某受损弹药处置典型环节安全性研究

范志锋,高欣宝,吕 静

(1.武昌工学院 机械工程学院， 武汉 430065； 2．陆军工程大学石家庄校区， 石家庄 050003)

弹药产品一旦发生安全性失效，轻则影响部队战备训练，造成经济损失，重则造成人员伤亡[1-3]。弹药的安全性是指弹药在外界刺激条件作用下，自身发生化学反应引起爆炸的难易程度[4]。受损弹药是指经受过非正常外界能量的冲击或非正常环境介质侵蚀过的弹药。受损弹药的安全状态不明，部分受损弹药可能受损严重。经历过冲击的受损弹药，其引信可能解除了保险，弹药处于不安全状态，如果受到二次冲击，极易引起爆炸事故。对于受损的弹药，需要进行后续的搬运、包装、运输等勤务处理。受损弹药勤务处理的安全性评估是弹药安全领域的一个重大课题。

某库房经历自然灾害后，内部库存一定数量的某无坐力炮弹受到了强烈冲击，受损严重。该无坐力炮弹配用的引信为压电引信。该压电引信由头部机构和底部机构两部分组成。头部机构主要是压电机构，底部机构由后坐保险机构、隔爆机构、接电机构和传爆序列等组成。该压电引信在发射时，受单一后坐力作用解除保险，在撞击目标时，头部压电机构产生电压使底部传爆序列中的电雷管起爆。该无坐力炮弹遭受强烈冲击后，配用的压电引信单一后坐保险是否已经解除，无法进行科学判断，能否确保后续勤务处理安全是迫切需要解决的问题。

本文在假设该无坐力炮弹配用的压电引信后坐保险已经解除的前提下，从压电引信中电雷管安全电压的角度出发，从理论上探讨该无坐力炮弹典型勤务处理环节的安全性问题。

1 弹药勤务处理安全性评估理论

由于无法科学判断受损弹药配用的压电引信其保险是否已经解除，因此，从确保勤务处理安全的角度考虑，认为受损弹药配用的压电引信其后坐保险已经解除，即头部机构中的压电陶瓷和底部机构中的电雷管已经构成了串联回路。在后续勤务处理过程中，若受损弹药遭受的冲击力使压电陶瓷产生的电压 大于电雷管的安全电压，则认为勤务处理过程不安全；若压电陶瓷产生的电压 不大于电雷管的安全电压，则认为勤务处理过程是安全的。

压电陶瓷受力F作用时，会产生电荷Q，力F与电荷Q的关系如下[5]：

Q=d33F

(1)

式(1)中，d33为压电陶瓷的压电系数。

而电荷Q与电压V1的关系如下：

V1=Q/C

(2)

式(2)中，C为压电陶瓷的电容。

在已知压电陶瓷尺寸的情况下，可利用下式计算压电陶瓷的电容：

(3)

式(3)中，εr为压电陶瓷的相对介电常数；D和h分别为压电陶瓷的直径和厚度(cm)；C的单位是(pf)。

因此，在压电陶瓷的压电系数d33、相对介电常数εr、直径D和厚度h已知的情况下，压电陶瓷受力F作用，其产生的电压V1可由式(1)、式(2)、式(3)进行计算，表达式如下：

(4)

2 弹药勤务处理过程压电陶瓷受力分析

受损弹药的包装分为两种状态，一种是包装破损，另外一种是包装完好。对于包装破损的弹药，勤务处理时，应首先从包装中取出裸弹，然后由操作人员将裸弹搬运至预定区域装箱后进行后续处理；对于包装完好的弹药，直接由操作人员将装弹的包装箱搬运至预定区域。本文主要考虑裸弹搬运意外跌落和包装完好的受损弹药运输两种勤务处理环节炮弹配用压电引信内部压电陶瓷的受力问题。

2.1 裸弹搬运意外跌落

裸弹搬运过程中，由于意外情况，炮弹直接落地，最恶劣的情况是炮弹头部垂直碰击坚硬地面。该炮弹引信头部结构如图1所示。正常射击，炮弹碰击目标时，目标反力使引信的头部变形大于间隙e时，才能向陶瓷盒施压。遭受强烈冲击时，该炮弹引信头有可能产生了变形，使间隙e消失，从而使引信头与陶瓷盒直接接触。这种情况是最极端的情况。下面分析这种情况下压电陶瓷的受力。

