國外海軍彈藥安全性研究進展

范士鋒，董 平，李 鑫，梁爭峰

(1.海軍裝備部，陜西 西安 710065；2.上海航天科技集團第八設(shè)計部，上海 200233；3.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

國外海軍彈藥安全性研究進展

范士鋒1，董 平2，李 鑫3，梁爭峰3

(1.海軍裝備部，陜西 西安 710065；2.上海航天科技集團第八設(shè)計部，上海 200233；3.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

綜述了以美國為首的北約在海軍彈藥安全性方面的研究進展，主要包括彈藥安全性發(fā)展歷史、彈藥安全性試驗方法、反應(yīng)等級判定及評估、彈藥安全性影響因素。在此基礎(chǔ)上，詳細介紹了美國在彈藥安全性設(shè)計方面的研究思路及成果，主要包括炸藥及裝藥設(shè)計、彈藥自身結(jié)構(gòu)設(shè)計、包裝防護結(jié)構(gòu)設(shè)計。最后對我國海軍彈藥安全性研究提出了幾點建議。附參考文獻36篇。

彈藥安全性；反應(yīng)等級；安全性設(shè)計；研究進展

引 言

彈藥安全一直是世界各國普遍關(guān)注的問題，尤其是對于海軍，由于其艦船上往往載有大量武器裝備和彈藥，一旦發(fā)生火災(zāi)或者爆炸，將對艦船造成毀滅性的破壞，因此對彈藥的安全性尤為迫切也更加嚴格[1-2]。近年來，國內(nèi)外在海軍彈藥安全性方面進行了深入的研究[3-8]， 其目的是在不降低彈藥遠射程、高威力等傳統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，提高彈藥對外界環(huán)境刺激或戰(zhàn)場意外打擊情況下的安定性，有效降低其意外引爆的可能性和對武器平臺后勤系統(tǒng)及人員的附帶傷害。

本文從以美國為首的北約在海軍彈藥安全性的發(fā)展歷史出發(fā)，介紹了海軍彈藥安全性試驗方法及反應(yīng)等級判定的研究成果，分析了彈藥安全性影響因素，在此基礎(chǔ)上介紹了美國在彈藥安全性設(shè)計方面的研究思路及成果，并對我國海軍彈藥安全性研究提出了建議。

1 海軍彈藥安全性發(fā)展歷史

二戰(zhàn)后，多起彈藥爆炸事故引起人們對彈藥安全性的重視。1964年，美國海軍發(fā)布了第一個關(guān)于彈藥安全性的標準化文件WR-50《海軍武器要求空中、水面和水下發(fā)射武器的彈頭安全性測試》；20世紀70年代初，提出了不敏感性彈藥的概念，指出要提高武器彈藥的生存能力和貯存、運輸及勤務(wù)處理時的安全性，必須首先發(fā)展不敏感性彈藥；1982年，美國國防部建立了世界上第一個彈藥安全性軍用標準，DOD-STD-2105(海軍)《非核彈藥危險性評估標準》[3]，將彈藥安全性作為系統(tǒng)問題對待；1991 年，美國國防部頒布MIL-STD-2105A(海軍)《非核彈藥危險性評估標準》[4]，主要用于評價海軍常規(guī)彈藥的安全性，將安全性試驗細分為基本安全性試驗、不敏感試驗及附加安全性試驗，且首次對反應(yīng)等級和合格判據(jù)進行了說明；1994年，美國國防部頒布MIL-STD-2105B《非核彈藥危險性評估標準》[5]，該版標準重新定義了一些檢測要求，并得到美國陸軍不敏感彈藥局的認可，其適用范圍更加廣泛，規(guī)定的常規(guī)武器裝備不敏感彈藥技術(shù)要求從美國海軍拓展到美國各軍種；2003年，美國國防部頒布MIL-STD-2105C《非核彈藥危險性評估標準[6]，該版本更加全面，幾乎囊括了彈藥可能遭遇的各種威脅，詳細規(guī)定了基本安全性試驗、不敏感性試驗及附件安全性試驗的方法和通過判據(jù)；2011年，美國國防部頒布MIL-STD-2105D[7]，該版本中基本安全性試驗與之前版本一致，不敏感性試驗中刪去了熱破片撞擊試驗。

