CN110866676A - 火工系统安全性定量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火工系统安全性定量评估方法，包括：根据火工药剂物性安全系数α和火工药剂物量安全系数β，计算得到火工药剂固有安全度V；根据火工系统物性安全系数γ和火工系统物量安全系数δ，计算得到火工系统综合安全度W；根据火工药剂固有安全度V和火工系统综合安全度W，计算得到火工系统安全度S，并输出。通过本发明实现了对火工系统安全性的定量评估。

Description

火工系统安全性定量评估方法

技术领域

本发明属于火工品安全性评估技术领域，尤其涉及火工系统安全性定量评 估方法。

背景技术

国内外有较多的火工品安全性评估方面的标准，1964年，美国海军发布了 第一个关于弹药安全性的标准化文件WR-50《海军武器要求空中、水面和水下 发射武器的弹头安全性测试》；20世纪70年代初，提出了不敏感性弹药的概念， 指出要提高武器弹药的生存能力和贮存、运输及勤务处理时的安全性，必须首 先发展不敏感性弹药；1982年，美国国防部建立了世界上第一个弹药安全性军 用标准，DOD-STD-2105(海军)《非核弹药危险性评估标准》，将弹药安全性 作为系统问题对待；1991年，美国国防部颁布MIL-STD-2105A(海军)《非核 弹药危险性评估标准》，主要用于评价海军常规弹药的安全性，将安全性试验细 分为基本安全性试验、不敏感试验及附加安全性试验，且首次对反应等级和合 格判据进行了说明；1994年，美国国防部颁布MIL-STD-2105B《非核弹药危险 性评估标准》，该版标准重新定义了一些检测要求，并得到美国陆军不敏感弹药 局的认可，其适用范围更加广泛，规定的常规武器装备不敏感弹药技术要求从 美国海军拓展到美国各军种；2003年，美国国防部颁布MIL-STD-2105C《非核 弹药危险性评估标准》，该版本更加全面，几乎囊括了弹药可能遭遇的各种威胁， 详细规定了基本安全性试验、不敏感性试验及附件安全性试验的方法和通过判 据；2011年，美国国防部颁布MIL-STD-2105D，该版本中基本安全性试验与之 前版本一致，不敏感性试验中删去了热破片撞击试验。

然而，上述标准对火工系统设计、制造、运输等方面的安全性分别提出了 要求，火工系统工程应用时，安全性研究以完成系统要求的环境试验，以是否 爆炸、结构是否破坏等作为判据，如果通过预定试验项目，即判定符合安全性 要求。但某项试验的量级大小是否与安全性高低有关，不同环境之间怎样综合 评估，火工药剂固有安全性对火工系统安全性影响等问题，均无法准确描述。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种火工系统安全性 定量评估方法，实现了对火工系统安全性的定量评估。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种火工系统安全性定量评估方法， 包括：

根据火工药剂物性安全系数α和火工药剂物量安全系数β，计算得到火工 药剂固有安全度V；

根据火工系统物性安全系数γ和火工系统物量安全系数δ，计算得到火工系 统综合安全度W；

根据火工药剂固有安全度V和火工系统综合安全度W，计算得到火工系统 安全度S，并输出。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种火工系统安全性定量评估方法，实现了对火工系统 安全性的定量评估，评估结果为火工品设计、制造、贮存、使用过程提供了参 考依据。

(2)本发明采用了多种刺激因素综合评估，评估分值准确性高；且，评估 得到了定量数值，具有很强的实用性。

附图说明

图1是本发明实施例中一种火工系统安全性定量评估体系的结构图；

图2是本发明实施例中一种火工系统安全性定量评估方法的步骤流程图；

图3是本发明实施例中一种火工系统的结构组成示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 公开的实施方式作进一步详细描述。

如图1，在本实施例中，建立了一火工系统安全性定量评估体系：从火工 系统组成单元来看，火工药剂的固有安全性很大程度上直接决定火工系统安全 性，因此把火工药剂固有安全性作为基础，火工系统在某种预定环境条件下的 综合安全性作为延伸，这两种安全性构成了火工系统安全性。

