北約不敏感彈藥標準試驗方法

殷 瑱， 聞 泉， 王雨時， 張志彪， 閆 麗

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

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【裝備理論與裝備技術】

北約不敏感彈藥標準試驗方法

殷 瑱， 聞 泉， 王雨時， 張志彪， 閆 麗

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

為了提高彈藥安全性，推進我國不敏感彈藥技術的發展和試驗評估體系的制定，綜述了北約不敏感彈藥標準試驗方法和評估體系，介紹了不敏感彈藥試驗程序的設計方法和應用現狀。為探索和開創我國不敏感彈藥的發展提出了幾點意見：發展不敏感彈藥技術應從國家政策方面逐層推進，形成各方面共識；處理好不敏感、威力與成本的關系，在不降低性能的前提下盡可能降低成本；不敏感彈藥標準試驗方法和評估體系的制定應充分借鑒國外不敏感彈藥的標準試驗方法和評估體系。

不敏感彈藥；評估標準；試驗方法；安全性；北約

隨著現代戰場環境日趨復雜，各國對于武器系統的要求越來越苛刻[1-3]。特別是從20世紀60年代以來，彈藥在生產、運輸、貯存和訓練過程中因意外跌落、火災等刺激而發生燃燒、爆炸使得人們更加重視彈藥的安全性[4-8]。

為了降低己方人員在備戰或作戰情況下的意外傷亡概率，為彈藥的采購、升級和裝備提供建議，1973年美國率先開始發展不敏感彈藥[9-10]。不敏感彈藥(insensitive munition)又稱鈍感彈藥，其內的火炸藥稱為低易損性火炸藥(low vulnerability explosives)。在隨后的幾十年里，以美國為主的西方國家都非常注重不敏感彈藥的研制，提出了不敏感彈藥的安全性評定準則，并根據不敏感彈藥在生命周期內可能遭遇的威脅建立了彈藥安全性試驗方法和評估體系[11-12]。目前世界上有6種主要的彈藥安全性評估體系，分別是北約不敏感彈藥評估和試驗標準體系、美國MIL-STD-2105D非核彈藥危險性評估試驗標準體系、法國DGA/IPE 211893 彈藥需求測試試驗標準體系、英國JSP520彈藥安全性試驗考核標準體系、德國BM-VG彈藥安全性試驗考核標準體系和意大利DG-AT安全性試驗考核標準體系。其中英國和德國借鑒并遵從北約的不敏感彈藥評估和試驗標準，意大利結合了北約和法國的彈藥安全性試驗考核標準[13]。與國外相比，我國在不敏感彈藥研究方面起步較晚。21世紀初期中國工程物理研究院化工材料研究所在借鑒美國軍用標準MIL-STD-2105C的基礎上，對小尺寸模擬彈藥進行了快速烤燃、慢速烤燃、聚能射流沖擊、槍彈射擊、碎片撞擊和殉爆試驗等安全性試驗研究[14]。江明等[15]針對某型導彈戰斗部，探索性提出慢速烤燃、快速烤燃、槍彈撞擊和12 m跌落等安全性試驗方法，搭建了相關的試驗系統，并制定了評估準則。總的來說，我國彈藥安全性試驗系統還不夠成熟，而且缺少公認的試驗方法和評估標準。

為了有助于推進我國不敏感彈藥安全性試驗方法和評估標準的研制進程，本文分析了北約不敏感彈藥標準試驗評估體系，并簡要介紹了上述不敏感彈藥試驗方法的應用，試圖為了解不敏感彈藥提供幫助，并為我國不敏感彈藥試驗標準體系制定提供參考。

1 不敏感彈藥試驗程序設計

設計不敏感彈藥評估程序應明確以下4項關鍵因素：① 受試彈藥及其試驗裝置的狀態描述，包括彈藥的設計信息、包裝狀態、含能材料組分、彈藥的預定用途等；② 不敏感彈藥在生命周期內環境威脅源的描述，如熱威脅、機械沖擊威脅等；③ 制定不敏感彈藥的評估方法和評估決策程序；④ 記錄或觀察彈藥面臨威脅刺激時的響應，并判斷是否滿足不敏感彈藥要求。

