一种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评估方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评估方法，该方法操作简单，能快速有效地实现雨弹自毁功能可靠性的分析与评估；本发明根据火药自毁式雨弹自毁功能的工作任务模式，提出了通过固定火药自毁单元和运动火药自毁单元实现自毁的雨弹系统自毁可靠性分析评估模型，运用经典内弹道学原理构建了运动火药自毁单元可靠性的仿真模型，进而对雨弹自毁功能的可靠性进行设计、分析与评估。
【专利说明】-种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种可靠性的分析与评估方法，尤其涉及一种专用于火药自毁式人工 增雨防雹弹自毁功能的可靠性的分析与评估方法。
【背景技术】
[0002] 自毁是人工增雨防雹火箭弹(简称雨弹）的弹体安全着陆的方式之一，自毁通常是 由自毁子系统负责完成；传统的自毁子系统包括头部自毁单元、中部自毁单元及尾部自毁 单元；头部自毁单元预先固定在弹体的前端；而中部自毁单元及尾部自毁单元则在自毁过 程中运动到指定位置；然而中部自毁单元及尾部自毁单元能否可靠地被运送至指定位置， 则直接关系到弹体能否完全实现自毁；因此，对中部自毁单元及尾部自毁单元的运动过程 进行可靠性分析，是正确预测雨弹自毁功能可靠性的关键； 目前，国内尚未对雨弹自毁功能可靠性设计、分析及评估方法进行研究，因 此也就没有 确切的方法对雨弹自毁功能可靠性进行确定；为此，我们根据通过固定火药自毁单元与运 动火药自毁单元实现自毁的自毁式雨弹自毁功能的工作任务模式，提出了火药自毁式雨弹 可靠性分析评估方法，来设计一种自毁雨弹自毁功能可靠性的分析、评估模型，通过该模型 进行雨弹自毁功能可靠性的设计、分析及评估。
【发明内容】
[0003] 本发明为了弥补现有技术的不足，提供一种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评 估方法，该方法操作简单，能快速有效地实现火药自毁式雨弹自毁功能可靠性的分析与评 估。
[0004] 为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案： 一种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评估方法，其特征在于：包括以下具体步骤： 步骤一、根据工作原理构建雨弹自毁功能子系统可靠性的逻辑框图模型； 步骤二、分析影响实现雨弹自毁功能可靠性的关键因素，并收集火工品元器件的可靠 度数据； 步骤三、根据雨弹中部自毁单元及尾部自毁单元需要传火药燃气压力推动下运动到指 定位置的工作原理，基于经典内弹道学理论，建立雨弹自毁工作过程的数学模型； 步骤四、利用蒙特卡洛方法对中部自毁单元及尾部自毁单元运动至指定位置的工作过 程进行模拟仿真，求解出中部自毁单元及尾部自毁单元运动到指定位置的可靠度数据； 步骤五、结合构建的雨弹自毁功能可靠性框图模型对人工增雨防雹弹自毁功能可靠性 进行分析与评估； 进一步的，在步骤一中，所述可靠性框图模型包括火药延期单元Λ、头部自毁单元4、 中部自毁单元怂、尾部自毁单元A;所述火药延期单元A与头部自毁单元A的输入端信号 连接；所述头部自毁单元&的输出端与中部自毁单元怂的输入端信号连接；所述中部自毁 单元怂的输出端与尾部自毁单元A的输入端信号连接； 其中，火药延期单元A包括电点火头wn、电点火头/?12、电点火头i?17、电点火头；、焰剂 延期点火具&3、焰剂延期点火具&4、焰剂、一级延期管夂6、电延期管見 9、传火药/pn。