關于水中兵器全雷跌落試驗的討論

黃鳳軍,蘇曉璐

(1.山西平陽機械廠代表室,山西 侯馬,043002; 2. 山西江淮重工有限責任公司,山西 晉城,048000)

關于水中兵器全雷跌落試驗的討論

黃鳳軍1,蘇曉璐2

(1.山西平陽機械廠代表室,山西 侯馬,043002; 2. 山西江淮重工有限責任公司,山西 晉城,048000)

跌落試驗是全雷定型前的必要試驗。國內目前還沒有水中兵器跌落試驗的統一標準和要求,各型水中兵器開展試驗時,多是綜合火工品、戰斗部和其他行業的相關做法和經驗后,結合自身型號相關要求經多方討論后確定,因此在樣機狀態、樣品數量、具體試驗條件的模擬和設定等各個方面差別較大。基于充分考核、解決爭議、規范試驗的目的,文中綜合了國內外相關標準的規定,結合多型水中兵器跌落試驗的具體過程,立足于充分模擬和反映裝備勤務、使用過程相關環境和事件的角度,提出了試驗原則、樣機狀態、跌落面、跌落方位和數量、高度、預處理等方面的原則、方法和要求,為水中兵器跌落試驗的開展提供參考。

水中兵器; 跌落試驗; 試驗條件; 模擬

0 引言

跌落試驗是評定彈藥安全性的重要試驗,也是水中兵器裝備定型前的一個重要的必須考核項目。目前國內尚無針對水中兵器的全雷跌落試驗標準。近年來,各型號開展全雷跌落試驗多是綜合考慮火工品、戰斗部以及其他型號、行業的相關做法、經驗后,結合自身型號特點和要求經多方討論,自行制定試驗條件、方法和要求,因此在樣機狀態、樣品數量、具體試驗條件的模擬和設定等各個方面差別較大,這也經常導致試驗相關各方的爭議。

跌落試驗涉及的主要條件、方法和要求包括樣機狀態(描述和模擬摔落時裝備自身的狀態,如保險是否解開,是否已安裝更敏感的雷管等火工品)、跌落面(描述和模擬摔落時摔落面的狀態)、跌落方位和數量(描述和模擬撞擊摔落面時刻裝備在環境中的狀態和試驗次數,如傾斜或水平)、高度(描述和模擬摔落時刻裝備與摔落面的距離)、預處理(描述和模擬摔落時刻所處環境狀態,如溫度等)、合格準則(反映實際中裝備摔落后是否安全)等。

不同型號有不同的使用環境和要求,使用期內涉及和經歷的事件和過程也差異較大,作為對這些事件和過程中發生意外摔落的安全性評定試驗,開展跌落試驗時應在試驗條件、方法和要求中對此進行反映,反映其各自不同的特點和差異,并驗證出裝備摔落后最壞的安全狀況。文中綜合了國內外相關標準的規定,結合多型水中兵器跌落試驗的具體過程,立足于充分模擬和反映裝備勤務、使用過程相關環境和事件的角度,對這些條件和要求逐一進行討論。

文中所稱摔落是指裝備在運輸、貯存、維護、使用等過程中的意外掉落,掉落后撞擊到的地面、甲板、臺階、設施設備、礁石、雜物等稱為摔落面; 相應的,在跌落試驗中,將模擬實際中的摔落稱為跌落,模擬的摔落面稱為跌落面。

查閱 GJB573A-1998《引信環境與性能試驗方法》[1]、GJB5309-2004《火工品試驗方法》[2]、GJB8018-2013《地地常規導彈整體爆破彈頭試驗規程》[3]、GJB357-1987《空-空導彈最低安全要求》[4]、Q/SB405-2010《飛航導彈戰斗部設計定型試驗通用規范》[5]、美軍MIL-STD-2105C《非核彈藥的危險性評估試驗》[6]及北約 STANAG 4375《安全跌落,彈藥試驗程序》[7]等部分相關標準,其主要規定如表1所示。