图1 引信头部结构示意图

设垂直跌落时，炮弹与地面的距离为h1，考虑最恶劣的情况，忽略撞击时地面吸收的能量，近似认为炮弹的动能全部转化为引信头部的变形能。根据能量守恒定律，可得：

(5)

式(5)中，mp为炮弹质量；c1为陶瓷盒部件的刚度；c2为引信头的刚度；x为受压变形量。

作用在压电陶瓷上的力F为

F=c1x

(6)

由式(5)、式(6)，可计算引信头与陶瓷盒已经直接接触的情况下，炮弹头部垂直着地，压电陶瓷的受力F，表达式如下：

(7)

2.2 包装完好的受损弹药运输

对于包装完好的受损弹药，在运输时，会受到振动和颠簸产生的惯性力作用。正常运输时，弹药要求横装，而且装车整齐牢固，避免行车过程中来回碰撞。因此，正常运输时，车辆的左右振动会使压电陶瓷产生惯性力，压电陶瓷受力表达式如下：

F=mca

(8)

式(8)中，mc为压电陶瓷的质量；a为压电陶瓷的惯性加速度。

由于包装的缓冲作用，实际压电陶瓷的惯性加速度不会超过车辆左右振动产生的惯性加速度a′，但从安全的角度考虑，计算时，用a′代替a，即压电陶瓷受力为

F=mca′

(9)

当然，运输过程中，若出现意外情况，如翻车造成摔箱，炮弹包装破坏严重，此时，炮弹的受力情况比较复杂，压电陶瓷的受力比正常运输严酷，比正常运输条件下可能高2～3个数量级。

3 弹药勤务处理安全性理论计算结果

查阅相关资料[5-7]，参照得到受损炮弹引信关键部件的性能参数值，见表1。

表1 受损炮弹引信关键部件的性能参数

3.1 裸弹搬运意外跌落

假设操作人员在搬运裸弹时意外跌落的高度h1=0.5 m(弯腰、双手下垂，手与地面的距离)。

根据式(7)，结合炮弹质量，可计算裸弹搬运意外跌落时，压电陶瓷的受力F为7 855 N。

根据式(4)，可计算得到裸弹搬运时，炮弹垂直跌落头部着地，压电陶瓷产生的电压V1为4 894 V。

可见，V1=4 894 V远远大于电雷管安全电压Vs=70 V。

也就是说，在各种极限情况下，操作人员在搬运受损裸弹时，若发生意外跌落，受损炮弹很有可能发生爆炸，造成重大的人员伤亡。

当然从式(4)、式(7)中可以看出：压电陶瓷产生的电压V1与跌落高度h1的平方根成正比，即使跌落高度h1低至0.1 m，压电陶瓷产生的电压V1也高达2 189 V，也远远大于电雷管安全电压Vs=70 V。总之，在各种极限情况下，搬运裸弹时应避免发生跌落。

3.2 包装完好的受损弹药运输

典型车辆运输时，左右振动情况如表2所示。从表2中可以看出，正常运输时，各种车辆的左右振动加速度不会超过2g。从安全的角度考虑，取a′=2g。

根据式(9)，可计算包装完好的受损弹药运输时，压电陶瓷的受力F为0.137 2 N。

表2 车辆在运输时的左右振动参数

根据式(4)，可计算得到包装完好的受损弹药运输时，压电陶瓷产生的电压V1为0.085 V。

可见，V1=0.085 V远远小于电雷管安全电压Vs=70 V。也就是说，在正常运输条件下，装载牢固、包装完好的受损弹药运输是安全的。

当然，在运输过程中，若弹药发生摔箱事故，此时，会产生较大的冲击过载。假设冲击加速度值比正常运输左右振动加速度高3个数量级，则可计算得到压电陶瓷产生的电压V1=85 V大于电雷管安全电压Vs=70 V。此时，弹药有可能发生爆炸。

4 结论

1) 裸弹搬运时，受损炮弹意外跌落、头部垂直着地，压电陶瓷产生的电压远远大于电雷管的安全电压，受损炮弹很有可能发生爆炸事故。正常运输条件下，包装完好的受损弹药由于车辆左右振动，压电陶瓷产生的电压远远小于电雷管的安全电压，运输是安全的。

2) 在类似受损弹药勤务处理过程中，尽量避免搬运含引信的裸弹，应将引信头部机构与底部机构连接的线路断开，并将底部机构的线路短路后，再进行搬运作业，确保勤务处理安全。