；所 述电点火头y?u与焰剂延期点火具信号连接；所述电点火头义 2与焰剂延期点火具信 号连接；所述焰剂延期点火具&3、焰剂延期点火具兄4均与焰剂信号连接；所述焰剂及 15 与一级延期管Λ6信号连接；所述一级延期管Λ6、电延期管友19均与传火药Λκ)信号连接；所 述电点火头名i分别与电点火头w 17、电点火头y?18信号连接； 根据该可靠性框图，设定雨弹自毁功能的可靠性数学模型为： R=RlR1RcRk 公式（1) 由自毁子系统可靠性逻辑框图可得到火药延期单元的可靠度，其可靠度计算公式为： 左1 = (1-允u D X (1-712 v?14)]x τ?15χ τ?16}χ{ι-[ι-(ι-允17) X(W?18)]XD}X^10 公式（2) 其中夂^心、化、心表示为电点火头的可靠度，仏、4表示为焰剂延期点火具的可靠 度，表示为焰剂的可靠度，Λ6表示为一级延期管的可靠度,及19表示为电延期管的可靠度， 4 10表示为传火药的可靠度；中部自毁单元的可靠性怂及尾部自毁单元的可靠性兄则是这 两个单元火工品的可靠度与其运动至指定位移的可靠度的综合，即 Rc= Rch 公式（3) Rk= RklX Rkh 公式⑷ 其中，怂i为中部自毁单元火工品的可靠度，y?A1为尾部自毁单元火工品的可靠度。
[0005]进一步的，在步骤一中，根据雨弹自毁功能实现的工作原理，将可靠性模型结构进 行简化，所述模型包括弹体、第一药室、第二药室、中部自毁体、尾部自毁体、中卡及喷管口； 所述第一药室设置在弹体的最前端，且靠近中部自毁体设置；第二药室设置在中部自毁体 与尾部自毁体的中间部位；所述中卡设置在弹体的中部；所述喷管口设置在弹体的尾端； 进一步的，在步骤二中，对影响实现雨弹自毁功能可靠性的关键因素进行分析，主要 包括以下几个方面： (1) 、由步骤一所建立的可靠性框图确定影响实现雨弹自毁功能可靠性的关键因素为 两个自毁单元运动至指定位置的可靠性； (2) 、根据步骤一所建立的可靠性模型明确需要收集的火工品元器件可靠性数据； 进一步的，在步骤三中，所构建的数学模型主要基于如下假设： (1) 、自毁单元中各级火工品传递过程是否可靠，自毁体爆炸威力是否满足要求，即在 指定位置起爆时能将弹体完全炸碎需通过火工品元件的可靠性确定； (2) 、自毁单元运动至指定位置的过程满足经典内弹道模型的相关假设； (3) 、由于连通两个药室的小孔孔径极小，其流通气体相对药室气体总量而言极小故假 设小孔内无气体流动； (4) 、自毁单元被传火药推动至指定位置的过程不考虑气体的粘性、气体对弹体内壁的 摩擦，燃气向燃烧室壁的传热采用间接方法修正； (5) 、火药燃烧及两个自毁单元运动都在平均压力下进行； (6 )、考虑到中卡卡住中部自毁单元时中部自毁单元速度极小，对弹体冲击也极小，故 近似认为在此过程所产生的热量对第二药室无影响； (7 λ由f传火药燃烧及自毁单元运动过程时间很短，远小于延期管的延期时间，故其 自毁时间及闻度只与延期管的延期时间及雨弹发射的外弹道有关，在此忽略其影响。
[0006]所构建的数学模型主要包括以下六个阶段，具体如下： 一 1、第一阶段，从两个药室（即第一药室、第二药室）的火药开始燃烧到尾部自毁单元开 始运动，此过程为药室定容燃烧过程；整个过程的所涉及的公式如下：
【权利要求】
1. 一种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评估方法，其特征在于：包括以下具体步 骤： 步骤一、根据工作原理构建雨弹自毁功能子系统可靠性的逻辑框图模型； 步骤二、分析影响实现雨弹自毁功能可靠性的关键因素，并收集火工品元器件的可靠 度数据； 步骤三、根据雨弹中部自毁单元及尾部自毁单元需要传火药燃气压力推动下运动到指 定位置的工作原理，基于经典内弹道学理论，建立雨弹自毁工作过程的数学模型； 步骤四、利用蒙特卡洛方法对中部自毁单元及尾部自毁单元运动至指定位置的工作过 程进行模拟仿真，求解出中部自毁单元及尾部自毁单元运动到指定位置的可靠度数据； 步骤五、结合构建的雨弹自毁功能可靠性框图模型对人工增雨防雹弹自毁功能可靠性 进行分析与评估。
