37mm高炮人影作業(yè)的安全性評估

37mm高炮人影作業(yè)的安全性評估

劉偉秦文陳農(nóng)丁瑞津盧怡（1中國氣象局上海物資管理處，上海200050；2湖南湘科科技研究院有限公司，長沙410100；3黑龍江省人工影響天氣辦公室，哈爾濱150030；4甘肅省人工影響天氣辦公室，蘭州730020）0引言近年來，我國人工影響天氣事業(yè)迅速發(fā)展，其中37mm高炮人工影響天氣作業(yè)（以下簡稱37高炮人影作業(yè)）是其重要組成部分。每年全國范圍內(nèi)37mm高炮人影炮彈使用量為40～110萬發(fā)，為各地減災(zāi)工作做出了重要貢獻(xiàn)。37高炮人影作業(yè)屬于高危作業(yè)，目前應(yīng)用較為成熟的安全性評估方法有失效模式、影響及危害性分析法（FMECA）、故障樹分析法（FTA）和“施工作業(yè)安全分析法”（CJSA）等［1］。近年來為了克服統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的缺乏和主觀因素的影響，也探索了基于故障樹的模糊推理系統(tǒng)等先進(jìn)的數(shù)學(xué)計(jì)算工具［2］，在人工影響天氣領(lǐng)域，前人提出用危險(xiǎn)系數(shù)的方法進(jìn)行安全性評估并開發(fā)了相應(yīng)的評估系統(tǒng)［3］，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于DEM數(shù)據(jù)人工標(biāo)識(shí)技術(shù)的人影安全射界繪制系統(tǒng)［4］。但是從目前的研究情況來看，37高炮人影作業(yè)依然缺乏系統(tǒng)和可量化的安全性評估模型和評估方法，危險(xiǎn)系數(shù)的評估缺乏具體而可用的量化手段，可能會(huì)夸大或縮小作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)［3］。由于安全射界的確定缺乏安全性事故發(fā)生概率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持［4］，事前無法準(zhǔn)確預(yù)估作業(yè)的安全性，出于保守原則，不得不避開某些區(qū)域和某些作業(yè)方向，有時(shí)會(huì)錯(cuò)過寶貴的作業(yè)時(shí)機(jī)，也存在不能在合適的區(qū)域作業(yè)等現(xiàn)象，影響了人工影響天氣作業(yè)的有效性、經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)應(yīng)該指出的是，目前的作業(yè)安全性分析，存在片面強(qiáng)調(diào)瞎火彈（落點(diǎn)）的安全性，忽視彈丸半爆或偶爾出現(xiàn)的大破片等炸點(diǎn)區(qū)域的安全性等問題，作業(yè)安全規(guī)范的針對性和管控措施的效率因此而有所欠缺。因此，如何量化評估37高炮人影作業(yè)安全性事故的發(fā)生概率，以便采取必要的安全措施，實(shí)現(xiàn)作業(yè)的有效性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的統(tǒng)一，是37高炮人影作業(yè)時(shí)各級(jí)部門關(guān)注的焦點(diǎn)。本文針對37高炮人影作業(yè)，對作業(yè)過程中的危險(xiǎn)源進(jìn)行了分析。鑒于彈丸半爆或偶爾出現(xiàn)的大破片等事故中的危險(xiǎn)源，具有復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過程，其分布和危害性，具有一定的隨機(jī)性即不可預(yù)測性，分析所需要的數(shù)據(jù)也存在不完備問題。本文基于靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，分析了人影彈丸爆炸時(shí)大破片和半爆事故的計(jì)算途徑，提出了炸點(diǎn)和落點(diǎn)區(qū)域可能發(fā)生安全性事故的概率分析方法，并對各類安全性事件的發(fā)生概率建立了量化評估模型。1作業(yè)過程中的危險(xiǎn)源辨識(shí)按照事故的發(fā)生時(shí)段和地點(diǎn)，37高炮人影作業(yè)可能發(fā)生的安全性事故分類如下。