2010年北約標準化局制定了STANAG 4439《Policy for Introduction and Assessment of Insensitive Munitions(IM)(不敏感彈藥引入和評價政策)》[16]，規定在標準化協議上簽字的國家必須在國家政策上發展不敏感彈藥，而且今后所有裝備部隊的彈藥必須按照該協議要求進行試驗和評估，只有試驗通過后的彈藥才能服役。表1為STANAG 4439提出的不敏感彈藥要求，其中反應類型由AOP-39《Guidance on the Assessment and Development of Insensitive Munitions(IM)(不敏感彈藥評價和研發指南)》確定[17]。

表1 北約規定的不敏感彈藥所受刺激與要求[16]

2 不敏感彈藥試驗方法

由表1可知，彈藥安全性試驗可分為熱安全性試驗(快速烤燃、慢速烤燃)、機械安全性試驗(槍彈射擊和碎片沖擊)、沖擊波安全性試驗(殉爆)等。目前北約不敏感彈藥試驗方法標準中，對于快速烤燃試驗、慢速烤燃試驗、槍彈射擊試驗、碎片撞擊試驗和聚能射流沖擊試驗均給出兩種試驗程序。其中一種是標準試驗程序，用來評估全尺寸彈藥的反應程度，另一種是裁剪試驗程序，根據彈藥配置和結構參數通過威脅危險評估確定的試驗程序。

試驗前應明確試樣質量、尺寸、質心、裝藥量和裝藥類型等。為了保證試驗結果的可靠性，通常準備的試驗樣品應該是批量生產的。此外，還應準備好試驗的測試設備，如溫度測量裝置、測速裝置、高速攝影機、普通攝像機、紅外攝像機和沖擊波數據采集系統等。對于彈藥的控制系統等非爆炸部件，可以采用相同幾何尺寸和等導熱系數結構代替。試驗前后應對試驗系統進行拍照并預留試驗的靜態圖像，為反應程度評估提供依據。為保證測試結果的準確性，試驗過程中應盡量避免極端的環境條件(如風、雨和雪等)。

2.1 快速烤燃試驗(Liquid Fuel/External Fire,Munition Test Procedures)

快速烤燃試驗用來模擬彈藥或者武器系統在儲運和戰備狀態下出現意外失火所發生的反應[18]。標準試驗程序是將試樣安裝在一個裝有液體燃料的大尺寸開放型燃燒池的中心進行燃燒試驗(要求試驗時火焰的平均溫度達到800℃)，直至反應結束。

試樣水平放置在燃燒池中心，試樣兩端與池壁有1 m的間隔。試驗開始前，試樣表面和燃油表面之間的距離應不小于0.3 m，為了控制燃油面與試樣面之間的距離，可以通過壓力軟管向燃燒池加水。但應保證試驗過程中水面上的燃油厚度至少在15 mm以上，而且試樣能夠完全浸沒在火焰中。燃燒池中所使用的燃料通常為牌號JP-4、JP-5、Jet A-1、AVCAT(NATO F-34或F-44)的煤油或商業煤油(Class C2/NATO F-58)，儲備的燃油量應為預計反應時間的1.5倍。為保證試樣能夠完全被火焰吞沒，試樣周圍的風速不能超過10 km/h，而且試驗應盡量避開降雨和降雪等惡劣天氣。試驗中溫度測試設備采用4個能夠承受1 200 ℃高溫的K型鎧裝熱電偶，其中兩個熱電偶用來測量燃油燃燒30 s后溫度達到550℃的過程，550℃以上直到反應結束用另外兩個熱電偶測量。

裁剪試驗程序也稱為小型燃料著火試驗(Mini Fuel Fire Test)。與標準試驗相比，小型試驗裝置是將試樣放置在一個長×寬×高為2 m×2 m×0.4 m方形燃燒爐中進行燃燒試驗，試驗裝置如圖1所示。燃燒爐4個拐角處預留了8個空心槽，用于安裝4個可移動的翼板。翼板由高為0.5 m的矩形鋼板和沿軸線偏移30o，高為0.75 m、厚為8 mm加長鋼板組成，其中矩形鋼板在高壓下可膨脹。