2. 根据权利要求1所述的一种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评估方法，其特征在 于：在步骤一中，所述可靠性框图模型包括火药延期单元M、头部自毁单元4、中部自毁单 元怂、尾部自毁单元A ;所述火药延期单元A与头部自毁单元A的输入端信号连接；所述 头部自毁单元A的输出端与中部自毁单元怂的输入端信号连接；所述中部自毁单元怂的 输出端与尾部自毁单元 < 的输入端信号连接； 其中，火药延期单元A包括电点火头/?n、电点火头/?12、电点火头/?17、电点火头/? 18、焰剂 延期点火具、焰剂延期点火具、焰剂、一级延期管、电延期管、传火药&K);所 述电点火头与焰剂延期点火具信号连接；所述电点火头/? 12与焰剂延期点火具信 号连接；所述焰剂延期点火具、焰剂延期点火具/?14均与焰剂信号连接；所述焰剂/? 15 与一级延期管/?16信号连接；所述一级延期管/?16、电延期管/?19均与传火药信号连接；所 述电点火头分别与电点火头、电点火头/? 18信号连接； 根据该可靠性框图，设定雨弹自毁功能的可靠性数学模型为： R=R1R,RcRk 公式（1) 由自毁子系统可靠性逻辑框图可得到火药延期单元的可靠度，其可靠度计算公式为： R, = {1-{1-[1-(1-/?η /?13) X (1-/?12 /?14)]Χ ^ι5Χ /?16} X U-[l-(l-/?17) X (1-/?18) ] X/?19}} X/?110 公式（2) 其中/^、/^、/^、仏表示为电点火头的可靠度^^&表示为焰剂延期点火具的可靠 度，/?15表示为焰剂的可靠度，/?16表示为一级延期管的可靠度，/?19表示为电延期管的可靠度， Ακ)表示为传火药的可靠度；中部自毁单元的可靠性怂及尾部自毁单元的可靠性 < 则是这 两个单元火工品的可靠度与其运动至指定位移的可靠度的综合，即 ^C= X 公式（3) 4=怂X & 公式⑷ 其中，怂i为中部自毁单元火工品的可靠度，WA1为尾部自毁单元火工品的可靠度。
3. 根据权利要求1所述的一种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评估方法，其特征在 于：根据雨弹自毁功能实现的工作原理，将可靠性模型结构进行简化，所述模型包括弹体、 第一药室、第二药室、中部自毁体、尾部自毁体、中卡及喷管口；所述第一药室设置在弹体的 最前端，且靠近中部自毁体设置；第二药室设置在中部自毁体与尾部自毁体的中间部位； 所述中卡设置在弹体的中部；所述喷管口设置在弹体的尾端。
4. 根据权利要求1所述的一种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评估方法，其特征在 于：在步骤二中，对影响实现雨弹自毁功能可靠性的关键因素进行分析，主要包括以下几个 方面： (1) 、由步骤一所建立的可靠性框图确定影响实现雨弹自毁功能可靠性的关键因素为 两个自毁单元运动至指定位置的可靠性； (2) 、根据步骤一所建立的可靠性模型明确需要收集的火工品元器件可靠性数据。
5. 根据权利要求1所述的一种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评估方法，其特征在 于：在步骤三中，所构建的的数学模型主要基于如下假设： (1) 、自毁单元中各级火工品传递过程是否可靠，自毁体爆炸威力是否满足要求，即在 指定位置起爆时能将弹体完全炸碎需通过火工品元件的可靠性确定； (2) 、自毁单元运动至指定位置的过程满足经典内弹道模型的相关假设； (3) 、由于连通两个药室的小孔孔径极小，其流通气体相对药室气体总量而言极小故假 设小孔内无气体流动； (4) 、自毁单元被传火药推动至指定位置的过程不考虑气体的粘性、气体对弹体内壁的 摩擦，燃气向燃烧室壁的传热采用间接方法修正； (5) 、火药燃烧及两个自毁单元运动都在平均压力下进行； (6) 、考虑到中卡卡住中部自毁单元时中部自毁单元速度极小，对弹体冲击也极小，故 近似认为在此过程所产生的热量对第二药室无影响； (7) 、由于传火药燃烧及自毁单元运动过程时间很短，远小于延期管的延期时间，故其 自毁时间及高度只与延期管的延期时间及雨弹发射的外弹道有关，在此忽略其影响； 所构建的数学模型主要包括以下六个阶段，具体如下： 1) 、第一阶段，从两个药室（即第一药室、第二药室）的火药开始燃烧到尾部自毁单元开 始运动，此过程为药室定容燃烧过程；整个过程的所涉及的公式如下：
组合公式（5) 这是一个组合类公式，其中，第一个公式为第二药室燃气生成方程式，第二个公式为第 二药室燃烧速度方程式，第三个公式为第二药室压力方程式； 在以上公式中为第二药室的压力，{V为第二药室的初始容积；ω2为第二药室的 装药量； 以起动压力Ρ〇为初值，求解出第二药室火药燃烧情况； 2) 、第二阶段，从尾部自毁单元与中部自毁单元分离瞬间到中部自毁单元开始运动，此 过程为第二药室燃烧并对外膨胀做功，第一药室定容燃烧过程；整个过程的所涉及的公式 如下：