表1 部分相關標準主要試驗要求Table 1 Main test requirements some related standards

文中通過對具體試驗方法、條件和要求的討論,采用組合各試驗條件后模擬出裝備最極限、惡劣和危險的意外摔落情形的方式,提出了用試驗條件的設置來模擬并驗證裝備在最壞摔落情形下其摔落安全狀況的方法,為水中兵器開展全雷跌落試驗提供參考。

1 一般原則

1.1 關于試驗條件的模擬和設定

北約制定了STANAG 4375《安全跌落,彈藥試驗程序》[7]標準來開展跌落試驗,美國軍標MIL-STD-2105C《非核彈藥的危險性評估實驗》[6]中,規定 12 m(40 inch)跌落試驗按照 STANAG 4375[7]來執行。這 2個標準,以及北約的 NATO AOP-39《不敏感彈藥的研制、評估和試驗指南》[8]等標準,均明確要求和貫徹了一個原則,即試驗設定條件應能夠涵蓋在“服役期內”“最惡劣”條件下發生意外的所有可能情況,具體到跌落試驗,包括: 發生意外摔落時一般可能的最大高度; 試驗樣品的構型應能準確地代表服役期內產品摔落時刻最易誘發意外事故的狀態; 樣品跌落撞擊時最惡劣的姿態以及溫度等環境條件,等等。查閱的其他標準針對相應試驗對象也部分規定或隱含了同樣的要求,這個原則也是水中兵器開展試驗必須遵守和執行的,即應當在試驗前對裝備在服役期內規定的操作流程和條件下,對可能經歷的所有事件和過程進行全面分析,選取并按照其中最惡劣的情形來模擬和設定試驗條件。

1.2 關于部分試驗條件模擬和設定的范圍

STANAG 4375[7]同時明確說明,該標準沒有明確包括“用適當的水平速度如從降落傘上或運動的運載工具上摔落”、“從飛機上投擲彈藥”等情況,但實際裝備使用中是包含這些情況的,因此在試驗中應考慮這些情況并反映到試驗條件的設定中,但不應當無限制的放大,如飛機掛載空投魚雷,試驗中應考慮和模擬在己方陣地起飛時魚雷可能摔落的情形,但不應考慮飛機離開陣地范圍后飛行時摔落的情形,因此各項試驗條件的模擬和設定,應限定為“在勤務和戰斗使用中庫房、陣地、甲板等己方場地范圍內發生意外自由摔落時可能的最惡劣條件”。

2 試驗條件、方法和要求

服役期內裝備摔落可能有吊裝中吊纜斷裂摔落、從運輸車或雷架滾落等多種情形,但無論何種情形均可分別分解為高度、跌落面、跌落方位 3個方面的具體試驗條件、方法和要求,同時用樣機狀態代表摔落時的產品狀態,對要求的環境條件進行相應的預處理,即可充分、完全的模擬實際中裝備摔落的各種具體情形。在型號規定的使用條件下,分別分解出其樣機狀態、高度、跌落面、跌落方位和環境幾個方面中最極限、惡劣和危險的具體條件,在試驗中組合設置,即可驗證出裝備摔落后最壞的安全狀況。

2.1 樣機狀態

通常作為危險品的組件或分系統,諸如引信、傳爆序列、火箭發動機、電池等,均應已依照各自相應的標準(如 GJB573A[1]、GJB5309[2]等)和規定,在全雷試驗前完成相應的可靠性、安全性等試驗和考核。另外,全雷狀態下在結構、性能、動作程序或安全鎖定程序等各個方面,各系統之間有相互的關聯、作用關系,與單獨組件狀態有所不同。因此,應在各分系統、組件完成各自安全性評定和考核的基礎上,以危險因素齊全的完整全雷狀態進行試驗,方可涵蓋和模擬最惡劣、危險的裝備狀態。如果裝備在使用中有多種狀態(如裝箱和不裝箱,配裝不同狀態戰斗部等),則應對不同狀態分別進行試驗。

考慮成本等因素,試驗樣品的非危險因素部分可用同樣形狀、結構、剛強度、重量的模擬件代替,但應確認這些替代不會對試驗結果造成影響(如不能降低試驗條件的惡劣程度,不能減少或隔斷可能發生的關聯反應等),且應保證樣品是完整的產品。