1）作業(yè)點(diǎn)區(qū)域：發(fā)射藥不發(fā)火、自動(dòng)擊發(fā)機(jī)構(gòu)失效、膛炸、炮口炸、彈丸解體；2）炸點(diǎn)區(qū)域：半爆、大破片；3）落點(diǎn)區(qū)域：引信瞎火、落地炸。隨著人影裝備技術(shù)的不斷進(jìn)步，作業(yè)安全措施不斷完備，作業(yè)點(diǎn)區(qū)域發(fā)生事故的概率低且影響可控。但是彈丸爆炸后在炸點(diǎn)區(qū)域墜落的破片、彈丸半爆出現(xiàn)的巨片以及墜落在落點(diǎn)區(qū)域的瞎火彈丸，是作業(yè)中應(yīng)著重關(guān)注的危險(xiǎn)源，這些危險(xiǎn)源因?yàn)槠渌哂械膭?dòng)能或其他能量對地面人員形成了殺傷能力，是造成安全事故發(fā)生的隱患。2安全性事故發(fā)生概率的計(jì)算方法2.1炸點(diǎn)區(qū)域安全性事故發(fā)生概率的計(jì)算方法2.1.1作業(yè)時(shí)彈丸破片傷人安全性事故發(fā)生概率的計(jì)算方法一次作業(yè)過程中出現(xiàn)破片傷人安全性事故的概率P1可以用下式表示：式中：N為作業(yè)中發(fā)射炮彈總數(shù)，Γi是第i發(fā)彈丸的所有破片砸中人的概率，?i為該彈丸正常爆炸后的單發(fā)破片砸中人后致人死傷的概率。設(shè)作業(yè)時(shí)落點(diǎn)區(qū)域的統(tǒng)計(jì)人口密度為Z，第i發(fā)彈丸破片墮落區(qū)域面積為Si，則第i發(fā)彈丸爆炸后其所有破片墮落區(qū)域內(nèi)的總?cè)藬?shù)給定作業(yè)區(qū)域內(nèi)單人所占區(qū)域面積為s0，同時(shí)設(shè)第i發(fā)彈丸爆炸后的破片總數(shù)目為ni，則第i發(fā)彈丸破片落點(diǎn)區(qū)域內(nèi)平均每人被墮落的破片砸中的概率因此第i發(fā)彈丸所有破片砸中人的概率Γi可以用下式計(jì)算：得到：在式（1）中，作業(yè)彈丸在空中正常爆炸后的單發(fā)破片砸中人后致人死傷的概率?i不是一個(gè)確定的數(shù)值，但是在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上，可以根據(jù)實(shí)際的靜爆試驗(yàn)結(jié)果，得出彈丸的空炸破片在某個(gè)變量上的概率分布規(guī)律，結(jié)合對單個(gè)破片的動(dòng)力學(xué)過程分析，從而進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算。某型37高炮人影彈丸通過大量靜爆試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果（圖1為某次靜爆試驗(yàn)收集的所有的5發(fā)靜爆彈丸破片照片），每發(fā)可回收的破片在100～160片，平均每發(fā)彈丸回收破片數(shù)片，其平均粒度95%的破片粒度L在2～12mm范圍內(nèi)（質(zhì)量在0.6～9.2g），該型彈丸爆炸后所有破片在粒度上的分布近似于正態(tài)分布，其概率分布密度函數(shù)可近似表示為：圖1某型37高炮人影彈丸在一次靜爆試驗(yàn)中的破片（試驗(yàn)用彈數(shù)：5發(fā)）Fig.1Fragmentsof37antiaircraftartilleryusedforweathermodificationinastaticexplosiontest(numberofprojectilesusedinthetest:five)經(jīng)計(jì)算，式（2）符合《增雨防雹高炮系統(tǒng)技術(shù)要求》[5]中破片質(zhì)量≤10g的B級(jí)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求。符合《增雨防雹高炮系統(tǒng)技術(shù)要求》[5]中A級(jí)產(chǎn)品破片質(zhì)量≤5g要求的產(chǎn)品未見公開報(bào)道，但是本文為了對比因破片指標(biāo)的不同而導(dǎo)致的安全性事故發(fā)生概率的不同，將其破片的分布作了推算，根據(jù)推算結(jié)果，彈丸破片平均粒度mm，95%的破片粒度L在1～8.8mm范圍內(nèi)，其平均回收破片數(shù)片，即可達(dá)到A級(jí)產(chǎn)品要求。