圖1 裁剪試驗的燃燒爐立體圖

裁剪試驗程序要求試樣最大長度不能超過630 mm，質量不能超過50 kg。試樣水平放置在燃燒爐中心，試樣表面與燃油表面的距離應在375～425 mm。燃料采用AVCAT(NATO F-34或F-35)軍用煤油或商業煤油(Class C2/NATO F-58)。為了防止周圍風向變化影響火焰方向，試驗時風速不能超過5 km/h，試驗場地應盡可能平坦，周圍的樹和建筑與燃燒爐的距離至少為燃燒爐高度的20倍，最好是大于燃燒爐高度的30倍。試驗過程中翼板的加長鋼板與燃燒爐垂直面呈70°夾角。試驗時，壓力測量裝置與燃燒爐中心的距離至少為5 m。溫度測量設備與標準試驗程序相同，將它們分別安裝在試樣中心的相同高度處，并與試樣每條側邊相距40 ～60 mm。在燃燒爐的對角線位置通過控制煙火裝置點燃燃料。為了保證火焰傳播速率，在每個點火位置至少預留10 kg的燃料。

準備工作完成后，將所有人員疏離至安全位置，然后啟動同步點火控制系統和測試設備，并記錄有關測試數據和圖像數據。待試樣反應結束30 min后，經確定無異常，相關人員進入現場查看試樣狀態，并對其拍照，記錄反應后殘骸或碎片的拋射位置及尺寸。

2.2 慢速烤燃試驗(Slow Heating Munition Test Procedures)

慢速烤燃試驗用于模擬在儲運和戰備狀態下，環境溫度緩慢升高時彈藥或武器系統發生反應的溫度、時間和響應程度[19]。標準試驗程序是先以5℃/h的升溫速率將慢烤試驗箱加熱至50℃，并維持8h，然后以3.3℃/h的升溫速率加熱試樣直至發生反應。而裁剪試驗程序由威脅危險評估(Threat Hazard Assessment)程序決定。

標準試驗程序是將試樣放置在一個簡易的慢烤試驗箱內，用循環加熱的空氣進行加熱。試驗箱能夠以恒定的速度將空氣加熱到預定的溫度范圍，并在試樣周圍形成循環，流入和流出的空氣溫差不超過5℃。為使試樣加熱均勻，試樣與試驗箱內壁每側應留有至少200 mm的間隙。試驗中至少使用兩組(4個)熱電偶對試樣表面進行監控，熱電偶安裝在試樣相對稱的兩個外表面上，如圖2所示。

裁剪試驗程序不需要預熱過程，試驗開始前如果危險評估分析已知一個具體的升溫速率適合慢速烤燃試驗，就可以直接選用該升溫速率，否則可取默認值25℃/h作為慢烤試驗的升溫速率。2012年加拿大試驗小組對裝有綠色不敏感炸藥XRT(experimental rubbery TNT)的105 mm炮彈進行安全性試驗，XRT是在熔融澆鑄過程中將熱塑性彈性體以一定比例熔解在B炸藥或奧古托爾炸藥合成而成[20]。圖3為慢速烤燃試驗裝置，試驗時試驗箱的加熱速率為25℃/h，在試驗前30 min內將試驗箱內溫度升至100℃，并維持90 min。

圖2 試驗箱中熱電偶安裝位置

圖3 不敏感彈藥慢速烤燃試驗裝置

試樣反應過程中對熱電偶測量的溫度至少每分鐘記錄一次，以準確記錄彈藥反應溫度和時間，并用視頻錄像設備記錄整個反應過程中彈藥結構的變化。

2.3 槍彈射擊試驗(Bullet Impact,Munition Test Procedures)

槍彈射擊試驗用于模擬彈藥在儲運和戰備狀態下受到輕型武器攻擊的反應程度[21]。標準的槍彈射擊試驗是采用口徑為12.7 mm的M2穿甲彈對試樣進行連續3次射擊。為了保證槍彈的飛行穩定性，試驗時槍彈與試樣的距離應在20～30 m的范圍內。槍彈的射擊速度約為(850+20) m/s，轉速在(600+50) r/min，槍彈的發射間隔為(80+40) ms。裁剪試驗程序由威脅危險評估(THA)程序決定。

