模塊化聚能切割裝置設計及效能評估

陳治民，郭三學

(武警工程大學 裝備管理與保障學院， 西安 710000)

在應急救援、反恐突擊行動中，任務部隊常常需要對障礙物進行破拆，以便實現快速突入、有效處置。傳統的炸、撞、砍、切、銼、撬等手段，耗時費力效率低，往往還會對障礙物整體結構及有關目標造成較大破壞，影響工作正常進展。近年來，定向爆破、聚能裝藥技術的發展為實施定向破拆提供了有效技術手段。聚能切割是基于聚能效應的切割技術，可對墻體、玻璃、防盜門、交通工具艙體等進行破拆，具有高速有效、安全可靠、操作方便且不受環境限制等特點，在各個領域被廣泛應用[1-3]。現實中由于障礙物的性質、結構、形狀等不同，很有必要開展模塊化聚能切割裝置研究，并對其破拆效能進行評估，為部隊遂行多樣化任務提供理論依據和技術支持。

1 作用原理

聚能切割裝置如圖1(a)所示[4]，主要由殼體、聚能罩、主裝藥、引爆藥等組成[5]。切割目標時切割索被雷管引爆，炸藥爆炸產生爆轟能量，迅速壓垮聚能罩并形成一股能量密度高、方向性強的“刀片”狀金屬射流(其余材料形成杵體)，見圖1(b)，射流頭部速度可達4 500 m/s,在高溫高壓環境下對切割目標進行侵徹，避免了爆炸能量360°釋放對切割目標整體結構及相關目標造成破壞，從而實現定向切割的目的[6-8]。

圖1 聚能切割裝置結構(a)和切割(b)示意圖

2 模塊化聚能切割裝置設計

從理論上講，聚能裝置只要設計合適的裝藥量和聚能罩尺寸，就可切割不同厚度、不同材料的障礙物。目前，切割墻體、防盜門及交通工具艙體的聚能裝置大多設計成矩形結構，尺寸一般為長1 000 mm×寬500 mm，這種裝置體積大、操作應用不方便，有必要設計一種體積小、重量輕、易攜帶、效率高的模塊化聚能裝置，應用時可將多個聚能塊按需求組合尺寸，通過膠粘與目標連接。

模塊化聚能塊由聚能罩、炸藥、金屬殼體構成，采用面對稱結構，殼體與聚能罩為一體式設計，內部均勻、對稱裝藥，結構設計尺寸約為長100 mm×寬55 mm×高55 mm，這樣方便攜帶和應用組合，結構如圖2所示。藥型罩為“ V”型結構，錐角一般是70°～80°[9]，殼體兩端設置卡扣，可將聚能塊組合連接。聚能罩材料要求可壓縮性小、密度大、塑性和延展性好。紫銅具有密度大、熔點適中、聲速高、延展性好、不易斷裂等特點，是制作聚能罩的理想材料[10-12]。

圖2 模塊化聚能藥塊結構示意圖

炸藥是聚能射流的能源，裝藥量設計直接影響切割效果。射流侵徹孔道容積、切割深度均與爆轟壓力有關,如圖3所示。L表示侵徹孔道的深度(mm)，V表示侵徹孔道的容積(mm3)。按照爆轟理論,爆轟壓力是炸藥爆速和裝藥密度的函數[6]26。

圖3 侵徹深度、孔道容積與爆壓的關系曲線

式中:P表示爆轟壓力(GPa);ρο表示裝藥密度(g/cm3);D表示炸藥爆速(m/s)。由此可見，選用高爆速、大密度的炸藥切割效果好。目前國內外主裝藥選擇主要以RDX、HMX為主。裝藥量在滿足切割技術指標的前提下,應盡量減少用量，以降低爆炸產生的沖擊波、爆轟產物和噪音。研究表明，裝藥量2 000 g/m可切割45號35 mm厚鋼板；裝藥量800 g/m、600 g/m分別可切割厚度37 cm、24 cm磚墻和有關交通工具艙體；裝藥量58 g/m可切割甲級(含甲級)以下級別防盜安全門、厚度小于120 mm磚砌墻；裝藥量24 g/m、6.3 g/m分別可切割厚度8 mm的車輛夾膠玻璃和貼膜鋼化玻璃[13]。

主要由起爆電線、起爆線盤、起爆器和電雷管組成。起爆前要在雷管兩個腳線短路的基礎上，將雷管插入模塊化聚能藥塊，固定聚能塊至切割目標、操作人員撤離爆破點后，起爆作業點向爆破破拆點敷設起爆線路，接線雷管前要去除人體靜電，將兩個雷管顏色一致的腳線分別連接，雷管腳線與線盤導線連接，并用絕緣膠帶纏繞兩個接頭，現場人員迅速撤離到安全區域并實施隱蔽；起爆時旋轉起爆器到“起爆”狀態，聚能切割裝置起爆，完成目標破拆。