在这个组合公式中，第一个公式为第一药室燃气生成方程式，第二个公式为第二药室 燃气生成方程式，第三个公式为第一药室燃烧速度方程式，第四个公式为第二药室燃气生 成方程式，第五个公式为第一药室压力方程式，第六个公式为第二药室气体状态方程式，第 七个公式为尾部自毁单元动量方程式，第八个公式为尾部自毁单元运动方程式，第九个公 式为第二药室能量守恒方程式，第十个公式为计算终止条件方程式，第十一个公式为第二 药室单位质量气体流出的焓的计算方程式； 在以上公式中，A为第一药室的压力，匕为第一药室的初始容积；为第一药室的装 药量，^为第二药室由于尾部自毁单元与弹体之间的间隙泄露的气体质量百分数，r2为第 二药室内的气体温度，Λ为尾部自毁单元相对中部自毁单元的位移，0 2为尾部自毁单元的 次要功计算系数，为尾部自毁单元的质量，^为尾部自毁单元的速度，馬为尾部自毁单元 的截面积，&为外界大气压力，&=R/m，μ为传火药燃烧气体的摩尔质量； 3)、第三阶段，从中部自毁单元开始运动到第二药室火药完全燃烧为止，此阶段两个药 室火药均燃烧且膨胀做功；整个过程的所涉及的公式如下：
在这个组合公式中，第一个公式为第一药室燃气生成方程式，第二个公式为第一药 室燃烧速度方程式，第三个公式为第二药室燃气生成方程式，第四个公式为第一药室气体 状态方程式，第五个公式为第二药室气体状态方程式，第六个公式为中部自毁单元的动量 方程式，第七个公式为中部自毁单元运动方程式，第八个公式为尾部自毁单元的动量方程 式，第九个公式为尾部自毁单元运动方程式，第十个公式为第一药室的能量守恒方程式，第 十一个公式为第二药室的能量守恒方程式，第十二个公式为第一药室单位质量气体流出的 焓的计算方程式； 在以上公式中，K为第一药室由于中部自毁单元与弹体之间的间隙泄露的气体质量百 分数，A为第一药室内的气体温度，Λ为中部自毁单元相对弹体的位移，为中部自毁单 元的次要功计算系数，&为中部自毁单元的质量，^为中部自毁单元的速度，兄为中部自毁 单元的截面积，4为第一药室单位质量气体流出的焓； 4)、第四阶段，从第二药室传火药完全燃烧到第一药室传火药完全燃烧为止，此阶段第 二药室膨胀做功，第一药室燃烧且膨胀做功；整个过程的所涉及的公式如下：
在这个组合公式中，第一个公式为第一药室燃烧速度方程式，第二个公式为第一药室 气体状态方程式，第三个公式为第二药室气体状态方程式，第四个公式为第一药室的能量 守恒方程式，第五个公式为第二药室的能量守恒方程式，第六个公式为中部自毁单元的动 量方程式，第七个公式为中部自毁单元运动方程式，第八个公式为尾部自毁单元的动量方 程式，第九个公式为尾部自毁单元运动方程式； 5) 、第五阶段，从第一药室传火药完全燃烧至中部自毁单元运动到弹体中部指定位置， 此时两药室膨胀做功；整个过程的所涉及的公式如下：
在这个组合公式中，第一个公式为第一药室气体状态方程式，第二个公式为第二药室 气体状态方程式，第三个公式为第一药室的能量守恒方程式，第四个公式为第二药室的能 量守恒方程式，第五个公式为中部自毁单元的动量方程式，第六个公式为中部自毁单元运 动方程式，第七个公式为尾部自毁单元的动量方程式，第八个公式为尾部自毁单元运动方 程式；通过方程组的求解可计算出中部自毁单元的运动情况； 6) 、第六阶段从中部自毁单元运动至弹体中部指定位置到尾部自毁单元运动至弹体尾 部指定位置瞬间，此阶段中部自毁单元由于弹体中部位置的相关机构将其卡住不再运到， 第一药室气体不再泄露，尾部自毁单元依然在燃气压力推动下运动；整个过程的所涉及的 公式如下：
在这个组合公式中，第一个公式为第二药室气体状态方程式，第二个公式为尾部自毁 单元的动量方程，第三个公式为尾部自毁单元运动方程，第四个公式为第二药室的能量守 恒方程式，通过方程组求解出尾部自毁单元的运动情况； 上述六个方程组中： (1) 、第一药室流入第二药室的气体流量方程：
式中
03为流量损耗系数，为中部自毁单元与弹体间隙的截面积， 为第一药室的气体质量； (2) 、第二药室流入外界的气体流量方程：
