一种基于试验统计的弹药低易损性评估方法

2022-09-13刘永付李晓辉

兵器装备工程学报 2022年8期

刘永付,陈荣,2，余洋,李晓辉

(1.中国人民解放军63867部队，吉林白城 137001； 2.国防科技大学理学院，长沙 410073)

1 引言

高能弹药提升威力的同时炸药的敏感性也发生了一定改变，面对可能遭受的炮火攻击、战火炙烤等恶劣作战环境，其“生存”能力直接影响武器装备和人员安全，影响作战能力的保持与战局的变化，弹药的低易损性成为衡量弹药性能和人员装备战场生存能力的重要指标之一，倍受国际社会广泛关注，钝感弹药或不敏感弹药(insensitive munitions,IM)于20世纪70年代开始出现并迅速发展。以美国为首的北约国家形成了一系列的试验标准和方法，较为全面地囊括了几乎所有非核弹药、弹药子系统、火炸药装置等可能遭遇的各种威胁、测试与评估程序做出了具体规定。该标准仅对反应等级进行了定性的描述并给出了对应等级的可接受程度，但反应等级结论的确定易受从业人员的经验与主观判定影响，特别是爆轰与爆炸、爆燃与燃烧等现象在反应特征上有很大部分的重叠交叉，不同人员可能给出完全不同的结论。在钝感弹药技术不够成熟的阶段，很多弹药无法满足STANAG 4439规定的“不发生比燃烧更剧烈的反应”要求。因此，怎样评价一种弹药满足预期的程度，在什么情况下可以接受或部分接受，一个事先量化的、能够客观表征弹药发生反应的各种特征的评价方法非常必要。

本文中将弹药经受刺激时，改变原来状态表现出的一系列物理化学变化，以及可能造成的危害程度大小或对刺激条件反应的剧烈强度，通过典型特征描述来定义不同的弹药反应等级，采用数组统计的方法将试验数据变成量化的结果。

重点针对弹药寿命周期中作战使用、储运等环节，可能遭受的战场燃料燃烧、弹药爆炸或聚能装药射流冲击、敌方炮弹或爆炸碎片撞击等作战环境，从弹药自身对刺激条件的反应剧烈程度来定义其反应等级。区分弹药正常作用或近似正常作用、部分作用、不作用3种情况，参照国内外5个反应等级的通用表述，将弹药反应能够获取的表现特征定义为响应元，将响应元在特定反应等级的不同表现形式赋予对应的响应值，考虑样本数量、试验项目种类及数量设置、响应元的选取、响应值判定准则，采用多元统计阵列的模型，统计计算不同反应等级对应的符合度，以最佳符合度对应的反应等级为单项试验的反应等级，综合所有试验项目和样本量确立弹药安全性评估的符合度。

2 高能弹药安全性评估的影响因子

根据安全性评估“不发生比燃烧更为剧烈的反应”要求，针对低易损性试验项目设置、目标弹药特性、刺激条件、测试数据、现场勘察等要素对评估准确性的影响，定义了对高能弹药低易损性评估有关的概念：低易损特性响应元、响应元的响应值、低易损性评估符合度。

2.1 低易损特性响应元

低易损特性响应元，是指能够获取并直观描述安全性弹药对刺激条件反应程度的试验要素。根据目标弹药的结构特点、作用方式、可采用的测试手段、对环境的破坏特征等要素，将能够给出准确判定依据的要素进行定义。定义10个响应元，分别为残骸、设备(或工装)损毁、爆坑、壳体破裂、装药剩余、冲击波压力、破片速度(动能)、验证板穿孔、爆炸火光(高速影像)、现场声响。

2.2 响应元的响应值

响应元的响应值，是指反映弹药安全程度的低易损特性响应元对应的响应程度值。需要根据低易损性试验的反应等级(或反应剧烈程度)以及对应响应元的客观描述对其赋值，根据弹药反应表现的响应元特性描述(或等级判定依据)查对应响应元的响应值，综合所有响应值结果用于判定高能弹药的反应等级。

为便于计算，响应值用数组表示：

(1)

