单兵云爆火箭弹贮存失效分析

2018-03-02吴力力丁玉奎甄建伟

火力与指挥控制 2018年1期

吴力力，丁玉奎，甄建伟

（陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003）

0 引言

云爆弹是20世纪七八十年代才兴起的新型高能弹药，内部装填的不是普通的凝聚炸药而是高能混合燃料，这种高能混合燃料又被称作云爆剂［1-2］。单兵云爆火箭弹是一种由单个士兵发射使用的新型武器，与单兵所使用的手榴弹、枪榴弹、榴弹发射器等传统武器不同的是，其他武器大都是靠破片杀伤，以人员为主要杀伤目标。而单兵云爆火箭弹则是以冲击波摧毁建筑物为主要目标，也可通过冲击波和窒息作用消灭有生目标。

单兵云爆火箭弹由于元部件复杂，特别是含有许多非金属元部件，在长期贮存过程中容易受到外界环境和条件影响而失效。单兵云爆火箭弹作为新型高能弹药，其战略作用和地位比其他弹药更为重要。单兵云爆火箭弹的失效必将给部队装备建设带来重大损失，同时也会给部队官兵安全带来不稳定因素［3］。因此，有必要对单兵云爆火箭弹贮存失效进行分析。本文利用常用的失效树分析（FTA）、失效模式影响和危害性分析（FMECA）、失效模式机理和影响分析（FMMEA）法对单兵云爆火箭弹的贮存失效进行了有效分析，找出了其中最容易失效的“薄弱环节”，以便今后对该弹产品进行质量监控和采取有效预防措施。

1 单兵云爆火箭弹结构及功能分析

单兵云爆火箭弹主要由包装发射筒、弹丸、引燃器、弹性爪组件和发动机等几部分组成，其主体结构如下页图1所示。包装发射筒是发射云爆火箭弹的筒体，同时是飞行弹丸和固定发动机的密封包装筒。发射筒主要材质为玻璃钢，玻璃钢相对密度较小，强度却较大，并且耐腐蚀，能够适应各种恶劣的作战环境。弹丸是单兵云爆火箭弹的主体，用于毁伤目标，一般为在飞行中旋转的尾翼式弹丸。弹丸又由弹体、云爆剂、引信和点火爆炸装药组成，尾翼裙位于弹体底部，在飞行中它使弹翼成一定的角度，尾翼使弹丸稳定飞行和旋转。弹底引信是靠惯性击发的半保险式引信，用于引爆点火爆炸装药。点火爆炸装药用于抛洒和点燃云爆剂，云爆剂由硝酸异丙酯（IPN）与镁粉混合而成，云爆剂爆轰产生冲击波毁伤目标［4］。飞行弹丸由弹性爪组件固定在发动机上，发动机用来赋予弹丸初速，它是一种浮动式发动机。发动机由发动机壳体，发射药和点火药组成。发动机壳体用来装带点火药的点火具和发射药，发射药是固定在药室内的管状药。点火药装在点火具中，用于引燃发射药。

2 贮存失效分析方法

2.1 失效树分析方法

FTA是用以表明系统组成部分的失效或外界事件将导致系统发生失效的逻辑图。FTA是一种逻辑因果关系图，构图的元素是事件和逻辑门。FTA是以系统最不希望发生的事件作为分析目标，通过逐层向下推出所有的可能原因，从而找出系统可能存在的元件失效及环境影响［5］。通过分析可以对造成产品失效的部件和环境进行分析，确定失效原因和发生概率。FTA可以广泛用于判明产品失效模式和原因、发现“薄弱环节”、计算失效概率。

2.2 失效模式、影响和危害性分析方法

FMECA是由失效模式及影响分析（FMEA）和危害性分析（CA）组成，只有先进行失效模式及影响分析（FMEA）才能进行危害性分析（CA）［6］。FMECA的目的是分析产品所有可能的失效模式及其对产品造成的可能影响，并按失效模式的严酷度及其发生概率予以分类的一种自下而上进行归纳的分析技术。其主要用途有：找出产品所有可能的失效模式及其影响，并进行定性、定量分析，进而采取相应的措施。