2.2 高度

高度是試驗最重要的參數和要求。從表1中可以看出,不同產品、不同標準,對高度的規定也差別較大,GJB8018[3]、GJB357[4]、Q/SB405[5]規范的是戰斗部,其勤務、使用環境和經歷事件過程與水中兵器全雷有一定相似性但遠不能涵蓋;STANAG4375[7]的高度規定較為嚴格,但對于部分型號(如潛用魚雷、自航水雷、助飛魚雷等)卻不相適應也不能涵蓋。

試驗的目的就是為了考核裝備在“服役期內”“最惡劣”條件下發生意外摔落的安全狀況,因此高度的確定和模擬,應在前述“一般原則”的前提下,針對型號服役期內環境和經歷事件過程,考慮產品對應的不同狀態,列出所有可能的高度后,選擇最大可能高度作為試驗和評估的設定條件。

例如,對潛用魚雷,其涉及的場所和流程主要有運輸(鐵路,公路,以及庫房、陣地、碼頭等場所之間的短途周轉)、起吊和吊裝(庫房、陣地,以及公路鐵路貨場和水運碼頭等)、裝艇及卸載、存放(庫房、陣地內及艇上發射管內)等。可知,在規定的操作流程和條件下,其可能的最大高度存在于吊裝裝艇過程或水運碼頭吊裝裝船過程中。在吊裝裝艇過程中,最大可能高度為從轉運車上吊起后距離裝艇浮筏的垂直高度,即魚雷吊起后距碼頭地面高度與碼頭地面至浮筏(或水面)高度之和(在試驗模擬計算此高度時還應乘以一個系數或額外增加一定高度以作冗余),此時的樣機狀態應為裸雷; 而在水運碼頭裝船吊裝過程中,最大可能高度也是魚雷吊起后距碼頭地面高度與碼頭地面至水面高度之和,此時魚雷應為裝箱狀態。因此在試驗模擬時,既要考慮最大高度的選取,還要考慮相應的產品狀態,分別進行試驗,或者綜合分析確定最惡劣的條件進行試驗。

同理,直升機空投魚雷最大可能摔落高度應為飛機飛離艦艇甲板范圍時的最大可能高度,或為裝艦吊裝時的最大可能高度; 固定翼飛機攜載的魚雷則應為飛機在機場范圍內飛行時的最大高度。

確定最大可能摔落高度,應對型號裝備部隊后所有可能涉及的場所、平臺、事件等進行詳盡分析和對比,包括設施(碼頭、陣地等)、運輸工具(火車、艦船等)、裝載平臺(潛艇、艦艇、航母等)等的相應尺寸,吊裝、攜載飛行等事件的相應高度等等,選取其中最大可能高度作為最惡劣和極限的試驗設置條件。當情況發生變化時,如裝載平臺由驅逐艦改為航母,則應重新試驗或評估。

2.3 跌落面

水中兵器裝備意外摔落的摔落面可能有艦艇鋼制甲板、庫房陣地混凝土地面、碼頭混凝土臺階或水面、雷架浮筏設備等金屬非金屬表面等等,而試驗中對多種多樣摔落面的模擬,無非模擬 2個要點,一是要求跌落面能夠提供大于等于(即最惡劣和極限的)摔落面給予裝備的撞擊力度,也就是表面和模擬撞擊物材質的選擇; 二是要求跌落面能夠充分模擬反映摔落面對裝備撞擊部位及其受損的最危險狀況,即模擬撞擊物的布設和危險誘因的觸發。

2.3.1 跌落面材質

從表 1中可以看出,絕大部分標準均規定采用鋼板(一般規定鋼板最小厚度為 75 mm,硬度不低于200 HB,水平固定在厚度為最少610 mm厚的混凝土基座上。鋼板表面平整,長寬至少是樣機最大尺寸的1.5倍)作為跌落面表面。對水中兵器來說,同等條件下鋼板提供的撞擊力值足以大于等于所有勤務、使用環境中可能的摔落面(混凝土、甲板、其他金屬非金屬等)對裝備的撞擊力值,是最惡劣和極限的條件,因此選用上述鋼板制作表面、同型鋼質制作模擬撞擊物作為一個試驗條件和要求是適宜的。