北約在1984～1986年制訂了彈藥安全性驗收準則，1991年，北約成立了不敏感彈藥信息中心，專門負責(zé)不敏感彈藥的設(shè)計、研制、測試、評估及各北約成員國間不敏感彈藥的信息交流；1993年，法國國防部頒布0260號令《法國不敏感彈藥評價標準》[8]，規(guī)定法軍彈藥需通過9項不敏感性測試，試驗主要包括嚴重電或電磁刺激、12m跌落、快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊、殉爆、輕型破片撞擊、重型破片撞擊和聚能射流撞擊；1998年，北約頒布了標準化協(xié)議STANAG 4439(第1版)《北約引入和評價不敏感彈藥的政策》[9]和AOP-39(第1版)《北約不敏感彈藥研發(fā)和評估指南》[10]；2010年，北約頒布其標準化協(xié)議STANAG4439(第3版)[11]，該標準規(guī)定的試驗項目與MIL-STD-2105D中的6項不敏感性試驗一致，出版了AOP-39第3版[12]；2011年，法國國防部頒布211893號令《法國不敏感彈藥相關(guān)政策》[8]，同時廢止1993年的0260號令，在原標準中刪去了“嚴重電或電磁刺激和12m跌落”兩項試驗，法軍不敏感彈藥的試驗項目由9項減至7項。目前，法軍標對比北約標準化協(xié)議STANAG4439(第3版)多了1項“重型破片撞擊試驗”，其余6項與STANAG4439(第3版)和MIL-STD-2105D規(guī)定的不敏感性試驗項目一致。

由國外海軍彈藥安全性發(fā)展歷史可看出，國外對彈藥安全性的研究發(fā)展較早，根據(jù)危險刺激源的來源及彈藥遭受頻率，將彈藥安全性分為基本安全性試驗、不敏感試驗及附加安全性試驗，且隨著認識的不斷提高，三者之間隨之變化。本文所指的彈藥安全性僅指不敏感性。同時，美軍提出的安全性各項試驗方法適用范圍廣泛，含能部件或整彈均可參照執(zhí)行。

2 彈藥安全性試驗方法及反應(yīng)等級判定

2.1 彈藥安全性試驗方法

依據(jù)最新頒布的MIL-STD-2105D《美國非核彈藥危險性評估試驗》，美國共建立了包括快速烤燃[13-14]、慢速烤燃、子彈撞擊、破片撞擊、殉爆、射流撞擊6項安全性試驗裝置及試驗測試方法，且分別對其進行了試驗驗證，試驗裝置如圖1所示。其中，快速烤燃要求火焰平均溫度不低于800℃，慢速烤燃溫度升溫速率為3.3℃/h，子彈撞擊采用12.7mm穿甲彈以(850±20)m/s速度撞擊，破片撞擊采用18.6g破片以(1830±60)m/s速度撞擊，特殊情況下以(2530±90)m/s速度撞擊[15]，殉爆要求主發(fā)彈藥一發(fā)，被發(fā)彈藥至少兩發(fā)，其余采用模擬彈藥進行替代試驗，射流撞擊采用標準聚能裝藥口徑為Ф81mm[16-17]。

圖1 彈藥安全性試驗裝置Fig.1 Testing devices of ammunition safety

2.2 反應(yīng)等級判定及評估

為便于分析彈藥在各種危險刺激源作用后的反應(yīng)變化，美國對彈藥安全性反應(yīng)等級進行了劃分，主要分為6個等級[17]，并從彈藥自身變化及對外界響應(yīng)兩方面進行了綜合分析，形成了反應(yīng)等級判定依據(jù)：

(1)Ⅰ級反應(yīng)：爆轟(Detonation)，最劇烈的彈藥反應(yīng)，含能材料以超音速分解消耗；

(2)Ⅱ級反應(yīng)：部分爆轟(Partial detonation)，僅次于Ⅰ類反應(yīng)的最劇烈的彈藥反應(yīng)，含能材料以超音速分解消耗；

(3)Ⅲ級反應(yīng)：爆炸(Explosion)，次于Ⅱ類反應(yīng)的彈藥反應(yīng)，含能材料有大量的破碎；

(4)Ⅳ級反應(yīng)：爆燃(Deflagration)，部分或全部的含能材料燃燒，導(dǎo)致金屬殼體破裂，形成大塊破片；

(5)Ⅴ級反應(yīng)：燃燒(Burning)，含能材料燃燒，不產(chǎn)生推力；

(6)Ⅵ級反應(yīng)：無反應(yīng)(No reaction)，當(dāng)除去外部刺激后，彈藥無任何反應(yīng)。

依據(jù)彈藥反應(yīng)等級判定結(jié)果，同時結(jié)合《法國不敏感彈藥評價標準》，對彈藥在不同危險刺激條件下可接受反應(yīng)類型進行了界定，如表1所示。

表1 彈藥安全性評估

從表1可看出，彈藥安全性達到三星標準，除殉爆、射流撞擊外，其余安全性試驗反應(yīng)等級均應(yīng)處于燃燒以下。

3 彈藥安全性影響因素及安全性設(shè)計

3.1 安全性影響因素

國外研究表明[18]，就彈藥自身而言，影響彈藥安全性的因素主要包括炸藥裝藥、彈體結(jié)構(gòu)和包裝防護結(jié)構(gòu)。其中，炸藥裝藥是影響彈藥安全性的根本因素，分析彈體結(jié)構(gòu)及包裝防護結(jié)構(gòu)最終都將歸結(jié)為炸藥裝藥的安定性方面。彈藥安全性影響因素見表2。