式中，为第个响应元对应反应等级的响应值，在[0,1]区间取值；为设定的弹药反应等级数，通常不少于5个；为对应单一项目选取的响应元数量，设=10，一般不小于7。

表1给出了5种典型反应等级对应10种响应元的判定准则，对每一种反应元在不同反应等级中的表现特征和响应值进行了定义。

表1 反应等级对应响应元判定准则Table 1 Reaction grades correspond to response element criteria

对响应元的响应值进行经验赋值，满足响应元判定条件的响应值为1，不满足响应元判定条件的响应值为0，同一判定条件有2种可能时对应的响应值为05(如反应等级“爆燃”和响应元“装药剩余”对应的判定条件为“有大块装药残留”响应值为1，“无装药残留”响应值为05)。

2.3 安全性评估符合度

安全性评估符合度，是指对某一弹药的多项或单项安全性试验低易损性评估准确程度，结果用百分数表示。对应符合度最大的反应等级为最可能反应等级。

单一样本对应各反应等级评估符合度(,):对应第个反应等级的响应值之和与响应元个数的比值。

(2)

得到，样本试验结果对应个反应等级的符合度数组(,):

(3)

该数组的最大值-max对应的反应等级为样本最可能的反应等级，或该反应等级最接近真实的试验结果。

以某型杀爆弹快速烤燃试验为例，对照表1判定准则，得到10个响应元对应5个反应等级的响应值(见表2)。

表2 某型杀爆弹快速烤燃反应等级与响应值Table 2 Fast cook-off reaction grade and response value of the characteristicsof high explosive bomb

利用式(2)计算得到=0，=20，=95，=50，=50，==95>50，为该样本快速烤燃试验的最佳评估符合度，=3对应的“爆燃”为最可能的反应等级。

3 单项试验的评估符合度计算

弹药可能遭遇的常见典型刺激条件有快速烤燃、慢速烤燃、子弹撞击、射流冲击、殉爆等，同时弹药在不同使用环境下的储运状态及其包装有较大差异，如一般运输条件下的木质通用包装箱、储运发箱；作战行驶条件下的装甲防护弹仓、外挂吊仓；阵地临时构建的简易野战仓库防护掩体等。

试验有多个刺激条件(或激励状态)时，个刺激条件(如殉爆状态的刺激条件，一般有裸弹殉爆、带制式包装殉爆、自行武器弹仓携行殉爆等多个状态；子弹撞击按子弹口径、射流冲击按聚能装药产生的能量大小划分为多个状态)、每个刺激条件有个样本。

单项评估符合度，对×个样本的最佳符合度-max统计平均。第个样本的最佳符合度用()表示：

(4)

式中，为单一低易损性项目采用的弹药样本量，一般取3～5发。

也可将同一刺激条件作为一个单元进行计算，第个刺激条件的响应值采用数组求和计算：

(5)

(6)

利用某型杀爆弹殉爆试验进行验证，分别采用式(4)和式(5)、式(6)进行计算，得到相同的试验结果，对应“爆轰”反应等级的评估符合度均为100。

采用制式包装运输装载殉爆、自行武器弹仓携行殉爆2种状态，模拟包装及储运位置关系，试验结果描述见表3。

表3 某型杀爆弹殉爆结果Table 3 The sympathetic detonation results of the characteristicsof high explosive bomb

4 安全性评估的符合度计算

高能弹药的安全性评估符合度，定义为同一类型弹药的安全性试验评估满足产品安全指标的符合程度，应当包括该类型弹药所进行的全部安全性项目。参考弹药反应等级的定义(见表4)和国外低易损性弹药安全性评定标准(见表5)，采用kano模型将不同项目对应的反应等级与各反应等级在安全性评定中的加权结合起来，综合判定该型弹药的安全性评估符合度。

表4 弹药反应等级与接受程度Table 4 Reaction level and acceptability of ammunition

表5 低易损弹药安全性评定标准Table 5 Evaluation standard for insensitive munition

Kano模型是一种对用户需求分类和优先排序的产品满意度工具，根据弹药发生反应的剧烈程度和可能产生的后果危害将5个反应等级对应5种不同的危害程度，按照Kano模型分析法将部队对弹药的产品预期定义为“不期望发生或拒绝接受的、允许发生或可接受的、理想的或最好期望”3种需求，将“可接受”视为正理想点、“不可接受”视为负理想点，分别对反应等级进行加权赋值。每个样本反应等级的结果向正、负理想点的靠近程度，视为该样本的考核结果对应反应等级的符合度，由表5可知“可接受的”条件为“没有比燃烧更剧烈的反应”，表4中给出了使用部队对弹药安全性一种“理想的”反应等级与接受程度。

定义第个样本考核得到的反应等级的“接受程度”为