在本实施例中，如图2，该火工系统安全性定量评估方法，包括：

步骤101，根据火工药剂物性安全系数α和火工药剂物量安全系数β，计算 得到火工药剂固有安全度V。

在本实施例中，V＝α*β；其中，V的数值越大，火工药剂固有安全度越 低。

步骤102，根据火工系统物性安全系数γ和火工系统物量安全系数δ，计算 得到火工系统综合安全度W。

在本实施例中，W＝γ*δ；其中，W的数值越大，火工系统综合安全度越 低。

步骤103，根据火工药剂固有安全度V和火工系统综合安全度W，计算得 到火工系统安全度S，并输出。

在本实施例中，根据火工系统安全性定量评估指标体系，其安全性分为火 工药剂固有安全性和火工系统综合安全性。把火工药剂固有安全性作为基础， 火工系统综合安全性作为环境条件的延伸。如果火工药剂固有安全性低或产生 燃烧爆炸，又或火工系统在某一环境安全性低或产生燃烧爆炸，则可认为该火 工系统整体安全性低。因此，二者关系适用于串联模型。即：S＝V*W；其中， S的数值越大，火工系统安全度越低。

实施例2

在本实施例中，火工药剂物性安全系数α也称综合火炸药感度特性的综合 感度值，以感度作为火炸药发生燃烧爆炸事故可能性的量度。火工药剂产生燃 烧爆炸需要受到激励条件，这种激励条件可以归纳为热激励、机械激励和冲击 激励，在考虑物质安全性时不宜只用某一种感度或相互替代，而应综合计入各 种感度值。其中，α的数值越大，火工药剂物性安全度越低。

优选的，该火工系统安全性定量评估方法，还包括：确定综合火炸药感度 特性；其中，综合火炸药感度特性，包括：5s爆发点、真空安定性、落锤撞击 感度、摩擦感度、爆轰感度和静电火花感度；分别获取5s爆发点、真空安定性、 落锤撞击感度、摩擦感度、爆轰感度和静电火花感度各自对应的热爆炸安全系 数α₁、热分解安全系数α₂、撞击安全系数α₃、摩擦安全系数α₄、起爆安全系数 α₅和静电安全系数α₆；根据热爆炸安全系数α₁、热分解安全系数α₂、撞击安全 系数α₃、摩擦安全系数α₄、起爆安全系数α₅和静电安全系数α₆，计算得到火工药剂物性安全系数α。

优选的，火工药剂物性安全系数α、热爆炸安全系数α₁、热分解安全系数α₂、 撞击安全系数α₃、摩擦安全系数α₄、起爆安全系数α₅和静电安全系数α₆的解算 方式如下：

α₁＝13.84-0.0277T_E：5s爆发点是热感度的经典表示法，常用火工药剂的 5s爆发点基本上都落在(140～500)℃之间。爆发点越低的，越容易因受热而 自行燃烧或爆炸，即对热激励越敏感，安全性越低。故热爆炸安全系数α₁在5s 爆发点≤140℃时作为上限，定为10；5s爆发点≥500℃时作为下限，定为0；5s 爆发点介于(140～500)℃之间的，假定其热爆炸危险性和5s爆发点成反比关 系，则α₁＝13.84-0.0277T_E。

α₂＝1.25S_V：真空安定性是火工药剂对热的反应敏感性的又一种度量，就 混合药剂而言还可以反映组分之间的相容性。常用火工药剂的真空安定性是5g 试样加热到100℃，40h的放气量，其值基本上都在(0～8)cm³之间，放气量 越多的，对热激励越敏感，危险性越大。故热分解安全系数α₂在放气量≥8cm³时作为上限，定为10；放气量接近于0cm³时作为下限，定为0；放气量介于(0～ 8)cm³之间的，假定其热分解危险性与放气量成正比，则α₂＝1.25S_V。