2.3.2 模擬撞擊物的布設和危險誘因的觸發

水中兵器一般為長圓柱形,水平摔落于平整鋼板時是母線撞擊而不是點撞擊,撞擊受力相對分散,此時震動小,殼體可能產生較大面積的輕微變形,或者可能碎裂但僅產生裂縫而不產生碎片,此時對炸藥、電池等的刺激相對較小; 但如果摔落在凹凸不平的礁石、臺階或尖銳硬物等處時,撞擊受力相對集中,此時震動大,殼體可能局部較大變形,形成較強烈的局部刺激,甚至殼體碎裂產生碎片刺入炸藥內部,這些狀況都極易導致電池內部震動短路起火、炸藥燃燒或爆炸等嚴重后果[9],因此可以認為平整的水平跌落面不足以完全模擬最惡劣情況,并且也不是服役期內意外摔落時最可能的情形。

例如,某型號戰斗部在進行試驗時,試驗了真實主裝藥(不裝起爆雷管和傳爆序列)主軸線水平跌落在水平鋼板上,和惰性主裝藥(主裝藥用石英砂替代,裝起爆雷管和傳爆序列)主軸線斜45o角跌落在水平鋼板上 2種狀態。雖然均未發生燃燒、爆炸等后果,但試后樣機狀態可以明顯看出,水平跌落的真實主裝藥戰斗部殼體出現多處裂縫,露出主裝藥,但殼體僅有裂縫無脫落碎片; 斜 45o角跌落的戰斗部出現裂縫相對少,露出內部替代主裝藥的石英砂,殼體有脫落碎片且有殼體碎裂形成的尖銳部分刺入石英砂中,戰斗部整體變形較大。現場分析認為,如果斜 45o角跌落的戰斗部內部裝填真實炸藥,很可能會由于碎裂的尖銳殼體和碎片的刺入而產生燃燒、爆炸等后果。據此可推測,如果該型號全雷在實際中意外摔落,戰斗部撞擊在凹凸不平的礁石、臺階或尖銳硬物等處時(此時碎裂的尖銳殼體和碎片刺入炸藥的可能性更大),或者非完全水平摔落時,均可能發生燃燒、爆炸等嚴重后果[10]。

意外摔落時裝備可能掉落在平整甲板、地面或凹凸不平的臺階等各處,其上可能空曠,也可能有設備、工具、雜物等等,情況多樣無法一一枚舉,試驗中不可能也無需對所有情形全部模擬,而僅需模擬最惡劣情形即可,即裝備危險部位受外部撞擊的最惡劣情形,如戰斗部撞擊在混凝土臺階、礁石、金屬制品上而殼體破碎和異物刺入炸藥等情形。應首先分析確定型號危險部位及其危險敏感誘因(如動力電池受撞擊震動內部短路起火,戰斗部殼體破碎或主裝藥被異物刺入爆炸等),確定各種危險誘因后,用 2.3.1節確定的材料制作相應能夠觸發危險誘因的模擬撞擊物,然后結合跌落方位等試驗要求進行模擬撞擊物的相應布設,布設應確保確定的危險誘因均被模擬和觸發(如確保魚雷電池艙落下撞擊在鋼棒或模擬鋼質礁石上誘發強烈震動,確保戰斗部撞擊在有棱邊的鐵塊或豎立的鐵管上),以此模擬和反映摔落面對裝備撞擊部位及其受損的最危險狀況。

按照上述跌落面材質、模擬撞擊物的布設和危險誘因的觸發進行跌落面的試驗布設,可確保涵蓋和模擬裝備最危險、最極限的摔落面情形。

2.4 跌落數量和方位

STANAG 4375[7]規定,試驗應做 3發樣品,取不同的撞擊方位,一般為主軸垂直前端向下、主軸垂直底端向下、主軸水平3種方位每發樣品各試驗1次。國內標準中,GJB573A[1]針對引信規定除上述3種方位外,還要求頭向下45o、底向下45o共5種方位,共試驗5發樣品; GJB5309[2]針對火工品的數量和方位規定與 STANAG 4375[7]相同; GJB8018[3]針對戰斗部則只規定了主軸水平1個方位,樣品數量為不少于2發。