試驗前根據彈藥在生命周期最可能受到槍彈射擊的位置，確定槍彈射擊方向和試樣放置方式。一般情況下試樣處于臥式放置，槍彈射擊方向與試樣的最長軸線垂直。為確保試驗裝置能正常工作并且在要求的射擊速度范圍內，試驗前可以試射三發槍彈。試驗過程中至少進行兩發試驗，其中一發是對裝藥量最大的部位射擊，另一發是對沖擊最敏感的部位射擊。為了提高射擊精度，可在試樣上標記一個直徑為5 cm 的圓。為防止試樣因槍彈撞擊而偏離，需要在試樣上設計限位裝置，以免發生危險，限位裝置不能影響試樣破裂。圖4為加拿大試驗小組進行槍彈射擊的試驗結果，試驗時采用0.5 mm 口徑的AP M2槍彈射擊，槍彈射擊速度為(850+30) m/s。

圖4 不敏感彈藥槍彈射擊的試驗結果

2.4 碎片撞擊試驗(Fragment Impact,Munition Test Procedures)

破片撞擊試驗用于模擬彈藥在儲運和戰備狀態下受到碎片撞擊(輕質碎片和重質碎片)時可能的響應及破壞形式[22]。標準的試驗程序采用一塊質量為18.6 g帶有錐角的圓柱形鋼制破片以2 530 m/s速度撞擊試件，破片尺寸如圖5所示。如果威脅危險評估表明彈藥在其生命周期受到高速破片沖擊的概率極低(<0.000 1)，可使用裁剪試驗，將撞擊速度改為1 830 m/s。

圖5 破片二維尺寸圖

為防止彈藥在撞擊時位置發生變化，應將彈藥固定，但固定裝置不能影響試樣的反應程度。試驗前應進行一次試射，以驗證破片的速度是否滿足要求。破片的撞擊方向應沿試樣表面法向。最多進行兩次試驗，撞擊點位置分別位于裝藥量最大的部位和裝藥感度最高的部位，如果威脅危險評估表明撞擊到最敏感位置的可能性很小，則只需撞擊裝藥量最大的部位。

2.5 聚能射流沖擊試驗(Shaped Charge Jet,Munition Test Procedures)

聚能射流沖擊試驗用于模擬彈藥在儲運和戰備狀態下受到聚能射流沖擊反應程度[23]。標準試驗程序中試樣受50 mm射流彈或具有相同V2d值戰斗部的射流沖擊。裁剪試驗中由威脅危險評估(THA)決定聚能射流戰斗部類型。試驗發現，射流速度的平方和射流直徑的乘積(V2d)與射流沖擊強度呈正比關系。為了便于北約各成員國之間的信息交換，STANAG 4526給出了4種標準的威脅類型，如表2所列。

表2 銅噴嘴射流的標準化V2d值

聚能射流試驗并非適合所有類型的彈藥，受試彈藥應根據STANAG4439和危險分類進行安全性評估，確定是否進行試驗。對于裝有含能材料的彈藥，該試驗僅適合含能材料的爆轟失效直徑大于射流直徑的彈藥，因為裝有失效直徑小的含能材料的彈藥(包括大部分戰斗部)一般不能通過射流沖擊試驗。如果危險評估能確定彈藥反應程度低于Ⅰ類(爆轟)或Ⅱ類(部分爆轟)，就沒有必要為證實射流沖擊的破壞程度而進行試驗。聚能射流沖擊的方向應穿過含能材料的最長路徑，而不像槍彈射擊和碎片撞擊那樣需向裝藥感度最高的部位撞擊。

典型的射流沖擊試驗配置如圖6所示，包括射流彈、調節板、試樣、屏蔽層和見證板等。通常為了實現理想的V2d值，可在射流彈和試驗彈藥間安裝調節板以改變射流速度。采用調節板，在極小的情況下會產生碎片，產生的碎片將影響試樣反應，故為減小碎片對試驗結果的影響，試驗時應保證試樣與調節板間的距離為射流直徑的2倍。為準確評估試樣的反應，應根據碎片類型和速度決定采用何種材料的見證板，如對鋼制殼體的大型彈藥至少使用25 mm厚的鋼見證板，而對鋁制殼體或薄的鋼制殼體使用鋁見證板即可。試驗時射流距離由危險評估程序決定，考慮到試驗結果的再現性和可比較性，一般要求射流距離能夠保證射流微粒在遇到試樣的含能材料前不會碎化。圖7為加拿大試驗小組進行聚能射流沖擊試驗的試驗裝置。