α₃＝10-0.125S_k：落锤撞击感度是描述火工药剂对机械作用反应灵敏性的 基本度量，本实施例选用美国匹克汀尼兵工厂仪器测定的值，即2kg落锤，10 次试验中至少有一次爆炸的最小落高。其值基本上都在1.3cm到80cm之间， 落高越低的，对机械撞击激励越敏感，危险性越大。故撞击安全系数α₃在落高 ﹤lcm时作为上限，定为10；落高≥80cm时作为下限，定为0；落高介于(0～ 80)cm之间的，假定其撞击危险性与落高成反比，则α₃＝10-0.125S_k。

α₄＝10-0.0283S_f：摩擦感度是描述火工药剂对机械摩擦作用反应灵敏性 的又一基本量度。国际上常用德国材料研究所(BMA)的摩擦感度实验法。常 用火工药剂的摩擦感度值在(0～353)N之间，摩擦感度值越低的，对机械摩 擦激励越敏感，危险性越大。故摩擦安全系数α₄在摩擦感度值接近于0N，时作 为上限，定为10；摩擦感度值≥353N时作为下限，定为0；摩擦感度值介于(0～ 353)N之间的，假定其摩擦危险性与落高成反比，则α₄＝10-0.0283S_f。

α₅＝10-20S_d：火工药剂对爆轰等强冲击波作用灵敏性，只选用了起爆感 度，而且基本上是用最小叠氮化铅药量表示。常用炸药的最小起爆药量基本都 落在(0～0.5)g之间，最小起爆药量越低的，对起爆激励越敏感，危险性越大。 故起爆安全系数α₅在最小起爆药量接近于0g时作为上限，定为10；最小起爆 药量≥0.5g时作为下限，定为0；最小起爆药量介于(0～0.5)g之间的，假定 其起爆危险性与落高成反比，则α₅＝10-20S_d。

α₆＝10-10S_E：静电火花对火工药剂的起爆或引燃作用，可等效地看成是 一个充电到一定电压的电容器，通过一定的电阻对置于一定形状电极间的被测 药剂放电，观察其发火情况，用被测药剂50％发火能量或电压的均值作为被测 药剂静电火花感度值。静电火花感度值越小，对静电火花越敏感，危险性越大。 静电安全系数α₆在静电火花感度能量接近于0J时作为上限，定为10；静电火 花感度能量≥1J时作为下限，定为0；最小起爆药量介于(0～1)J之间的，假 定其故静电危险性与静电火花感度能量成反比，则α₆＝10-10S_E。

其中，α＝(α₁+α₂+α₃+α₄+α₅+α₆)/6，0＜α＜10，T_E、S_V、S_k、S_f、S_d和S_E分别表示5s爆发点、真空安定性、落锤撞击感度、摩擦感度、爆轰感度 和静电火花感度。

在本实施例中，火工药剂物量安全系数β，用于表征危险物质质量，以及 发生燃烧爆炸事故后所造成的破坏威力特性。火工药剂发生爆炸时对周围设施 造成的破坏主要是通过爆炸冲击波、燃烧与热辐射、爆炸破片、地震波等的作 用。前两者影响较大，应予以重点考虑，后两者影响范围较小或者比较稀疏， 火工药剂无论是在空气中爆炸还是在密实介质中爆炸，能引起破坏的超压、冲 量、质点振动速度与振幅，都基本上与药量的立方根成正比。

因此，取：

其中，G表示火工系统内的药剂质量，单位为 吨；f表示火工系统内的药剂比能，f_TNT表示TNT当量(也称相对做功能力)。 如果评估对象有多种火工药剂，则取其平均值作为火工药剂固有安全度。

实施例3

在本实施例中，该火工系统安全性定量评估方法，还包括：确定火工系统 的环境信息(包括：电磁环境、力学环境、温度环境和湿度环境)；分别获取电 磁环境、力学环境、温度环境和湿度环境自对应的电磁环境安全系数γ₁、力学 环境安全系数γ₂、温度环境安全系数γ₃和湿度环境安全系数γ₄；根据电磁环境 安全系数γ₁、力学环境安全系数γ₂、温度环境安全系数γ₃和湿度环境安全系数 γ₄，计算得到火工系统物性安全系数γ。其中，γ的数值越大，火工系统物性安 全度越低。