其破片粒度概率分布密度函數(shù)可表示為：人影彈丸在預(yù)定時(shí)間作用時(shí)，根據(jù)經(jīng)典外彈道學(xué)的彈丸質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)微分方程[3,6]進(jìn)行彈道解算可以得到彈丸爆炸前（通常是發(fā)射后13～17s）的速度VT－t曲線（圖2）。彈丸爆炸后，破片將獲得一定的初速度。靜態(tài)試驗(yàn)得到了靜態(tài)條件下破片初速v0隨飛散角ψ的變化曲線v0＝v(ψ)[7]（圖3），空炸后破片按飛散角ψ的速度分布規(guī)律計(jì)算得到的實(shí)際初速度VP應(yīng)為VT與v0的向量和。圖2彈丸爆炸前的速度VTFig.2ThespeedVTbeforetheexplosionofprojectiles圖3靜態(tài)試驗(yàn)得到的破片初速v0分布[7]Fig.3Thedistributionoftheinitialspeedv0offragmentsfromthestatictest對一個(gè)質(zhì)量為mp（下標(biāo)p表示破片）的破片進(jìn)行分析（圖4）。圖4爆炸破裂時(shí)彈丸破片F(xiàn)ig.4Fragmentsofprojectileswhileexploding只考慮空氣阻力和重力作用，以破片獲得最大速度vp時(shí)刻為時(shí)間起始點(diǎn)，列出破片在vp所在豎直平面上的運(yùn)動(dòng)方程：表1自然破片阻力系數(shù)在不同速度區(qū)間的測試值[7]Table1Testvaluesofnaturalfragmentdragcoefficientindifferentvelocityranges解算得到的破片落地時(shí)的動(dòng)量與其粒度的關(guān)系如表2所示。表2破片粒度與破片動(dòng)量關(guān)系表Table2Relativecontributionrateofclimatechangeandhumanactivitiestowinterwheatyield這使得我們能夠評估各種尺寸破片危險(xiǎn)性，破片形狀不規(guī)則，而且是垂直掉落，砸中人時(shí)的“破片初始動(dòng)量越大，對肌體的損傷越重”[8]，造成安全性事故的概率就越大。破片粒度L和發(fā)生安全性事故概率p(L)可以用下列的關(guān)系表示：式中，A為致人100%傷亡的破片粒度，A和q可根據(jù)模擬人體的實(shí)物仿真試驗(yàn)得到，本文取A＝16，q＝4。可以推導(dǎo)出一發(fā)彈丸爆炸后的平均每個(gè)破片砸中人后致人死傷的概率?i計(jì)算公式為：式（5）的數(shù)值積分結(jié)果表明，彈丸破片落地后，會(huì)散布在一個(gè)橢圓形區(qū)域內(nèi)。區(qū)域內(nèi)離橢圓中心點(diǎn)距離越近，破片分布越密。在本文中，為計(jì)算方便，將破片的空間分布簡化為在安全上較為保守的平均分布。代入式（1）則可推導(dǎo)出該次作業(yè)出現(xiàn)破片傷人的概率P1為：2.1.2半爆造成安全性事故發(fā)生概率的計(jì)算方法彈丸半爆屬于小概率事件，試圖在研發(fā)階段通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到某種彈藥的半爆大破片的初速和破片質(zhì)量數(shù)據(jù)的成本是不能承受的，但是可以在試驗(yàn)中積累數(shù)據(jù)，并追溯類似彈藥試驗(yàn)數(shù)據(jù)以得到較為精確的結(jié)果。某型37高炮彈在靜爆破片實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的7次半爆，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。表3某型37高炮彈半爆破片數(shù)目與質(zhì)量數(shù)據(jù)Table3Numberandweightoffragmentsfromhalfexplosionof37antiaircraftartillery頭部引信彈丸半爆形成的破片，彈尾質(zhì)量最大，通常都大于200g，引信頭的破片質(zhì)量也不小，大于15～60g，彈丸中部的破片質(zhì)量和引信其他部位的破片，數(shù)量在3～7片，質(zhì)量通常在20～90g。