表2 彈藥安全性影響因素

3.2 彈藥安全性設(shè)計

依據(jù)彈藥安全性影響因素，通過降低炸藥感度可以有效提高彈藥安全性，但炸藥感度往往與其威力性能相互矛盾，為滿足彈藥傳統(tǒng)威力性能，不能僅僅依賴于鈍感炸藥的發(fā)展，而應(yīng)從炸藥、彈體結(jié)構(gòu)及包裝防護等方面來綜合提高彈藥不敏感性。國外已經(jīng)在彈藥安全性方面進行了系統(tǒng)研究，初步形成了彈藥安全性設(shè)計準則。

(1)炸藥及裝藥

為提高炸藥安全性，國外對炸藥中應(yīng)用的含能材料進行了降感處理[26-28]，同時研發(fā)了大量新型不敏感含能材料[29-34]。在此基礎(chǔ)上，針對不同用途發(fā)展了多種類型不敏感炸藥，如不敏感通用型炸藥(如PBXN-109、AFX-757等)、金屬加速型炸藥(PBXN-9、PBXN-10、PBXN-106、PBXN-107等)、水下炸藥(PBXN-103、PBXN-203等)、傳爆藥(PBXN-5、PBXN-7等)。

1987年法國火炸藥公司提出了雙元復(fù)合炸藥裝藥的概念[35]，使用兩種復(fù)合炸藥采用內(nèi)外層、上下疊加等裝藥結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)毀傷目標特性或戰(zhàn)斗部不敏感性要求釆用不同裝藥結(jié)構(gòu)，有效地提高彈藥的爆炸毀傷性能或降低彈藥的不敏感性。美國海軍也發(fā)展了雙元炸藥裝藥戰(zhàn)斗部技術(shù)，并將其應(yīng)用到“標準”導(dǎo)彈(Standard Missile，SM)、“不死鳥”(Phoenix)導(dǎo)彈和Mk48魚雷戰(zhàn)斗部。

(2)彈體自身結(jié)構(gòu)

國外在彈體結(jié)構(gòu)安全性方面的設(shè)計思路是：提高炸藥裝藥初期反應(yīng)產(chǎn)生的壓力釋放速率，避免由于壓力積聚而導(dǎo)致進一步反應(yīng)。目前，實現(xiàn)排氣主要有3個途徑：一是采用低強度薄彈殼，通過彈殼自然破裂實現(xiàn)排氣；二是彈殼在切割機構(gòu)作用下裂開壓力釋放；三是預(yù)埋由特定材料制備的排氣機構(gòu)，在外界作用下這種材料產(chǎn)生特定的物理或化學(xué)變化形成排氣口。其中，切割機構(gòu)采用形狀記憶合金線，依靠其自身物理特性切開彈殼體，緩解彈體內(nèi)部壓力，或者采用爆炸切割網(wǎng)絡(luò)，依靠含能材料點火，切開彈殼，在某個壓力下能使彈殼相對緩和裂開。同時，在彈體內(nèi)部刻應(yīng)力集中槽，依靠應(yīng)力集中原理實現(xiàn)殼體破裂。

對于排氣機構(gòu)，為保證彈體強度，一般布設(shè)于前后端，常采用由塑料或低熔點金屬制備熔解裝置，在未達到裝藥點火溫度前提下實現(xiàn)裝置熔化，形成排氣路徑。美國航空炸彈BLU-111采用的泄壓口如圖2所示[36]。

圖2 航空炸彈BLU-III設(shè)計的泄壓口Fig.2 Pressure relife port for the aerial bomb BLU-III

(3)包裝防護結(jié)構(gòu)

彈藥包裝防護的主要作用是使彈藥免受刺激源的影響，并降低彈藥起爆時的毀傷威力。依據(jù)刺激源的不同，包裝防護采用的擋板主要有機械撞擊擋板、熱擋板和沖擊波擋板，其中，國外系統(tǒng)研究了不同材料及不同結(jié)構(gòu)下機械擋板的性能及工作原理，認為金屬類材料可通過塑性變形吸收射彈動能，且高密度金屬對高速射彈更有效，高強度金屬對低速射彈更有效，陶瓷可通過破碎吸收射彈能量，聚合物基質(zhì)復(fù)合材料通過孔隙、塑性變形吸收射彈動能[12]。金屬混合壓層材料，由硬面和軟背面組成，硬面壓裂可抵御射彈，軟背面捕獲碎片，其性能將超過高硬度裝甲的性能；陶瓷金屬混合材料，由硬陶瓷層和硬金屬背襯組成，在射彈擊中硬金屬背襯之前，陶瓷層使射彈破裂、逐漸銷蝕、停止，從而抵御射彈。