由于聚能射流沖擊試驗中射流顆粒的速度、直徑和侵徹能力以及調節板的位置等都會對V2d的值產生較大影響。根據近幾年國外不敏感彈藥和含能材料技術峰會的信息可知，目前北約國家在聚能射流沖擊試驗方面尚未達成一致意見，具體的試驗裝置和試驗步驟還未制定[24]。如美國采用裝有炸藥LX-14的81 mm射流裝置，而法國和德國分別采用CCEB62和75 mm PG-7射流裝置。圖8和圖9分別為CCEB62和PG-7的實物圖。

圖6 射流沖擊試驗的配置圖

圖7 不敏感彈藥聚能射流沖擊試驗裝置

圖8 法國NEXTER公司制造的CCEB62

圖9 德國的射流沖擊裝置PG-7

2.6 殉爆試驗(Sympathetic Reaction,Munition Test Procedures)

殉爆試驗用于模擬彈藥在儲運和戰備狀態下，當主發裝藥發生最壞反應(爆轟)時，一個或多個被發裝藥的響應程度[25]。通過殉爆試驗可以明確彈藥對殉爆反應的敏感度以及為彈藥包裝和隔離設備提供有效指導。

殉爆試驗中根據主發裝藥的類型而采用不同的引爆方式，通常包括聚能射流彈引爆和傳爆序列引爆。

聚能射流彈引爆是通過將聚能射流彈安裝在試樣含能材料的相應位置，并將引爆控制系統與射流彈點火器連接，啟動引爆控制系統，點火電流將傳至點火器，起爆射流彈，進而引爆主發裝藥。對于火箭發動機和槍炮推進劑，常采用聚能射流彈引爆的方式可靠起爆主發裝藥。而對于其他彈藥，則采用起爆傳爆序列的方式引爆主發裝藥。

試驗時主發裝藥應被被發裝藥包圍，并且在周圍堆放鈍感試驗件。如果主發裝藥與一個被發裝藥的體積超過0.15 m3，則需要2～3個被發裝藥。使用3個被發裝藥時，其中兩個應處于對角攻擊的位置，如圖10所示。在包裝的情況下，一般不用鈍感試驗件代替被發裝藥。圖11為加拿大試驗小組進行殉爆試驗的試驗裝置。

D.主發裝藥； I.鈍感試驗件； A.被發裝藥

圖11 不敏感彈藥聚能射流沖擊試驗裝置

試驗前彈藥應經過高溫或低溫預處理，溫度值由生命周期評估、STANAG 2895和AECTP-200決定。殉爆距離一般與供體彈藥的激發能力、受體彈藥接受激發的能力和它們之間的傳播介質有關，試驗時主發裝藥與被發裝藥間的距離應與服役狀態時相同。為了模擬彈藥實際貯存狀態時的約束作用，試驗時可以通過改變試樣與鈍感試驗件的比值來實現。

3 不敏感彈藥試驗評估程序

為了解含能材料在經受威脅時的響應特性和彈藥之間的相互作用，在評估彈藥對威脅的響應時引入了危險性評估程序。一旦威脅被確定并量化，評估程序將給出刺激可能的導向通道。由于評估程序以流程圖的方式呈現彈藥的真實反映情況，比“通過”/“不通過”的危險評估方式更為可靠，所以北約標準化協議通常采用此方式來評估彈藥的反應程度。試驗時通常根據試樣的殘骸、碎片拋射情況和含能材料的消耗情況等判定試驗的反應類型，圖12為判定彈藥反應類型的簡易流程圖[26]。

