固體發動機低易損性評估研究進展①

李 軍，焦清介，龐愛民，任 慧，聶建新，程立國，蘇 晶，關紅波，肖 旭，張杰凡

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081；2.航天化學動力技術重點實驗室，襄陽 410003；3.航天工業固體推進劑安全技術研究中心，襄陽 410003)

0 引言

現代戰爭中，戰機、艦艇、航母等作戰平臺上裝備了各類武器。為提高作戰能力，武器的能量和威力越來越高，隨著而來的是安全性能的惡化，特別是在運輸、勤務和使用等過程中，因意外熱、機械、沖擊波等外界刺激引發的燃燒或爆炸，不僅不能實現武器彈藥預期目的，反而會造成己方武器裝備(或平臺)損壞和人員傷亡。例如，1967年，美國Forrestal航空母艦著火后導致彈藥殉爆，造成21架戰斗機被毀，161人受傷，134人死亡，直接損失7.2億美元。1969年，美國Enterprise航空母艦爆炸，15架戰斗機被毀，17架戰斗機受損，343人受傷，28人死亡，直接損失5.7億美元。此外，武器彈藥在貯存、維護、演練等過程中，也曾發生過類似的安全事故，造成人員傷亡和財產損失[1]。以上這些事故直接導致航母、戰艦、戰機、彈藥庫等武器裝備及平臺損毀，嚴重削弱了己方的戰斗力。為此，20世紀60～70年代，美國陸軍彈道研究所(BRL)提出了低易損性彈藥(LOVA)的概念[2]。

低易損性是指彈藥在熱、機械、沖擊波等意外刺激時，彈藥的響應和隨之發生的二次損害較小，對外界刺激(如熱、沖擊、撞擊等)下不敏感，且著火時僅燃燒(或可接受的響應程度)而不會發生爆轟。低易損性概念的提出主要是從戰場環境出發，全面匯總彈藥在戰場環境下可能遇到的各類外界激源和刺激程度，結合響應程度及其對平臺的損傷(害)而提出的一系列試驗方法、評價程序和分類技術。

由于國內低易損性研究起步較晚，針對固體發動機低易損性試驗和評價技術研究剛剛開始，航天工業固體推進劑安全技術研究中心(航天四院四十二所)是國內最早開始固體發動機和固體推進劑低易損性試驗方法和評價技術研究的單位，參照美國(MIL-STD-2105)、法國(DGA/IPE INSTRUCTION N°260)及北約(STANAG 4439)等相關標準[3-5]，系統進行了固體發動機和固體推進劑低易損性試驗方法和評價技術研究，先后建立了固體推進劑低易損性試驗方法和評價程序系列標準，其中，航天行業標準《固體推進劑快速烤燃試驗方法》(QJ—20153—2012)和《固體推進劑慢速烤燃試驗方法》(QJ—20152—2012)已于2012年頒布實施，國家軍用標準《固體推進劑低易損性試驗方法和評價程序》系列標準已經報批[3-4]。在標準化研究的基礎上，設計研發了固體發動機及固體推進劑慢速烤燃試驗系統、快速烤燃試驗系統、子彈沖擊試驗系統、破片沖擊試驗系統、殉爆試驗系統和聚能射流沖擊試驗系統，先后在中國航天科技集團有限公司、中國航天科工集團有限公司、中國兵器工業集團有限公司、中國兵器裝備集團有限公司等多家科研院所和高校開展了固體發動機、戰斗部、固體推進劑、炸藥等低易損性試驗、評價及設備研制等工作，研究了固體推進劑、固體發動機烤燃條件下的“熱爆炸”機理，探索了固體發動機在破片沖擊下的響應發展歷程，初步闡明了固體發動機在熱、機械、沖擊波等外界刺激作用下的響應機理[5]。本文系統地總結了固體發動機低易損性試驗和評價方法的研究成果，考慮到篇幅限制，重點給出了低易損性項目類型、響應等級、影響因素等研究結果，旨在為低易損性固體發動機的設計、研制以及試驗和評價等提方面供技術支撐。

