成杵体)，见图1(b)，射流头部速度可达4 500 m/s,在高温高压环境下对切割目标进行侵彻，避免了爆炸能量360°释放对切割目标整体结构及相关目标造成破坏，从而实现定向切割的目的[6-8]。

图1 聚能切割装置结构(a)和切割(b)示意图

2 模块化聚能切割装置设计

从理论上讲，聚能装置只要设计合适的装药量和聚能罩尺寸，就可切割不同厚度、不同材料的障碍物。目前，切割墙体、防盗门及交通工具舱体的聚能装置大多设计成矩形结构，尺寸一般为长1 000 mm×宽500 mm，这种装置体积大、操作应用不方便，有必要设计一种体积小、重量轻、易携带、效率高的模块化聚能装置，应用时可将多个聚能块按需求组合尺寸，通过胶粘与目标连接。

模块化聚能块由聚能罩、炸药、金属壳体构成，采用面对称结构，壳体与聚能罩为一体式设计，内部均匀、对称装药，结构设计尺寸约为长100 mm×宽55 mm×高55 mm，这样方便携带和应用组合，结构如图2所示。药型罩为“ V”型结构，锥角一般是70°～80°[9]，壳体两端设置卡扣，可将聚能块组合连接。聚能罩材料要求可压缩性小、密度大、塑性和延展性好。紫铜具有密度大、熔点适中、声速高、延展性好、不易断裂等特点，是制作聚能罩的理想材料[10-12]。

图2 模块化聚能药块结构示意图

炸药是聚能射流的能源，装药量设计直接影响切割效果。射流侵彻孔道容积、切割深度均与爆轰压力有关,如图3所示。L表示侵彻孔道的深度(mm)，V表示侵彻孔道的容积(mm3)。按照爆轰理论,爆轰压力是炸药爆速和装药密度的函数[6]26。

图3 侵彻深度、孔道容积与爆压的关系曲线

式中:P表示爆轰压力(GPa);ρο表示装药密度(g/cm3);D表示炸药爆速(m/s)。由此可见，选用高爆速、大密度的炸药切割效果好。目前国内外主装药选择主要以RDX、HMX为主。装药量在满足切割技术指标的前提下,应尽量减少用量，以降低爆炸产生的冲击波、爆轰产物和噪音。研究表明，装药量2 000 g/m可切割45号35 mm厚钢板；装药量800 g/m、600 g/m分别可切割厚度37 cm、24 cm砖墙和有关交通工具舱体；装药量58 g/m可切割甲级(含甲级)以下级别防盗安全门、厚度小于120 mm砖砌墙；装药量24 g/m、6.3 g/m分别可切割厚度8 mm的车辆夹胶玻璃和贴膜钢化玻璃[13]。

主要由起爆电线、起爆线盘、起爆器和电雷管组成。起爆前要在雷管两个脚线短路的基础上，将雷管插入模块化聚能药块，固定聚能块至切割目标、操作人员撤离爆破点后，起爆作业点向爆破破拆点敷设起爆线路，接线雷管前要去除人体静电，将两个雷管颜色一致的脚线分别连接，雷管脚线与线盘导线连接，并用绝缘胶带缠绕两个接头，现场人员迅速撤离到安全区域并实施隐蔽；起爆时旋转起爆器到“起爆”状态，聚能切割装置起爆，完成目标破拆。

3 模块化聚能切割装置效能评估

模块化聚能切割装置是快速破拆的新手段，应采取科学的方法对其综合性能进行评估，为今后应用研发提供技术依据。

3.1 指标体系设计

效能评价指标要遵循科学性、针对性、实用性和可操作性等原则，根据聚能模块切割能力构成，设计综合效能评估指标体系如图4所示。

图4 综合效能评估指标体系框图

1) 技术性

结构设计。模块化聚能切割装置主要由聚能罩、主装药、引爆药等组成，结构设计小巧、操作简单、组装方便，起爆系统安全可靠，炸药选择和装药量根据需求设计，切割面积和程度可控，金属射流方向性和稳定性高，且充分考虑了冲击波、爆炸噪声等对人员不产生伤害。

作用原理。将炸药爆炸产生的能量转换成聚能装药中药型罩的动能，利用罩体在炸药作用下汇聚成的金属射流，达到对目标的高速侵彻，技术原理可有效实现。

可靠性。爆轰压力主要取决于炸药种类和装药结构，聚能装置装药为高爆速高猛度炸药，“ V”型药型罩易于获得较大的射流质量与射流速度，引爆炸药的爆轰能量能让药型罩可靠实现具有方向性的金属射流，达到切割效应。

2) 战术性

作用面积。模块化聚能装置切割尺寸可以根据实际需要组合安装，其切割尺寸标准是单体目标能够方便突入，同时不产生次生破坏，不造成人员伤亡。

时间。模块化聚能装置通过雷管引爆炸药，金属射流完成破拆作业时间短、效率高，同时，模块化聚能装置安装十分方便。

破拆能力。模块化聚能装置可以根据切割目标材质、厚度设计装药量，实现对不同障碍物的破拆，适用于不同军事工程的切割、爆破，应用广泛。

3 ) 应用性

操作性。操作聚能装置要选好易于破拆的目标与点位，用双面胶固定好切割装置，敷设接好起爆线路，远程操控、使用简单，破拆后收回导线、清理现场。

安全性。聚能装置适应温度为-40～+50 ℃，贮存期可达15年；操作时人员应立即撤离到距爆炸点不小于300 m的安全区域，做好隐蔽防护工作，以保证自身安全。

便携性。模块化聚能块尺寸小，可设计成长100 mm×宽55 mm×高55 mm，重量轻，这样使得携带很方便，安装操作简单。

3.2 综合效能评估

模块化聚能切割装置综合效能评估是一个涉及多目标多指标不确定性问题的决策过程，不仅要考虑诸多的定量指标，而且需考虑大量的定性指标，存在极大的不确定性和隐蔽性。未确知理论能够很好地整合处理这些不确定信息，并进行综合分析，为解决此类问题提供了一个较好的方法，已在多个领域得到广泛应用并取得良好效果[14-17]。

3.2.1单指标未确知矩阵

设评价对象C的评价对象有i个(i=1,2,3,…,n)，空间集合由[c1,c2,c3,…,ci]组成,每个评价对象的评价指标有j个(j=1,2,3,…,n)，其空间集合由[c1j,c2j,c3j,…,cij]组成。现将每个评价指标分为“很好”、“好”、“中等”、“一般”、“差”5个评价区间，对应为[1，0.9]为“很好”，(0.9，0.75]为“好”，(0.75，0.6]为“中等”，(0.6，0.45]为“一般”，(0.45，0]为“差”。邀请专家将0～1分打给每个评价指标所对应的评语区间，并且满足：

采取专家打分法得到相应未确知矩阵：

3.2.2指标权重

计算各指标的权重，令

归一化处理，得

ωi为相对重要程度，指测量指标cij相对于其他指标的重要度，且ωi必须满足0≤ωi≤1。计算可得权重向量为：

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综合评价

令Dk与集合[D11,D12,D13,…,D1k]表示评价结果，且属于第k个评语等级的未确知程度，则有

其中[D11,D12,D13,…,D1k]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。计算得：

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

取置信度λ=0.7，置信度识别模型为:

通过计算可得，当k=2时，满足:

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

即模块化聚能切割装置综合效能是第2等级，为“好”。

4 结论

模块化聚能切割装置具有体积小、携带操作方便，能根据需求组合使用等特点，是目前应重点发展的破拆装备；通过综合评价，结果为“好”，为聚能切割装置的研发提供了技术依据。