陳飛翔,郭三學

(1.武警工程大學 a.研究生大隊；b.裝備管理與保障學院， 西安 710086；2.武警第二機動總隊機動第五支隊， 福建 莆田 351100)

空氣炮是利用空氣作為工作介質(zhì)驅(qū)散群體目標的一種概念性武器。在動能驅(qū)散裝備中，打擊介質(zhì)常以柔性介質(zhì)和液體水介質(zhì)為主，在使用過程中，介質(zhì)體資源既不可重復利用，又常常造成環(huán)境的污染。空氣炮以空氣為介質(zhì)體，資源充足，采集方便；作用中不發(fā)生質(zhì)變，沒有污染；作用過程沒有間歇，可實施長時間驅(qū)散行動。目前，該武器正處于概念設計和技術論證階段，為客觀反映空氣炮的綜合性能，本研究構建了以非致命性為核心的評估指標體系，采用未確知測度模型對其非致命效能進行評估，為空氣炮的設計與應用提供一定的參考。

1 空氣炮作用原理

空氣炮結構原理如圖1所示，主要由充氣機構、儲氣機構、控制機構和發(fā)射機構四部分組成。作用時，充氣機構通過電能驅(qū)動差壓裝置，將外界氣體壓縮充入儲氣罐中，達到規(guī)定壓強后，進氣口關閉，充氣停止，實現(xiàn)電能向空氣壓力能的轉(zhuǎn)換；控制機構主要由電磁閥與活塞機構組成，電磁閥收到釋放高壓氣體的信號后，由于活塞機構內(nèi)外氣體壓強不同，罐內(nèi)壓力推動活塞運動，儲氣罐中的高壓氣體瞬間通過導氣管噴向目標，并產(chǎn)生巨大聲響，實現(xiàn)空氣壓力能向聲能及空氣射流動力能的轉(zhuǎn)換；噴射結束后，活塞在彈簧力作用下恢復原位，密封導氣管，下一次充氣即可開始。周而復始，即可實現(xiàn)充氣、儲氣、放氣的作用過程。

1.三通電磁閥; 2.連接法蘭盤; 3.活塞缸; 4.彈簧;5.活塞; 6.導氣管固定體; 7.密封圈; 8.鋁合金墊片;9.導氣管; 10.儲氣罐; 11.噴嘴

2 效能評估指標體系構建

空氣炮作為驅(qū)散群體目標的一種新型非致命武器，非致命性是裝備特性的核心要素，以此建立非致命效能評估指標體系如圖2所示。

圖2 非致命效能評估指標體系框圖

2.1 技術性

空氣炮作為概念非致命武器，需要對其設計的原理、結構的性能、作用的可靠性進行全面的驗證，以確保實現(xiàn)的科學性[1]。

設計原理?？諝馀谕ㄟ^充氣、儲氣、放氣，實現(xiàn)作用能量的轉(zhuǎn)換，符合空氣動力學原理，原理設計上具有科學性，技術實現(xiàn)上具有可行性。

結構性能?？諝馀谟沙錃?、儲氣、控制和發(fā)射四個機構構成，機構簡單，零部件易于加工；各機構具有確定的相對運動，部件便于組裝，連接穩(wěn)定；儲氣機構密封可靠，充氣、放氣控制便于實現(xiàn)；活塞往復運動通過彈簧力控制，簡單易行；常用的金屬材料可滿足使用要求。

可靠性?？諝馀诘目煽啃裕侵竿瓿蓪θ后w目標驅(qū)散行動這一規(guī)定功能的能力[2]。空氣炮射流半徑發(fā)散快，能量耗散明顯，在有效作用距離內(nèi)，射流覆蓋范圍廣，作用能量小，對群體目標作用效應可靠；空氣炮能量傳遞方式為氣動傳遞，而氣體黏度及摩擦因數(shù)小，壓縮空氣的傳遞力、流量和方向可靠，系統(tǒng)按規(guī)定程序和性能工作可靠。