1 試驗方法

1.1 低易損性試驗項目

目前，國際上有3個主要彈藥低易損性試驗方法標準，分別為美國《非核彈藥危險評估試驗標準》(MIL-STD-2105)、法國《E彈藥需求測試試驗標準》(DGA/IP)以及北約《鈍感彈藥評估和試驗標準》(STANAG 4439)，這些國家的低易損性思路起源于美國，它們的低易損性試驗方法等同采用或者參照美軍標MIL-STD-2105系列標準編寫，但略有差異(具體差異見表1)。美國MIL-STD-2105系列標準起源于海軍的《海軍武器彈藥要求》(WR-50)文件，在1982年正式發布了MIL-STD-2105標準，經過A版、B版、C版的修訂后，最新版本為2011年發布的MIL-STD-2105D(具體發展歷程如表2所示)，MIL-STD-2105標準隨著版本的不斷更新而不斷完善，標準的級別在不斷提升，使用的范圍也越來越廣泛，MIL-STD-2105系列標準中規定，在彈藥危險評估過程中，需開展基本的安全試驗、低易損性試驗和附加試驗。MIL-STD-2105C及以前的版本中，低易損性試驗項目為7項，分別是快速烤燃試驗、慢速烤燃試驗、子彈沖擊試驗、破片沖擊試驗、殉爆試驗、聚能射流沖擊試驗和聚能射流熱碎片沖擊試驗[6-11]。在2011版的MIL-STD-2105D中，將聚能射流熱碎片沖擊試驗取消，具體原因并未對外發布。結合實際戰場環境，對比聚能射流沖擊試驗，破片沖擊試驗和聚能射流熱碎片沖擊試驗，經分析認為，聚能射流沖擊試驗和破片沖擊試驗的刺激強度可代替聚能射流熱碎片沖擊試驗。

表1北約、英國、德國、意大利、法國和美國測試標準

Table1TestmethodsofNATO,UK,Germany,Italy,FranceandUSA

注：I 爆轟；II 部分爆轟；III 爆炸；IV 爆燃；V 燃燒。

表2 MIL-STD-2105標準的發展歷程

注：WR-50“Naval Weapon Requirements-Warhead Safety Tests-Minimum for Air,Surface and Underwater

Launched Weapons”，美國海軍武器局文件，1964-02-13。

1.2 響應等級及類型

美國軍用標準MIL-STD-2105C及以前版本將響應等級分為5類，分別為爆轟、部分爆轟、爆炸、爆燃、燃燒。航天工業固體推進劑安全技術研究中心(航天四院四十二所)在大量低易損性研究的基礎上，認為5類結果不能全部涵蓋固體發動機的響應類型，在2008年編制固體發動機及固體推進劑低易損性試驗方法和評價標準時，增加了“燃燒以下”響應類型，將低易損性試驗的響應程度由5類增加為6類，分別為爆轟、部分爆轟、爆炸、爆燃、燃燒和燃燒以下[12]。隨后，2011年，美國發布的軍用標準MIL-STD-2105D中，同樣增加了“燃燒以下”級(具體如表3所示)。航天工業固體推進劑安全技術研究中心(航天四院四十二所)在分類的基礎上，細化了固體發動機響應等級的判據，將判據分為主要判據和次要判據，次要判據的缺失不直接影響響應程度的判定，但作為主要的輔助參數。在判定響應程度時，殼體的變形、破碎情況是最為直接、重要的證據；其次為固體發動機及固體推進劑本身的反應情況。沖擊波超壓數據主要用于區分爆轟和部分爆轟，碎片或固體推進劑的拋射距離用于區分爆燃和燃燒，同時結合地面炸坑、視頻和聲響等輔助進行固體發動機響應等級的分類和判別。