2.3 失效模式、机理和影响分析方法

FTA、FMECA都只是用来初步确定系统的失效模式和失效原因，并没有解决产品发生失效时是由何种失效机理引起的这个关键问题［7］。针对此问题，美国的CALCE中心提出了FMMEA方法，就是在失效模式及影响分析的基础上，进一步深入分析，明确引起失效的主要应力及其对应的失效机理。其实施步骤如图2所示。

3 失效树分析

3.1 失效树建立

失效树分析首先建立失效树，然后进行定性分析，而后进一步开展定量分析。建立失效树实质就是找出失效和导致其失效的诸因素之间的逻辑关系，并将这种关系用失效树表示出来。

根据FTA实施流程，结合研究内容，以单兵云爆火箭弹弹药系统失效为顶事件建立失效树。导致弹药系统失效的直接原因有：包装发射筒失效、引燃器失效、弹丸失效、弹性爪组件失效、发动机失效。包装发射筒失效直接原因有：筒体老化破裂、堵盖密封剂老化。引燃器失效直接原因有：底火失效、引火药失效。弹丸失效直接原因有：云爆剂失效、点火爆炸装药失效、引信失效、密封元件失效。弹性爪组件失效直接原因有：弹性爪弹性不足、支撑环破裂。发动机失效直接原因有：点火具失效、发射装药失效。单兵云爆火箭弹弹药系统FTA如图3所示，事件代号、名称如表1所示。

表1 FTA事件的代号、名称

对单兵云爆火箭弹失效事故树进行定性分析，利用上行法求解，可知失效故障树的布尔代数表达式为：

由失效故障树布尔代数表达式可知，单兵云爆火箭弹失效故障有24个一阶故障，其中任一故障的发生都会造成弹药系统的失效。一阶故障为单点故障，单点故障的存在对弹药系统的失效引信最大，应采取相应使单点故障归零。

3.2 定量分析

FTA定量分析的主要任务是在底事件互相独立和已知其发生概率的条件下，计算顶事件的发生概率和底事件重要度等量值。根据单兵云爆火箭弹实际储存质量监控数据，统计该弹各元部件失效概率，各底事件的代号及其发生概率如表2所示，表中Xi为失效底事件代号。

底事件对发生顶事件的贡献为该底事件的重要度，按照重要度对底事件进行排队，对改善产品设计、确定产品需要检测部位、制订产品故障诊断清单有重要意义［8］。由单兵云爆火箭弹的失效事故树可知该弹系统的不可靠度有式（2）：

表2 底事件的代号、发生概率

式中Fs为该弹系统的不可靠度，Fi为各底事件的不可靠度。底事件的概率重要度的计算公式如式（3）：

根据式（3）计算可得到各底事件的概率重要度，再对各底事件的概率重要度进行排名。根据式（2）和式（3）计算可知排名前3项的底事件概率重要度依次为 X9＞X11＞X12，且远大于其他各项底事件概率重要度。依此结果可以看出，硝酸异丙酯挥发、橡胶圈失效和石棉橡胶板失效对单兵云爆火箭弹弹药系统失效的影响最大。在今后该弹的设计生产和质量监控中应重点查找硝酸异丙酯的挥发原因，并解决橡胶圈和石棉橡胶板的失效问题。

4 失效模式、影响和危害性分析

4.1 失效模式及影响分析

对单兵云爆火箭弹进行失效模式及影响分析（FMEA）的主要步骤为：分析选取对象定义、故障模式分析、对故障原因进行分析、故障影响分析，故障影响又分为局部影响、高层次影响和最终影响［9］。根据单兵云爆火箭弹弹药系统FTA，选择对故障影响最大的云爆剂失效与密封元件失效作为对象进行FMEA。