2.2 非致命性

空氣炮作為設計的非致命裝置，必須具有可靠的非致命性，它的非致命性主要取決于噴爆的能量、作用的距離、噴爆的聲強。根據(jù)空氣炮作用原理及非致命性要求，參照射流模擬仿真計算數(shù)據(jù)，并考慮試驗的局限，設定30 L空氣炮為研究對象。30 L空氣炮性能設計參數(shù)如表1所示。

表1 30 L空氣炮性能設計參數(shù)

噴爆能量?？諝馀谠谧饔眠^程中，主要通過射流對目標的沖擊達到驅(qū)散效果。30 L空氣炮噴口處射流速度為340 m/s，其沖擊能量將對作用目標造成嚴重的傷害，但在10 m處其速度降至11.5 m/s，能量降至104 J，基本符合動能非致命標準。通過控制噴爆能量，不僅要實現(xiàn)驅(qū)散效應，同時確保在作用范圍內(nèi)對目標不產(chǎn)生致命性傷害，這些要求通過結構設計及內(nèi)壓力調(diào)整都可實現(xiàn)。

作用距離?？諝馍淞髯鳛榘l(fā)散性的流體介質(zhì)，在不同的作用距離上，作用能量差異明顯，且隨著作用距離的增大而迅速耗散[3]。30 L空氣炮有效作用距離為10～20 m，在10 m處其作用能量降到非致命限度，超過20 m其作用能量已基本消散，對驅(qū)散目標不再產(chǎn)生作用，嚴重制約空氣炮作戰(zhàn)效能發(fā)揮，提高空氣介質(zhì)作用距離是空氣炮技術設計的難點，也是能否實現(xiàn)產(chǎn)品化的關鍵。

噴爆聲強?？諝馀谧饔眠^程中，高壓氣體在瞬間噴爆釋放時，由于流通面積的改變導致壓力和流速變化，從而在噴口產(chǎn)生較大噪聲[4]。本研究設計的空氣炮壓強為0.4～0.8 MPa，在噴口處，其聲強較大，對人員具有一定危險性，但隨著聲強傳播中的發(fā)散，一般在10 m處達到正常的非致命聲強值，對作用目標不會造成致命性傷害，同時也具有一定的聲響震懾。

2.3 應用性

空氣炮的應用性，主要通過機動性、操作維護性和環(huán)保性進行衡量。

機動性。通常是指在規(guī)定的時間內(nèi)部署到預定使用區(qū)域的能力[5]?？諝馀诟鶕?jù)任務需要，可設計不同的體積，罐體越大，儲存氣體越多，作用效果越好，但罐體越龐大，體積也越大，機動性也越差。結合驅(qū)散行動實際，選擇30L作為設計指標，在行動中，可通過牽引或運載方式隨隊行動，以實現(xiàn)預期機動性能。

操作維護性?？諝馀诔錃?、儲氣、控制、發(fā)射機構，結構簡單，構件常見；通過控制電能驅(qū)動差壓裝置來發(fā)射高壓射流，操作控制簡單；能夠根據(jù)目標距離控制射流方向和強度，調(diào)整使用方便?？諝馀跇嫵芍校瑥碗s機件和移動機件較少，在作用中，振動沖擊效應有限，不易導致零部件損壞，故障性低；零件更換也很方便，操作維護性強。

環(huán)保性?？諝馀谝钥諝鉃樽饔媒橘|(zhì)，通過電能驅(qū)動方式壓縮氣體形成高壓射流，源動力清潔高效沒有污染，且介質(zhì)體來源充足采集方便，不需要進行初加工，在使用轉(zhuǎn)換中也不發(fā)生質(zhì)變，作用后能夠?qū)ρb備、基礎設施和環(huán)境的破壞降至最低限[6]，具有極強環(huán)保性，能夠達到零污染；其整體構件以金屬材質(zhì)為主，使用壽命久，能夠節(jié)約裝備生產(chǎn)使用的自然資源。