圖12 安全性試驗判定反應類型的簡易流程

4 不敏感彈藥試驗方法應用

美國、英國、法國和加拿大等多個國家已對多種型號的導彈進行了安全性評估，其中美國僅海軍就有超過40種彈藥系統采用了不敏感彈藥技術，并進行了全彈或子系統的安全性試驗，如戰斧導彈、MK-73標準導彈、改進海麻雀導彈、響尾蛇導彈等。此外，美國陸軍60 mm 口徑M720E1迫擊炮彈、70 mm口徑火箭彈、M67和ASM手雷、105 mm口徑坦克炮彈、155 mm 口徑榴彈、M46型203 mm口徑榴彈、海軍MK-46魚雷和空軍MK-80系列航空炸彈、AGM-84空對地導彈等；法國陸軍LU-211 155 mm口徑炮彈、MU-90LW魚雷和海軍CBEMS/BANG125等，近些年在不敏感彈藥技術研究方面也取得許多重要進展[27-29]。

20世紀90年代，美國曾對愛國者先進能力-3(PAC-3)導彈開展了一項鈍感彈藥/最終危險分類綜合試驗計劃，并進行了一系列縮比尺寸試驗。根據縮比試驗和危險分類的結果，在1997～1998年對PAC-3導彈的殺傷增強器(LE)、姿態控制系統(ACS)和發動機分別進行了全尺寸試驗，其中包括槍彈射擊試驗、碎片撞擊試驗、殉爆試驗和快速烤燃試驗。試驗結果發現，固體火箭發動機受到意外刺激時最易出現爆燃等現象。

為了提高通用導彈用固體火箭發動機的不敏感特性，降低對熱刺激及機械刺激的響應程度，美國Aerojet公司通過理論計算及全尺寸評估，對固體火箭發動機進行了安全性方面的改進，包括使用復合材料殼體、低溫點火器、內部絕熱及噴涂發泡型防火涂料。該公司設計并制造了一系列直徑不等(120～230 mm)的固體火箭發動機驗證機，并對其進行了安全性試驗。試驗結果表明，發動機經改進后，受撞擊時產生的拋射物和超壓值大幅度降低，烤燃試驗時的反應程度也低于燃燒[13]。

5 結束語

多年來，世界各國發生的一系列彈藥安全性事故都在宣示彈藥安全的重要性。如今，不敏感彈藥已成為國際軍事發展的潮流，西方發達國家在不敏感彈藥試驗方法和評定準則方面已取得重要進展。雖然在部分試驗方法方面，如聚能射流沖擊試驗，由于技術水平等原因導致北約國家不敏感彈藥試驗方法或裝置有所區別，尚未達成一致協定，但是各國仍保留有自己的實施辦法。相比而言，我國在不敏感彈藥領域與世界發達國家之間尚存在較大差距，不敏感彈藥的研究還處于起步階段，尚未建立嚴格的不敏感彈藥試驗和評估的標準體系。

為了促進我國不敏感彈藥的發展，降低彈藥潛在危險，應從國家政策層面逐級推進，明確各軍種的彈藥安全性需求，在不降低性能的基礎上提高彈藥對危險刺激的可接受程度。在標準體系制定方面應充分借鑒國外不敏感彈藥的試驗體系和評定準則，降低人力、財力成本，加快研究進程。

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(責任編輯 周江川)

Standard Experiment Method of Insensitive Munition in NATO

YIN Zhen, WEN Quan, WANG Yu-shi, ZHANG Zhi-biao, YAN Li

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to improve the safety of munition and help to promote the development of insensitive munition technology and establishment of experiment evaluation system, the standard experiment method and assessment system of insensitive munition in NATO was summarized and the design method and application status of insensitive munition was also introduced. For making a big difference of insensitive munition technology in China, some suggestions were put forward. Firstly, it should be gradually carried forward in national so that reach a consensus in all aspect. Secondly, the relationship between performance and cost was of great importance, which should be carefully managed, and besides the existing experiment method and evaluation system in NATO should be fully adopted.

insensitive munition; evaluation standard; experiment method; safety; NATO

2016-06-27；

2016-07-12

江蘇省研究生培養創新工程項目(SJLX15_0145)

殷瑱(1990—)，男，碩士研究生，主要從事特種機械技術研究。

王雨時(1962—)，男，教授，主要從事引信系統分析與設計、彈藥安全系統與爆炸序列、引信機構動力學研究,E-mail:wyshi204@163.com。

10.11809/scbgxb2016.10.001

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TJ410.1

A

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