云爆剂失效的故障模式有硝酸异丙酯的挥发与镁粉活性不够，硝酸异丙酯的挥发原因为密封元件密封性不好，故障局部影响为降低了硝酸异丙酯的质量，高层次影响为影响云爆剂质量和爆轰威力，最终影响为降低了云爆弹的杀伤效果。镁粉活性不够的原因为镁粉选择的品质较差，故障局部影响为降低了镁粉与氧气的反应效果，高层次影响为影响云爆剂的爆轰威力，最终影响为降低了云爆弹的杀伤效果。

密封元件失效的故障模式有密封橡胶圈的失效与石棉橡胶板的失效，密封橡胶圈失效的原因为橡胶圈受到硝酸异丙酯的侵蚀，故障局部影响为无法密封云爆剂，高层次影响为影响云爆剂的爆轰威力，最终影响为降低了云爆弹的杀伤效果。石棉橡胶板失效的原因为石棉橡胶板受到硝酸异丙酯的侵蚀，其故障影响同样是造成硝酸异丙酯的挥发，导致云爆剂质量受损，进而导致弹药威力降低。

4.2 危害性分析

危害性分析（CA）是对每一个故障模式的严重程度及其发生的概率所产生的综合影响进行分类，以全面评价产品中所有可能出现的故障模式的影响，主要方法为评分排序法、风险优先数（RPN）分析［10］。RPN 是故障模式的严酷度等级（S）、故障模式的发生概率等级（O）、故障模式的被检测难度等级（D）的乘积，RPN值越大说明该故障模式的危害性越大，其计算公式如式（4）：

故障模式的严酷度等级（S）、发生概率等级（O）、被检测难度等级（D）分别有相应不同的等级，每个等级有相应的评分。故障模式硝酸异丙酯挥发、镁粉活性不够、密封橡胶圈的失效与石棉橡胶板的失效的严酷度等级S均为中等，评分分别为6、4、5、5；发生概率等级 O 均为中等，评分分别为 6、2、5、5；被检测难度等级D分别为高、小、中上、中上，评分分别为3、6、4、4。则故障模式硝酸异丙酯挥发、镁粉活性不够、密封橡胶圈的失效与石棉橡胶板的失效 RPN 分别为 108、48、100、100。

通过对比可知，硝酸异丙酯的挥发、密封橡胶圈的失效与石棉橡胶板的失效RPN值较高，对该弹的危害性较大，必须通过改进措施来降低故障模式的严酷度等级、发生概率等级以及被检测难度等级。通过分析故障模式硝酸异丙酯的挥发、密封橡胶圈的失效与石棉橡胶板的失效，可知硝酸异丙酯的挥发原因就是密封橡胶圈与石棉橡胶板的失效，其原因为硝酸异丙酯对密封橡胶圈与石棉橡胶板造成侵蚀。改进措施为在硝酸异丙酯与密封元件设置金属薄片隔离硝酸异丙酯与密封元件的接触，加强对该弹的质量监控。通过采取改进措施，硝酸异丙酯挥发的严酷度等级S、发生概率等级O、被检测难度等级D评分分别为4、3、3；密封橡胶圈失效的严酷度等级S、发生概率等级O、被检测难度等级D评分分别为3、3、4。石棉橡胶板失效的严酷度等级S、发生概率等级O、被检测难度等级D评分分别为3、3、4。则采取有效措施后，硝酸异丙酯的挥发、密封橡胶圈的失效与石棉橡胶板的失效RPN值分别均为36，有效降低了对弹药系统的危害性，说明采取的措施有效。根据上述的内容，输出FMECA表见下页表3所示。

5 失效模式、机理和影响分析

对单兵云爆火箭弹进行失效模式、机理和影响分析（FMMEA）是在进行失效模式及影响分析的基础上，针对某重点失效模式深入研究获取其失效机理。通过上述分析可知，硝酸异丙酯挥发概率重要度及危害性最大，即选取硝酸异丙酯挥发为对象进行FMMEA。