表3 反應類型術語

1.3 固體發動機低易損性試驗

1.3.1 國外固體發動機試驗

國外研究人員在低易損性試驗研究方面開展了大量工作，20世紀90年代，美國海軍開展了IMAD計劃，響尾蛇發動機系統開展了低易損性試驗和研究，具體由ATK公司的Allegany彈道學試驗室(ABL)承擔研究工作，該低易損性發動機采用了纖維纏繞的石墨復合材料殼體，發動機內裝填了低感度的、端羥基聚醚(HTPE)推進劑。表4給出了低易損性試驗結果，并與響尾蛇導彈Mk 36 Mod 11發動機(采用鋼殼體和HTPB推進劑)進行了比較。發動機對子彈和破片沖擊的響應有明顯的改善。在美國的聯合鈍感彈藥技術驗證(JIMTD)計劃中，開展了直徑254 mm的改進型海麻雀導彈(ESSM)發動機低易損性設計和試驗，發動機采用石墨/環氧樹脂復合材料殼體和低感度的固體推進劑，此項研究由ATK公司、NammoRaufoss公司、挪威防御研究機構和NAWCWPNS聯合開展。1996年，NammoRaufoss公司又開展了一項低易損性技術計劃，為ESSM導彈研制新型復合材料殼體，該計劃于2002年結束，研究人員按照MIL-STD-2105B標準對ESSM復合材料發動機進行了破片沖擊、子彈沖擊、快速烤燃和慢速烤燃試驗(見表5)，并與基準ESSM火箭發動機進行了比較，設計、制造的復合材料殼體發動機滿足ESSM計劃的要求。隨后，美國開展了大量的固體發動機低易損性試驗研究工作，部分試驗結果如表6所示[12]。通過表6分析可看出，固體發動機在殉爆試驗中低易損性較好。快速烤燃試驗和子彈沖擊試驗等試驗通過率次之，在慢速烤燃試驗和破片沖擊試驗等試驗中通過率最低。

表4 響尾蛇導彈發動機試驗結果

美國曾針對愛國者先進能力 (PAC-3)導彈開展了一項名為美國陸軍空間與導彈防御指揮部(USASMDC)鈍感彈藥/危險性分類綜合試驗計劃，該計劃進行了一系列縮比尺寸固體發動機低易損性試驗，并根據該結果與THA分析，在1997～1998年進行了系列全尺寸固體發動機試驗(試驗結果見表7)，通過表7可看出，自毀裝置在子彈沖擊、破片沖擊等機械刺激作用下的響應較固體發動機溫和[13]。

標準-3導彈(SM-3)是美國用于中高空攔截的戰術導彈，根據具體環境采用子彈沖擊試驗(第三級火箭發動機、動能彈頭)、破片沖擊試驗(第三級火箭發動機、動能彈頭)、快速烤燃試驗(第三級火箭發動機)等進行了系統考核和評估。表8給出了SM-3導彈危險評估試驗結果，通過表8可看出，固體發動機在子彈沖擊和破片沖擊試驗中的響應程度更加劇烈[14]。

1.3.2 國內固體發動機試驗

國內針對固體推進劑和炸藥的基礎安全性開展了大量的探索研究工作，但針對固體發動機低易損性研究較少。南京理工大學楊后文等[15]開展了不同火焰環境下固體發動機烤燃特性數值模擬技術研究，結果表明，HTPB推進劑最初著火位置均發生在靠近噴管藥柱外壁的環形區域內，隨著火焰溫度的提高，著火延遲期快速縮短，著火溫度逐漸增大，絕熱層的絕熱作用隨著火焰溫度的增大而增強，固體推進劑中AP發生緩慢分解時的溫度隨火焰溫度的提高而增大。海軍航空工程學院原渭蘭等[16]開展了艦載導彈固體發動機烤燃過程的數值計算方法研究。結果表明，火焰溫度和火焰溫升速率對發動機的著火延遲時間有顯著影響，發動機的絕熱層對外界火災有好的隔熱作用，快速熱烤下推進劑的著火首先發生在外表面上。