优选的，电磁环境安全系数γ₁、力学环境安全系数γ₂、温度环境安全系数γ₃和湿度环境安全系数γ₄的解算方式如下：

γ₁＝10.256-0.0513E：电磁环境安全系数γ₁在场强为5V/m时作为上限，定 为10；场强为200V/m时作为下限，定为0；场强介于(5～200)V/m之间的， 假定其电磁危险性和场强成反比关系，则γ₁＝10.256-0.0513E。

γ₂＝10-0.143G：力学环境安全系数γ₂在总均方根加速度接近为0g时作为 上限，定为10；总均方根加速度为70g时作为下限，定为0；场强介于(0～70) g之间的，假定其力学危险性和场强成反比关系，则γ₂＝10-0.143G。

γ₃＝19.23-0.0641T′_E：温度环境安全系数γ₃在烤爆温度≤144℃时作为上限，定为10；烤爆温度≥300℃时作为下限，定为0；场强介于(144～300)℃之间 的，假定其温度危险性和烤爆温度成反比关系，则γ₃＝19.23-0.0641T_E。

γ₄＝10.526-0.0219H：湿度环境安全系数γ₄在持续时间为24h时作为上限， 定为10；持续时间为480h时作为下限，定为0；持续时间介于(24～480)h 之间的，假定其湿热危险性和持续时间成反比关系，则γ₄＝10.526-0.0219H。

其中，γ＝(γ₁+γ₂+γ₃+γ₄)/4，0＜γ＜10，E表示电场场强，G表示力学环 境总均方根加速度，T_E′表示烤爆温度，H表示湿热环境持续时间。

在本实施例中，与火工药剂物量安全系数β相类似，火工系统物量安全系 数δ，用于表征发生燃烧爆炸事故后所造成的破坏威力特性。火工系统将火工 药剂装配于各种结构元件中，设计时即考虑了结构强度，即使在意外燃烧、爆 炸时，其结构元件本身具有一定的限制和削弱作用。且在不同的使用环境，意 外燃烧、爆炸造成的破坏影响不同。因此，在火工药剂物量安全系数β的基础 上，根据火工装置实际安装环境，引入输出破坏系数，火工系统物量安全系数δ 则可按

进行计算。

其中，ζ表示输出破坏系数，赋值如表1所示：

表1

实施例4

在上述实施例的基础上，如图3，火工系统由发火组件1、壳体2、起爆药 3、起爆药4和炸药5组成。

(1)如表2，计算火工药剂物性安全系数α：

表2，火工药剂物性安全系数α示意表

(2)如表3，计算火工药剂物量安全系数β：

火工药剂	药量(g)	TNT当量	β
				起爆药3	0.016	0.43	0.1902
起爆药4	0.06	0.37	0.2811
				炸药5	0.07	1.62	0.484

表3，火工药剂物量安全系数β示意表

(3)如表4，计算得到火工药剂固有安全度V：

表4，火工药剂固有安全度V示意表

电雷管中含有三种火工药剂，其固有安全度取三种药剂的平均值：

V＝(1.444+2.127+3.250)/3＝2.274

(4)如表5，计算火工系统物性安全系数γ：

表5，火工系统物性安全系数γ示意表

(5)计算火工系统物量安全系数δ＝(0.1902+0.2811+0.484)*输出破坏系 数。

电雷管有火焰输出、爆轰冲击输出，影响系统使用，可能造成人员严重伤 害、严重职业病或系统严重损坏，输出破坏系数为1.5。

(6)计算火工系统综合安全度W

W＝γ*δ＝3.0388﹡1.43295＝4.472。

(7)计算火工系统安全度S

S＝V*W＝2.274﹡4.472＝10.169,实现定量评估。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何 本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法 和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发 明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、 等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技 术。

Claims (10)