硝酸异丙酯的挥发直接原因是因为密封元件的失效，难以对硝酸异丙酯进行有效密封。进一步分析得知，硝酸异丙酯与密封橡胶会发生溶胀，从而导致硝酸异丙酯的泄露挥发。橡胶为高分子聚合物材料，高分子聚合物在溶剂分子中体积发生膨胀的现象称为溶胀。溶胀的结果宏观上体积显著膨胀，虽仍保持固体性能，但强度、伸长率急剧下降，甚至丧失使用性能［11］。橡胶高分子链间隙较大，分子间相互作用较弱，硝酸异丙酯分子容易渗入到高分子内部，当硝酸异丙酯与橡胶高分子的亲和力较大时，就与橡胶大分子发生溶剂化作用，并因热运动而向橡胶大分子的内部间隙渗透，渗透进去的硝酸异丙酯分子也会引发橡胶大分子链段的溶剂化，使橡胶大分子链段间作用力减弱，间距增大。

表3 单兵云爆火箭弹FMECA

密封橡胶圈为丁腈橡胶，石棉橡胶板中也含有硫化橡胶，都会与硝酸异丙酯发生溶胀，导致密封性能下降，进而导致硝酸异丙酯的不断挥发泄露。由于硝酸异丙酯的不断挥发，硝酸异丙酯气体会进入到引信中与引信火工品接触，对火工品元件造成腐蚀，从而导致引信的瞎火失效。

6 结论

利用失效树分析（FTA）、失效模式影响和危害性分析（FMECA）、失效模式机理和影响分析（FMMEA）法对单兵云爆火箭弹的贮存失效进行分析，绘制出了失效故障树，根据各底事件的发生概率，计算出该弹弹药系统失效概率。分别计算了各底事件的概率重要度，通过比较找出对该弹弹药系统失效影响最大的几项底事件。选取影响最大的失效模式进行影响分析和计算RPN值，对于RPN较大的失效模式通过采取改进措施降低了RPN，而后对硝酸异丙酯挥发的失效机理进行分析。通过上述分析得出以下结论：

1）根据FTA各底事件的发生概率计算可知，单兵云爆火箭弹弹药系统失效概率为0.016 72。由各底事件概率重要度的比较易知，硝酸异丙酯的挥发、密封橡胶圈的失效与石棉橡胶板的失效对该弹弹药系统失效影响最大，在今后的设计生产和质量监控中应该重点关注；

2）根据FMECA的危害性分析可知，故障模式硝酸异丙酯挥发、密封橡胶圈失效与石棉橡胶板失效的RPN值较高，对该弹危害性最大。通过采取金属薄片隔离装置能有效降低三者的RPN值，证实采取的改进措施有效；

3）根据FMMEA可知硝酸异丙酯挥发的原因为硝酸异丙酯与密封元件中的橡胶发生溶胀，导致密封性能的下降，并导致硝酸异丙酯气体与引信火工品的接触，导致引信的瞎火失效；

4）通过FTA、FMECA、FMMEA方法综合分析可知，单兵云爆火箭弹的失效的根本原因在于硝酸异丙酯与密封元件中的橡胶发生溶胀，在后期检查监控中应重点排查，在设计生产阶段应采取有效措施进行预防。

［1］姚金侠，胥会祥.燃料空气炸药的发展现状及展望［J］.飞航导弹，2014，44（2）：85-89.

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［6］孟涛，张士念.导弹贮存延寿技术概论［M］.北京：中国宇航出版社，2013.

［7］孙月.基于FMECA和FTA的无人机起降系统可靠性研究［D］.成都：电子科技大学，2010.

［8］李良巧.可靠性工程师手册［M］.北京：中国人民大学出版社，2012.