表5 ESSM火箭發動機低易損性試驗結果

表6 美海軍用發動機低易損性試驗結果匯總

注：P表示通過，F表示未通過。

表7 PAC-3導彈試驗結果

表8 SM-3導彈試驗結果

中國工程物理研究院流體物理研究所張旭等[17]開展了TATB基PBX的快速烤燃試驗與數值模擬的對比研究。結果表明，以固體推進劑為燃料會在短時間內引起TATB基PBX點火燃燒反應，但不會發生猛烈的爆燃或爆轟現象。南京理工大學韓博等[18]研究了一種新型發射裝藥的低易損性能。結果表明，新型裝藥可初步滿足12 m跌落、快速烤燃試驗、子彈沖擊試驗和射流沖擊試驗性能的評估要求。國防科技大學莊建華等[19]開展了固體發動機槍擊過程數值模擬技術研究。結果表明，子彈以750 m/s初速撞擊發動機，能在固體推進劑的內部形成高溫熱點，為發動機槍擊過程模擬提供了新方法。西安近代化學研究所楊建等[20]開展了RDX基發射藥子彈撞擊特性研究，結果表明，RDX基發射藥子彈撞擊反應劇烈程度和沖擊波超壓均高于單基發射藥，其安全性低于單基發射藥，大弧厚RDX基發射藥試樣反應劇烈程度明顯低于小弧厚試樣，沖擊波超壓更低。哈爾濱工程大學路勝卓等[21]開展了殼裝高能固體推進劑的殉爆實驗與數值模擬研究。結果發現，由于主發推進劑爆炸沖擊波的沖擊作用，造成被發殼體局部破壞形成碎片，碎片高速撞擊推進劑藥柱殼體使被撞擊區域熱能無法均勻分布，集中在碎片的尖銳棱角或突出處，導致相應位置的溫度劇增達到臨界爆發點，最終導致被發推進劑發生殉爆。西安近代化學研究所張超等[22]開展了固體推進劑對射流刺激的易損性響應研究，分析了配方、射流源的沖擊方向(軸向或徑向)、裝藥尺寸等對固體推進劑易損性響應的影響。結果表明，推進劑對軸向射流刺激的響應程度大于徑向響應，在長徑比為4∶1和1∶1條件下，3種典型推進劑對射流刺激的響應程度差別不大，且均有較強的響應，HTPB推進劑、改性雙基推進劑、NEPE推進劑的反應等級依次為爆炸、部分爆轟和部分爆轟。航天四院四十二所從“九五”規劃開始跟蹤國外發動機低易損性研究進展，結合國內固體推進劑和固體發動機的特點，設計開發了固體發動機慢速烤燃試驗系統、快速烤燃試驗系統、破片沖擊試驗系統、射流沖擊試驗系統、子彈沖擊試驗系統和殉爆試驗系統，在系統研究影響因素和判據等基礎上，建立了相應的等級評估程序，先后開展了多個項目的固體推進劑、固體發動機、戰斗部等低易損性機理研究和評估工作(見表9)。通過表9可看出，固體發動機在子彈沖擊、快速烤燃等試驗中響應比較溫和[23-24]。

表9 固體發動機低易損性試驗結果

2 結束語

國外早在20世紀60～70年就開始制定固體發動機低易損性研究計劃，分別從刺激源、試驗方法、試驗裝置、試驗判據、機理及控制等進行了系統的研究，研究成果已經在多個武器型號中得到應用。由于國內固體發動機低易損性研究起步較晚，國內低易損性試驗方法和評價程序基本為空白。航天工業固體推進劑安全技術研究中心(航天四院四十二所)在國內率先開展了固體推進劑、固體發動機低易損性試驗方法研究、試驗裝置研究，并形成了航天行業標準和國家軍用標準，相應的試驗方法在多個戰術導彈武器中得到應用，但對固體發動機的低易損性機理和控制技術，還需進一步深入開展研究工作。