上述標準除STANAG 4375[7]外,其余標準針對對象均不是全雷,其安裝、使用環境、經歷事件等與水中兵器全雷也差異較大,而 STANAG 4375[7]具有較好的參考價值。同時水中兵器全雷一般經濟價值較大,且型號之間產品特點、使用環境和經歷也差別較大。從嚴格試驗、充分考核的角度來說,當然樣品數量和方位越多越好,但考慮經費、實施難度等多種因素,則應在全面分析產品特點和使用過程經歷、確保最惡劣條件考核充分的前提下,適當確定樣品數,同時還可以結合在已有試驗結果基礎上,采取對未考核到項目開展分析評估等方法。

水中兵器意外摔落時,可能有從運輸車或雷架上滾落,水平吊裝時吊纜斷裂或從雷身滑脫導致全雷從或水平或傾斜或垂直情況下摔落,從攜載飛機上掉落,及垂直吊裝時摔落等種種情形,跌落方位(即撞擊摔落面瞬間產品軸線的角度)也就有了更多種可能。種種情形雖不可能一一枚舉和模擬,但必定包含在從水平到傾斜到前端/后端向下垂直的 3種情況中。綜合水中兵器體積大、圓柱狀、簡化試驗實施和操作、樣機價值高數量少、跌落面設置等多種因素,在試驗中應將多種方位合并簡化為水平、前端/后端向下垂直、前端/后端向下傾斜45o 5種典型方位,這5種方位結合跌落面的設置,能夠確保涵蓋和模擬所有危險、惡劣狀況的跌落方位設置條件。

例如,某型裝備分別在頭端有戰斗部、中部有電池、尾端有火箭發動機等危險部位,首先分析確定所有不同危險部位及其危險敏感誘因并對應制作模擬撞擊物,選定一種典型方位,按照2.3.2節中跌落面的設置要求設置模擬撞擊物,應確保方位與模擬物設置的組合能夠觸發所有危險誘因,然后在已確定的高度、樣機狀態和預處理要求下開展試驗,即可驗證出這種典型方位條件下裝備最壞的安全狀況,完成5種典型方位試驗,就能驗證出裝備服役期內摔落后最壞的安全狀況。具體試驗實施中,若考慮樣機數量、試驗實施難度等因素,可在分析裝備特點和綜合考慮試驗條件設置(如增加高度、加大模擬撞擊物布設惡劣程度)等前提下,采取試驗與評估結合的方式。例如,若尾端無危險部位,則垂直方位僅需實施頭端向下方位試驗而對尾端向下方位進行評估;若全雷前半部分危險部位的敏感度高于后半部,則傾斜45o方位可僅實施前端向下試驗而對后端向下方位進行評估等。但水平、垂直、傾斜45o 3種方位應至少各進行一次試驗。

2.5 預處理

如產品自身或其使用過程中,環境條件(包括溫、濕度等)的影響在意外摔落時可能帶來更嚴重后果,試驗時須對這類狀況進行預處理,以確保試驗能夠充分模擬服役環境中摔落時最惡劣的環境條件。

3 合格準則

水中兵器使用期內涉及的場所,如倉庫、技術陣地、碼頭、艦艇、機場等,基本均為人員、重要設施設備密集或經濟、軍事價值高的場所,一般不具備意外摔落后現場銷毀處理的條件,必須轉運至符合條件的安全場地進行處理,因此,試驗的合格準則應至少包括: 跌落后樣品不發生燃燒或爆炸反應,并在隨后的搬運和處理過程中能夠確保是安全的。