根據(jù)我國目前已有的37高炮人影彈丸的結(jié)構(gòu)和起爆機(jī)制類似性，該數(shù)據(jù)可以類比到目前其他型號(hào)的37高炮人影彈丸。與上節(jié)同理，設(shè)某型炮彈空中飛行時(shí)單發(fā)彈丸半爆后致人死傷的概率為?B，則：式中：N1為該彈丸半爆時(shí)出現(xiàn)的總破片數(shù)，根據(jù)表3計(jì)算得到，高炮人影彈藥半爆時(shí)的每發(fā)彈丸平均破片數(shù)6.57片，由于半爆的概率很少，半爆破片的大小也只具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的意義，令為該半爆彈丸的第i個(gè)破片致人傷亡的概率，根據(jù)表3的半爆破片質(zhì)量數(shù)據(jù)和式（6），這些破片砸中人致人傷亡的概率都等于或接近于1，即，因此在統(tǒng)計(jì)學(xué)的意義上?B可以用下式計(jì)算：如某次作業(yè)發(fā)射該型號(hào)彈藥N發(fā)，該型號(hào)彈丸爆炸時(shí)出現(xiàn)半爆的概率為ΓB，則該次作業(yè)出現(xiàn)半爆安全性事故的概率P2為：將式（9）代入，則：2.2落點(diǎn)區(qū)域發(fā)生安全性事故發(fā)生概率的計(jì)算方法彈丸瞎火后沿彈道曲線繼續(xù)飛行，落地后直接砸傷人員或落地炸均可能造成的安全性事故。2.2.1瞎火彈丸直接砸傷行人事故發(fā)生概率的計(jì)算方法在《增雨防雹高炮系統(tǒng)技術(shù)要求》[5]中，規(guī)定了C、B、A三級(jí)引信的瞎火率分別要達(dá)到3‰、1‰、0.1‰。設(shè)定一發(fā)瞎火彈在落地前飛過或發(fā)生跳彈時(shí)經(jīng)過可能會(huì)砸中人的區(qū)域內(nèi)屬于危險(xiǎn)區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)只要有人，則其發(fā)生安全性事故的概率為1，該區(qū)域面積Sr計(jì)算公式為：式中：Vxt和Vyt為根據(jù)經(jīng)典外彈道學(xué)[3,6]計(jì)算得到的瞎火彈丸落地水平速度和垂直速度；H為安全高度，通常H取當(dāng)?shù)厝说臉O限身高的1.5倍，D為彈丸軌跡兩側(cè)的安全寬度。與半爆破片傷人事故同理，作業(yè)中發(fā)生瞎火彈直接砸中致人受傷的安全事故的概率P3可用下式計(jì)算：式中，ξ為作業(yè)使用彈丸的瞎火率。2.2.2彈丸落地炸造成安全性事故發(fā)生概率的計(jì)算方法由于37高炮人影彈藥不具備碰炸功能，彈丸落地炸實(shí)際上是瞎火彈丸以高速落地時(shí)，與堅(jiān)硬介質(zhì)相互撞擊、摩擦，從而導(dǎo)致主裝藥燃爆，爆炸威力較正常爆炸時(shí)小，彈丸落地炸致人傷亡的安全性事故的發(fā)生概率P4可以用下式計(jì)算：式中：ΓL為彈丸落地后發(fā)生爆炸事件的發(fā)生概率，與落點(diǎn)區(qū)域的堅(jiān)硬介質(zhì)的密度、硬度等因素有關(guān)，其值在0.02%～2%，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷；SL為彈丸落地炸的危險(xiǎn)區(qū)域面積，RL為彈丸發(fā)生落地炸后的危險(xiǎn)區(qū)域半徑。3計(jì)算案例與結(jié)果分析3.1一次高炮作業(yè)的計(jì)算案例本節(jié)以黑龍江省黑河市愛輝區(qū)作業(yè)為例，評估不同指標(biāo)的彈種作業(yè)的安全性，該區(qū)人口密度為Z=1.28×10-4人/m2[9]。假設(shè)在該區(qū)的一次作業(yè)共發(fā)射高炮人影彈藥N=100發(fā)，使用的彈丸質(zhì)量m=0.688kg，彈截面面積s=1.075×10-3m2；彈丸初速為920m/s，對應(yīng)的Ma=2.7，彈形系數(shù)i=1.08。作業(yè)時(shí)空氣密度ρ=1.293kg/m3，發(fā)射點(diǎn)和落點(diǎn)的海拔高度相同，作業(yè)角度是72°。根據(jù)彈道解算[3,6]和式（11）計(jì)算得到的Sr很小，但是瞎火落地的彈丸往往會(huì)存在反跳，為提高安全余量，可取Sr=1m2。