04为流量损耗系数，5^为尾部自毁单元与弹体间隙的截面积， '为第二药室的气体质量。
6.根据权利要求1所述的一种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评估方法，其特征在 于：在步骤四中，在考虑影响中部及尾部自毁单元运动的主要因素后，利用蒙特卡洛方法对 中部自毁单元运动至中卡位置，尾部自毁单元运动至喷管口位置的可靠性进行分析，具体 步骤如下： a、要实现自毁功能，需要满足传火药能将中部自毁单元推至弹体中卡位置，同时将尾 部自毁单元推至喷管口位置，设弹体中部指定位置到初始状态下中部自毁单元底部的距离 为八，弹体尾部指定位置到初始状态下尾部自毁单元底部的距离为72 ; 实际生产过程中，由于制造精度影响，匕与72为服从一定分布规律的参数，且总体八的 分布函数为/，总体乙的分布函数为; b、 根据上述数学模型通过仿真可得出中部自毁单元相对弹体位移A的一个样本及尾 部自毁单元相对弹体位移Z2的一个样本，且A的分布函数为，总体Z2的分布函数为 /^(z);中部、尾部自毁单元能够到达弹体中部、尾部指定位置需满足乙 ，且Z2 >72这 一条件； c、 确定各项参数的分布函数后，则可确定中部自毁单元运动至弹体中部指定位置的可 靠度，计算公式为： ^=Pr{71<￡1}=
公式（13) 尾部自毁单元运动至弹体尾部指定的可靠度，计算公式为：
公式（14) 影响自毁单元运动至指定位置的最主要的因素为第一药室及第二药室的火药装药量 ω ρ ω2及中部自毁单元与尾部自毁单元的质量》; 在实际情况中，装药量2)及各自毁单元质量》^.(/=1，2)均存 在一定的取值范围及统计特征： ①ip_ ①i (①i ( ω ip- ω i 公式（15) mjp- Δ nij ^ nij ^ mjp+ Δ nij (16 ) 式中为的公称值，Δ 为的公差，〃为?/的公称值，Δ?/为?/的公差； d、 根据建立的基于内弹道理论的数学模型，可得到自毁单元相对弹体位移与两个药室 装药量及两个自毁单元质量相关的函数： Ι?=?{ω? ,m) 公式（17) 12=?(ω? ,m) 公式（18) 式（17)是以中部自毁单元相对弹体的位移A为未知函数的方程组，式（18)是尾部自 毁单元相对弹体的位移Z2为未知函数的方程组； e、 为得到A、Z2的分布函数，通过Monte Carlo仿真，根据实际情况对两个药室的装药 量和中部自毁单元及尾部自毁单元的质量按其服从的分布规律及质检把关的要求进行随 机抽样；如在第々次抽样时，按要求抽取2)和2);将和代入（17)、 (18)式（即求解方程组）可分别得到中部自毁单元与尾部自毁单元相对弹体的位移的运行 抽样值：
公式（19) 公式（20) 当仿真模型运行N次后，可得到N个中部自毁单元相对弹体的位移值仏=1，2,…，N) 及N个尾部自毁单元相对弹体的位移值& (k=l，2,…，N);分别以N个&值作为中部自毁 单元相对弹体位移乙的一个样本，以N个值作为尾部自毁单元相对弹体位移Z 2的一个 样本，绘出两个参数的频数直方图，并粗略估计或假设出总体乙的分布函数总体Z2 的分布函数;通过样本数据对假设进行检验，以判断假设的正确性；最终确定分布函 数及分布函数，由（13) (14)式可确定雨弹中部及尾部自毁单元运动至指定 位置的可靠度。
7.根据权利要求6所述的一种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评估方法，其特征在 于：在步骤e中，Monte Carlo仿真的过程，具体步骤如下： 步骤(一)、明确抽样参数ω2和》及仿真次数N ; 步骤(二)、利用Monte Carlo对参数进行随机抽样； 步骤(三)、将参数《 i、《2和叫為及仿真次数N代入公式（17)、（ 18)进行求解； 步骤（四）、输出7^心,并存入数组;此过程中N彡左； 步骤(五)、输出数组乙、Z2，并得出其分布函数。
【文档编号】G06F19/00GK104298848SQ201410335207
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】刘卫东, 黎济东, 占多产, 金卫平, 高拥军 申请人:南昌大学