同時，國外學(xué)者分析認為[12]熱擋板應(yīng)具備低的熱導(dǎo)率及熱容，同時添加阻燃劑，優(yōu)選耐燒蝕材料，沖擊波擋板應(yīng)具有合適的阻抗，這樣可以降低反射和透射沖擊波壓力峰值，同時，也盡可能采用多孔介質(zhì)等不可逆材料吸收/耗散沖擊能量，例如海綿、蜂窩材料等。BAE公司為其新型L50彈藥研制了一種新型包裝系統(tǒng)，在彈藥箱內(nèi)部填入用以吸收和偏轉(zhuǎn)爆轟波的物質(zhì)“B材料”襯層，對于空心裝藥戰(zhàn)斗部的攻擊很不敏感。

綜上可看出，彈藥安全性設(shè)計應(yīng)屬于系統(tǒng)工程，國外以炸藥裝藥為核心，彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計為重點，包裝防護為有益補充進行了全面優(yōu)化設(shè)計。國外設(shè)計的某型發(fā)動機在依據(jù)上述措施改進前后進行的安全性考核試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 發(fā)動機改進前后安全性試驗結(jié)果Fig.3 The test results of engine safety before and after improvement

由圖3(a)可以看出，原結(jié)構(gòu)發(fā)動機發(fā)生了I 級反應(yīng)(爆轟)，反應(yīng)溫度192℃，測試工裝徹底損毀，100 m 半徑范圍內(nèi)無大碎片，在150 m 半徑范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)噴管碎片；由圖3(b)可以看出，改進后發(fā)動機僅發(fā)生了III級反應(yīng)(燃燒)，反應(yīng)溫度130℃，發(fā)動機殼體撕裂，回收的噴管碎片散布于試驗臺周圍，火工品未反應(yīng)。

4 結(jié)束語

綜上所述，國外海軍在彈藥安全性方面的研究起步較早。截至目前，以美國為首的北約已經(jīng)形成了針對彈藥安全性的一系列政策、法規(guī)及標準，且隨著對彈藥安全性認識的不斷深入，各項標準逐步趨于完善，同時，在彈藥安全性設(shè)計方面進行了系統(tǒng)性研究，主要從炸藥及裝藥、戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計及包裝防護設(shè)計3大方面開展了研究且取得了一定成果。在分析國外海軍彈藥安全性研究成果基礎(chǔ)上，考慮到國內(nèi)在此方面存在的差距，建議從以下3方面開展研究：

(1)由海軍裝備部牽引，聯(lián)合相關(guān)科研機構(gòu)開展海軍彈藥安全性研究，將彈藥安全性視為系統(tǒng)問題對待，從彈體結(jié)構(gòu)、部件及組成材料3方面全面系統(tǒng)地展開研究，從而建立一套科學(xué)、完整的檢驗彈藥安全性的試驗方法和評估標準，為評估海軍彈藥安全性提供依據(jù)。

(2)對已經(jīng)定型的、在研的、新立項的彈藥應(yīng)依據(jù)已建立的安全性試驗方法進行考核，提高彈藥武器系統(tǒng)安全性。

(3)參考國外在彈藥安全性方面的設(shè)計思路，圍繞炸藥及裝藥、彈體自身結(jié)構(gòu)、包裝防護結(jié)構(gòu)等方面，從系統(tǒng)的角度開展彈藥安全性設(shè)計研究。

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Research Progress in the Safety of Foreign Naval Ammunition

FAN Shi-feng1，DONG Ping2，LI Xin3，LIANG Zheng-feng3

(1.Naval Equipment Department, Xi′an 710065, China；2.The 8th Institute of Shanghai Academy of Space Flight Technology, Shanghai 200233, China；3.Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065,China)

The research progress in naval ammunition security of NATO led by the USA, mainly including the ammunition safety development history, ammunition safety test method, evaluation and assessment of reaction grade and the factors affecting the safety of ammunition, was reviewed. On this basis, the research ideas and research achievements in the ammunition safety design in USA were detaily introduced, mainly including explosive and charge design, structural design of ammunition, and packaging structure design. Finally some suggestions on the safety of China′s naval ammunition were put forward,with 36 references.

ammunition safety; reaction grade; safety design; research progress

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.02.019

2016-11-21；

2017-02-19

裝備發(fā)展部預(yù)先研究項目(No.995-14021005020302)

范士鋒(1978-)，男，工程師，從事海軍導(dǎo)彈設(shè)備管理及研制研究。E-mail: 452840194@qq.com

TJ55;TJ41

A

1007-7812(2017)02-0101-06