為了對比，在其他參數(shù)不變的情況下，同時(shí)通過計(jì)算得出了C、B、A三級(jí)指標(biāo)、半爆的概率為的37高炮人影炮彈在射角為72°時(shí)，引信瞎火、彈丸落地炸、大破片和半爆事故可能造成的安全性事故發(fā)生概率的計(jì)算結(jié)果（表4）。表4A、B、C三級(jí)彈藥事故發(fā)生概率計(jì)算結(jié)果Table4CalculationresultsoftheaccidentprobabilityofclassA,BandCofammunition3.2計(jì)算結(jié)果分析和建議人們通常關(guān)心的是單發(fā)彈丸出現(xiàn)安全性事故的概率，例如在一次作業(yè)中人們常說這發(fā)彈打出去后瞎火的概率是指引信的瞎火率。在本文中，為了體現(xiàn)作業(yè)的總體安全性，計(jì)算分析的是一次作業(yè)中安全性事故的發(fā)生概率，后者是前者在一次作業(yè)中的統(tǒng)計(jì)意義上的累積值。因此從統(tǒng)計(jì)意義上來說，本文的計(jì)算結(jié)果是某次作業(yè)中出現(xiàn)某項(xiàng)事故的概率。計(jì)算結(jié)果表明，安全事故發(fā)生率隨著作業(yè)區(qū)域人口密度的降低而減小，而在人口密度中等的地區(qū)，使用符合標(biāo)準(zhǔn)［8］要求的37人影高炮產(chǎn)品作業(yè)安全性事故發(fā)生概率的數(shù)量級(jí)是10-7～10-4，其中破片傷人的事故概率數(shù)量級(jí)為10-5～10-4，瞎火彈傷人的事故概率數(shù)量級(jí)為10-6～10-5，事故發(fā)生概率較低。以往報(bào)道的37高炮人影作業(yè)瞎火彈安全性事故多于破片傷人事故，從本文的計(jì)算結(jié)果來看，隨著引信可靠性的提高，出現(xiàn)引信瞎火安全性事故的概率已經(jīng)有較大的降低，需要關(guān)注的是破片和半爆彈傷人事故概率存在，雖然其危害性和瞎火彈傷人事故相比而言較為輕微，但仍不容忽視。對如何降低37高炮人影作業(yè)中安全性事故的發(fā)生概率，本文提出如下建議：1）人影彈藥的性能對安全性事故的發(fā)生率具有決定性影響，生產(chǎn)廠家除確保其生產(chǎn)的人影彈藥滿足標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)采取各種措施嚴(yán)格每一批產(chǎn)品的質(zhì)量控制，提高產(chǎn)品的實(shí)際指標(biāo)，從源頭上保證作業(yè)的安全性。2）通過控制彈藥質(zhì)量可以減小事故發(fā)生率，但生產(chǎn)廠家應(yīng)了解破片的空氣動(dòng)力特性對破片落地動(dòng)量的影響，通過控制彈體材料和結(jié)構(gòu)，避免較重的具有良好氣動(dòng)外形的破片出現(xiàn)。3）作業(yè)時(shí)精確確定落點(diǎn)和炸點(diǎn)區(qū)域。縮小危險(xiǎn)區(qū)域的范圍，對加強(qiáng)炸點(diǎn)和落點(diǎn)區(qū)域的安全性控制措施的有效性和針對性具有重要意義。因此生產(chǎn)廠家應(yīng)在確保人影彈丸的作用時(shí)間精度指標(biāo)的前提下，通過試驗(yàn)和計(jì)算明確各作業(yè)條件下的彈丸的炸點(diǎn)和落點(diǎn)區(qū)域，為作業(yè)人員根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[10]確定安全射界提供更準(zhǔn)確的參考。4）當(dāng)人口密度變化時(shí)，安全性事故發(fā)生概率隨之成正比變化。如果在指定地區(qū)要進(jìn)一步降低事故發(fā)生率，應(yīng)采取提高作業(yè)通告的廣播效率、作業(yè)時(shí)避開人員生產(chǎn)生活活動(dòng)時(shí)間等措施。5）為控制安全事故發(fā)生率，人口密度越高的區(qū)域，宜選用高可靠性指標(biāo)的彈藥，并加強(qiáng)對危險(xiǎn)區(qū)域的安全控制措施，以便將事故發(fā)生率控制在較低的水平。本著對人民生命財(cái)產(chǎn)負(fù)責(zé)的理念，作業(yè)中惡性安全性