4 結束語

綜合分析對比國內外相關標準的優缺點及其應用于水中兵器試驗的適宜性,結合此前多型水中兵器試驗的具體過程,對試驗原則,試驗方法、條件和要求,合格準則等進行了討論,提出了試驗條件的模擬和設定原則; 利用將實際摔落情形分解為高度、跌落面、跌落方位等具體試驗條件的方法,提出了模擬極限、最惡劣和危險的情形并確定相應試驗方法、條件和要求,將其在試驗中組合設置來驗證裝備最壞安全狀況的建議。

水中兵器系統復雜、型號差異大,使用環境和經歷事件也區別較大,因此對試驗條件、方法和要求的設置和模擬,應區分差別(如潛用、飛機攜載等),不同型號不宜生硬、簡單的統一規定,除非規定參數能夠完全覆蓋。應建立相應的試驗條件數據庫,包括裝備目前和未來可能涉及的碼頭陣地等設施、火車艦船等運輸工具、潛艇航母等裝載平臺的相應尺寸,吊裝、攜載飛行等事件的相應高度,環境的主要特征等,以便于今后試驗的規范、參數的選取和設置,并應盡快形成和建立行業試驗標準。

[1] 中國兵器工業總公司. 引信環境與性能試驗方法: GJ B573A-1998[S]. 北京: 中國人民解放軍總裝備部,1998.

[2] 中國兵器工業總公司. 火工品試驗方法: GJB5309-2004[S]. 北京: 國防科學技術工業委員會,2004.

[3] 中國人民解放軍第二炮兵裝備研究院. 地地常規導彈整體爆破彈頭試驗規程: GJB8018-2013[S]. 北京: 中國人民解放軍總裝備部,2013.

[4] 航空工業部?一四中心. 空-空導彈最低安全要求: GJB 357-1987[S]. 北京: 國防科學技術工業委員會,1987.

[5] 中國航天科工集團第三研究院. 飛航導彈戰斗部設計定型試驗通用規范: Q/SB405-2010[S]. 北京: 中國航天科工集團第三研究院,2010.

[6] [s.n.]. Department of Defense Test Method Standard: Hazard Assessment Tests for Non-nuclear Munitions: MIL-STD-2105C(NOTICE 2)[S]. U.S.: Department of Defense,2006.

[7] NSA. Safety Drop,Munition Test Procedures: STANAG 4375[S]. Brussels: NATO,2003.

[8] MAS. NATOAOP-39[S]. Brussels: NATO,1998.

[9] 林文洲,洪滔. 高能炸藥摩擦感度的研究[D]. 成都: 中國工程物理研究院,2006: 1-15.

[10] 章冠人. 炸藥起爆機理研究[J]. 爆炸與沖擊,1989,9(2):184-190.Zhang Guan-ren. Study on Initiation of Detonation[J]. Explosion and Shock Wave,1989,9(2): 184-190.

Discussion on Drop Test of Undersea Weapons

HUANG Feng-jun1,SU Xiao-lu2
(1. Military Representative Office,Station in Shanxi Pingyang Machinery Factory,Houma 043002,China; 2.Shanxi Jiang Huai Heavy Industry Company Limited,Jincheng 048000,China)

Drop test is necessary for undersea weapons before approval. At present,there is no uniform standard or specification for drop test of undersea weapons in China,so the drop test has to accord with the testing experiences of initiating explosive devices,warheads or other weapons,and consider the requirements for certain undersea weapon. As a result,the prototype state,sample number,as well as simulation and settings of experimental conditions,are quite different. This paper reviews relevant national and international standards,considers the specific drop test processes of various undersea weapons,and presents the test principles,methods or requirements for prototype state,drop surface,drop direction,sample number,drop height,and pretreatment,in order to fully simulate and reflect the circumstances and events in applications of the equipment,and to provide a reference for carrying out undersea weapon drop test.

undersea weapon; drop test; test condition; simulation

TJ630.6

A

2096-3920(2017)03-0282-06

黃鳳軍,蘇曉璐. 關于水中兵器全雷跌落試驗的討論[J]. 水下無人系統學報,2017,25(3): 282-287.

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.03.012

2017-03-15;

2017-05-10.

黃鳳軍(1974-),男,高級工程師,從事魚雷水雷戰斗部研制生產工作.

(責任編輯: 許 妍)