3 模塊化聚能切割裝置效能評估

模塊化聚能切割裝置是快速破拆的新手段，應采取科學的方法對其綜合性能進行評估，為今后應用研發提供技術依據。

3.1 指標體系設計

效能評價指標要遵循科學性、針對性、實用性和可操作性等原則，根據聚能模塊切割能力構成，設計綜合效能評估指標體系如圖4所示。

圖4 綜合效能評估指標體系框圖

1) 技術性

結構設計。模塊化聚能切割裝置主要由聚能罩、主裝藥、引爆藥等組成，結構設計小巧、操作簡單、組裝方便，起爆系統安全可靠，炸藥選擇和裝藥量根據需求設計，切割面積和程度可控，金屬射流方向性和穩定性高，且充分考慮了沖擊波、爆炸噪聲等對人員不產生傷害。

作用原理。將炸藥爆炸產生的能量轉換成聚能裝藥中藥型罩的動能，利用罩體在炸藥作用下匯聚成的金屬射流，達到對目標的高速侵徹，技術原理可有效實現。

可靠性。爆轟壓力主要取決于炸藥種類和裝藥結構，聚能裝置裝藥為高爆速高猛度炸藥，“ V”型藥型罩易于獲得較大的射流質量與射流速度，引爆炸藥的爆轟能量能讓藥型罩可靠實現具有方向性的金屬射流，達到切割效應。

2) 戰術性

作用面積。模塊化聚能裝置切割尺寸可以根據實際需要組合安裝，其切割尺寸標準是單體目標能夠方便突入，同時不產生次生破壞，不造成人員傷亡。

時間。模塊化聚能裝置通過雷管引爆炸藥，金屬射流完成破拆作業時間短、效率高，同時，模塊化聚能裝置安裝十分方便。

破拆能力。模塊化聚能裝置可以根據切割目標材質、厚度設計裝藥量，實現對不同障礙物的破拆，適用于不同軍事工程的切割、爆破，應用廣泛。

3 ) 應用性

操作性。操作聚能裝置要選好易于破拆的目標與點位，用雙面膠固定好切割裝置，敷設接好起爆線路，遠程操控、使用簡單，破拆后收回導線、清理現場。

安全性。聚能裝置適應溫度為-40～+50 ℃，貯存期可達15年；操作時人員應立即撤離到距爆炸點不小于300 m的安全區域，做好隱蔽防護工作，以保證自身安全。

便攜性。模塊化聚能塊尺寸小，可設計成長100 mm×寬55 mm×高55 mm，重量輕，這樣使得攜帶很方便，安裝操作簡單。

3.2 綜合效能評估

模塊化聚能切割裝置綜合效能評估是一個涉及多目標多指標不確定性問題的決策過程，不僅要考慮諸多的定量指標，而且需考慮大量的定性指標，存在極大的不確定性和隱蔽性。未確知理論能夠很好地整合處理這些不確定信息，并進行綜合分析，為解決此類問題提供了一個較好的方法，已在多個領域得到廣泛應用并取得良好效果[14-17]。

3.2.1單指標未確知矩陣

設評價對象C的評價對象有i個(i=1,2,3,…,n)，空間集合由[c1,c2,c3,…,ci]組成,每個評價對象的評價指標有j個(j=1,2,3,…,n)，其空間集合由[c1j,c2j,c3j,…,cij]組成。現將每個評價指標分為“很好”、“好”、“中等”、“一般”、“差”5個評價區間，對應為[1，0.9]為“很好”，(0.9，0.75]為“好”，(0.75，0.6]為“中等”，(0.6，0.45]為“一般”，(0.45，0]為“差”。邀請專家將0～1分打給每個評價指標所對應的評語區間，并且滿足：

采取專家打分法得到相應未確知矩陣：

3.2.2指標權重

計算各指標的權重，令

歸一化處理，得

ωi為相對重要程度，指測量指標cij相對于其他指標的重要度，且ωi必須滿足0≤ωi≤1。計算可得權重向量為：

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綜合評價

令Dk與集合[D11,D12,D13,…,D1k]表示評價結果，且屬于第k個評語等級的未確知程度，則有

其中[D11,D12,D13,…,D1k]為評價對象評價向量，該評價向量描述了評價對象在相對應的第k個評語等級不確定性程度。計算得：

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

取置信度λ=0.7，置信度識別模型為:

通過計算可得，當k=2時，滿足:

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

即模塊化聚能切割裝置綜合效能是第2等級，為“好”。

4 結論

模塊化聚能切割裝置具有體積小、攜帶操作方便，能根據需求組合使用等特點，是目前應重點發展的破拆裝備；通過綜合評價，結果為“好”，為聚能切割裝置的研發提供了技術依據。