1.一种火工系统安全性定量评估方法，其特征在于，包括：

根据火工药剂物性安全系数α和火工药剂物量安全系数β，计算得到火工药剂固有安全度V；

根据火工系统物性安全系数γ和火工系统物量安全系数δ，计算得到火工系统综合安全度W；

根据火工药剂固有安全度V和火工系统综合安全度W，计算得到火工系统安全度S，并输出。

2.根据权利要求1所述的火工系统安全性定量评估方法，其特征在于，

S＝V*W；其中，S的数值越大，火工系统安全度越低；

V＝α*β；其中，V的数值越大，火工药剂固有安全度越低；

W＝γ*δ；其中，W的数值越大，火工系统综合安全度越低。

3.根据权利要求1所述的火工系统安全性定量评估方法，其特征在于，

确定综合火炸药感度特性；其中，综合火炸药感度特性，包括：5s爆发点、真空安定性、落锤撞击感度、摩擦感度、爆轰感度和静电火花感度；

分别获取5s爆发点、真空安定性、落锤撞击感度、摩擦感度、爆轰感度和静电火花感度各自对应的热爆炸安全系数α₁、热分解安全系数α₂、撞击安全系数α₃、摩擦安全系数α₄、起爆安全系数α₅和静电安全系数α₆；

根据热爆炸安全系数α₁、热分解安全系数α₂、撞击安全系数α₃、摩擦安全系数α₄、起爆安全系数α₅和静电安全系数α₆，计算得到火工药剂物性安全系数α；其中，火工药剂物性安全系数α记作综合火炸药感度特性的综合感度值，以感度作为火炸药发生燃烧爆炸事故可能性的量度，α的数值越大，火工药剂物性安全度越低。

4.根据权利要求3所述的火工系统安全性定量评估方法，其特征在于，

α＝(α₁+α₂+α₃+α₄+α₅+α₆)/6；

α₁＝13.84-0.0277T_E；

α₂＝1.25S_V；

α₃＝10-0.125S_k；

α₄＝10-0.0283S_f；

α₅＝10-20S_d；

α₆＝10-10S_E；

其中，0＜α＜10，T_E、S_V、S_k、S_f、S_d和S_E分别表示5s爆发点、真空安定性、落锤撞击感度、摩擦感度、爆轰感度和静电火花感度。

5.根据权利要求1所述的火工系统安全性定量评估方法，其特征在于，

火工药剂物量安全系数β，用于表征危险物质质量，以及发生燃烧爆炸事故后所造成的破坏威力特性；

其中，G表示火工系统内的药剂质量，f表示火工系统内的药剂比能，f_TNT表示TNT当量。

6.根据权利要求1所述的火工系统安全性定量评估方法，其特征在于，

确定火工系统的环境信息；其中，所述环境信息，包括：电磁环境、力学环境、温度环境和湿度环境；

分别获取电磁环境、力学环境、温度环境和湿度环境自对应的电磁环境安全系数γ₁、力学环境安全系数γ₂、温度环境安全系数γ₃和湿度环境安全系数γ₄；

根据电磁环境安全系数γ₁、力学环境安全系数γ₂、温度环境安全系数γ₃和湿度环境安全系数γ₄，计算得到火工系统物性安全系数γ；其中，γ的数值越大，火工系统物性安全度越低。

7.根据权利要求1所述的火工系统安全性定量评估方法，其特征在于，

γ＝(γ₁+γ₂+γ₃+γ₄)/4；

γ₁＝10.256-0.0513E；

γ₂＝10-0.143G；

γ₃＝19.23-0.0641T_E′；

γ₄＝10.526-0.0219H；

其中，0＜γ＜10，E表示电场场强，G表示力学环境总均方根加速度，T_E′表示烤爆温度，H表示湿热环境持续时间。

8.根据权利要求5所述的火工系统安全性定量评估方法，其特征在于，

火工系统物量安全系数δ，用于表征发生燃烧爆炸事故后所造成的破坏威力特性；

其中，ζ表示输出破坏系数。

9.根据权利要求5所述的火工系统安全性定量评估方法，其特征在于，

ζ的取值为：0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75。

10.根据权利要求5所述的火工系统安全性定量评估方法，其特征在于，火工系统由发火组件、壳体、起爆药、起爆药和炸药组成。

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