3 未確知測度模型

未確知理論是由我國工程院院士王光遠教授于1990年在建筑工程理論的研究中提出的，它用來刻畫處理由于決策者主觀認識上的不確定性而產(chǎn)生的不確定性信息，其在軍事、環(huán)境、工程等領域得到了廣泛應用，取得了較好的效果[7-8]。對于新型裝備效能評估，其中涉及眾多不確定因素，基于未確知理論構建的信息熵未確知效能評估方法，從不確定性著手評估裝備體系效能，能夠全面考慮隨機性和不確定性因素，充分體現(xiàn)未確知因素對效能的影響，具有現(xiàn)實客觀性[9]。本文運用未確知測度評價預測模型的理論和思想[10-11]，將未確知數(shù)學理論運用到空氣炮效能評估中，利用信息熵理論客觀地確定各影響因素的權重，對空氣炮設計原理及非致命性的不確定信息進行處理，較好地消除了人為因素帶來的偏差，使評價結果更符合實際。

3.1 單指標未確知測度

設評價對象U的評價對象有i個(i=1,2,…,m)，空間集合由[U1,U2,…,Ui]組成；每個評價對象的評價指標有j個(j=1,2,…,n)，其空間集合由[U1j,U2j,…,Uij]組成?，F(xiàn)將每個評價指標分為“好”、“較好”、“中等”、“一般”、“差” 5個評價區(qū)間，對應為[1,0.90]為“好”，(0.90,0.75]為“較好”，(0.75,0.60]為“中等”，(0.60,0.45]為“一般”，(0.45,0]為“差”。專家需將0～1分打給每個評價指標所對應的評語區(qū)間，并且滿足：

(1)

由此可得到指標測度評價矩陣：

(2)

3.2 基于信息熵的指標權重

觀測值具有不確定性，主要體現(xiàn)在數(shù)量上的度量，是觀測值分布的相應泛函，這就是熵[12-13]。未確知程度熵函數(shù)表達式為：

(3)

(4)

(5)

式中，wi為相對重要程度，指測量指標Uij相對于其他指標的重要度，且wi必須滿足0≤wi≤1。則W=(w1,w2,…,wm)為空氣炮評價因素各個評價指標相對應的權重向量。

3.3 計算未確知程度

令Ck與集合[C11,C12,…,C1k]表示評價結果，且屬于第k個評語等級的未確知程度，則：

(6)

其中[C11,C12,…,C1k]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。

3.4 置信度識別

為了得到對評價對象的確定性程度，需要對評價向量進行相應的置信度識別。令λ為置信度(λ必須≥0.5，通常情況下取值為0.6或0.7)，且置信度識別模型為：

(7)

取k值滿足式(7)，則評價對象的評價結果為第k0個評價等級Ck。

4 空氣炮非致命效能評估

4.1 確定未確知測度評價矩陣

由10位裝備專家分別給每個待評價指標進行打分，得到空氣炮相應未確知矩陣：

(7)

4.2 計算指標權重

由式(5)可計算出空氣炮單因素指標權重：

W=(0.196 3, 0.163 4, 0.096 7, 0.100 1, 0.007 3,

0.112 4, 0.028 4, 0.099 0, 0.196 3)

4.3 計算綜合評價向量

由式(6)可計算出綜合評價向量：

U=(0.196 3, 0.163 4, 0.0967, 0.100 1,

0.007 3, 0.112 4, 0.028 4, 0.099 0, 0.196 3)

(0.801 014, 0.112 975, 0.054 436, 0.030 015, 0.001 46)

4.4 置信度識別

取置信度λ=0.7，由置信度識別準則公式(7)，計算得到k=1時，滿足：

0.801 014>0.7

即空氣炮非致命效能為第1等級，記做“好”。通過此結果，得知以空氣作為動能打擊介質(zhì)的空氣炮，在設計原理和非致命效能上具有科學性和應用價值，為空氣炮的設計和應用提供了參考。

5 結論

1) 本研究設計了空氣炮，論述了其作用原理，構建了以非致命性為核心的效能指標體系，能客觀反映空氣炮的非致命效能。

2) 采用未確知測度評估模型，對空氣炮非致命效能進行了評估，其評估結果為“好”。

3) 非致命空氣炮的效能評估，為研制以空氣為打擊介質(zhì)的非致命武器提供了依據(jù)。