破片撞擊不敏感彈藥研究進展

胡 杰，杜劍英，陳 樺，曹 鵬，張永杰

(1.西安工業大學 機電工程學院， 西安 710021； 2.中國兵器工業試驗測試研究院， 陜西 華陰 714200； 3.西安工業大學 兵器科學與技術學院， 西安 710021)

1 引言

隨著科學和軍事的發展，各種新式武器、彈藥層出不窮，武器結構趨于復雜、性能更加完善、威力也有大幅度的提升。在關注武器彈藥性能、威力的同時，彈藥在存儲、運輸、使用以及維護的過程中也存在著巨大的隱患。不敏感彈藥就是指其在滿足各種作戰指標、能量要求的前提下，彈藥在遭受到諸如爆炸破片、槍彈撞擊等外界不可預見的刺激條件下，自身不產生意外的燃燒、爆炸、爆轟等反應，降低這些反應帶來的意外損傷概率的彈藥，也稱鈍感彈藥。20世紀60年代以來，部分西方國家因為彈藥受到外界刺激而發生爆燃、爆炸以及爆轟等現象，造成己方人員傷亡、財產遭受重大損失。美國在汲取事故教訓之后率先開展了不敏感彈藥的相關研究工作，1988年美國軍方達成聯合協議要求1995年10月之后的武器必須符合低易損性軍用標準，同時需要進行一系列的試驗來對彈藥的安全性進行評級。破片作為毀傷元對彈藥安全性影響巨大，由于破片的高速撞擊會引發振動波，振動波能量可使炸藥分子不斷發生化學反應、釋放能量，導致壓力和熱量增加，并最終導致爆轟，所以破片撞擊被列為彈藥安全性試驗的基礎內容之一。

本文從國外不敏感彈藥安全性試驗的發展歷程出發，詳細介紹了破片撞擊的試驗程序和評價標準，分析了用于不同破片加載技術的優缺點及使用情況，并對我國彈藥安全性試驗提出了建議。

2 彈藥安全性發展歷程

國外在彈藥安全性方面的研究較早，尤其在海軍彈藥安全性方面開展了深入的研究，并對彈藥的風險評估不斷完善，形成了系列化的標準體系。美國是最早提出彈藥安全性的國家，于1982年頒發了世界上第一個不敏感彈藥的標準《非核彈藥危險性評估標準》—DOD-STD-2105，截至2011年經過多次改版并逐步對該標準進行了完善。該標準最終確定了4項基本安全性能試驗，6項不敏感彈藥試驗以及42項附加安全性試驗。非核彈藥危險性評估標準的頒布為世界各國提供了行業參考標準，提出了較為詳細、權威的測試流程與測試方法；美國對不敏感彈藥的安全性評價受到了北大西洋公約組織(NATO)各國的一致認可，1996—2010年北約也相繼頒布和更新了相應的不敏感彈藥標準化協議STANAG 4439《引進評估不敏感彈藥的政策指南》和AOP-39《不敏感彈藥的研制、評估和試驗指南》以及破片沖擊的STANAG 4496《彈片沖擊，試驗程序》。20世紀90年代至2011年期間，英國、德國、法國也分別制定了JSP520、BMVG、DGA/IPE等不敏感彈藥評估標準和政策，所包括的不敏感測試內容與美軍標基本一致,均對非核彈藥存在的危險和敏感性試驗方法進行了明確規定，通常適用于所有的火箭彈、導彈、榴彈等非核彈藥以及附屬的推進裝置、彈藥裝載機構、發射機構，戰斗部、安全與解保機構、爆炸網絡等彈藥子系統，主要考核內容均包括破片撞擊、子彈撞擊、快速烤燃、慢速烤燃、射流撞擊、殉爆反應等6種潛在威脅。經過長期的發展和試驗驗證，目前美國和北約等西方軍事強國，技術總綱為MIL-STD-2105D和NATO STANAG 4439標準，實施過程中的具體執行文件為AOP-39，具體操作規范為STANAG 單項試驗標準。目前我國尚無系統的彈藥安全性評估標準來指導試驗，目前主要借鑒美國國防部頒布的MIL-STD-2105D(海軍)《非核彈藥危險性評估標準》和北約2010年頒布的標準化協議STANAG4439(第三版)來執行，我國海軍率先起草了相應的標準。

3 高速破片加載技術現狀

目前在破片撞擊彈藥安全性領域使用的高速碎片加載系統按照能源形式主要劃分為三大類，即：以火藥為驅動能源的槍炮發射系統、利用炸藥爆炸化學能驅動破片的破片發生器以及壓縮輕質氣體膨脹做功的輕氣炮。

1) 槍炮發射系統

火藥燃燒驅動破片加速的方式是將破片放置于火炮或槍械膛內，在發射推進劑之后，利用粉末氣體高速推動破片產生高速運動。為了減少偏航造成的破片撞擊試驗的差異性，STANAG 4496標準中推薦使用槍炮系統開展此類試驗，使用的槍炮系統和標準破片的幾何形狀，見圖1所示。

圖1 北約STANAG 4496槍炮系統試驗標準中所使用的槍炮系統和標準破片的幾何形狀

1997年，美國丹佛大學的LIGHTSEY S L等人，設計了2個直徑為10.16 cm、長4.57 m的40 mm來復線膛炮，實現了2 530±91 m/s的速度發射2個12.7 mm立方碎片。美國國防部/能源部聯合彈藥計劃的Skidmore等人在2014年8月的破片沖擊測試評估能力報告中，闡述了30 mm口徑、40 mm藥室的破片槍以及試驗測試布局。2017年至2019年Miers,K.T等人，通過火藥燃氣驅動發射破片打擊120 mm迫彈試驗，優化了彈藥包裝上使用內襯，減輕因破片沖擊造成的反應暴力，實驗使用低碳鋼圓柱形標準破片，速度達到2 529 m/s。2020年美國陸軍作戰能力發展指揮裝備中心的Pudlak,Daniel J等人，采用平均硬度為200 HRB的1018鋼破片對集裝箱鋼、迫擊炮和炮彈、車輛裝甲、120 mm迫擊炮、155 mm炮彈彈殼的沖擊造成的斷裂、擴散和能量耗散特性技術研究。美國國家技術系統(NTS)和丹佛研究院(DRI)研制了一套由兩支40 mm口徑發射器組成的高精度破片發射系統，可以將質量為16 g的12.7 mm立方體破片發射出去，破片速度高達2 000 m/s，見圖2。

圖2 美國40 mm口徑、6.6 m長超高速破片加載裝置圖

國內海軍工程大學朱錫等人采用14.5 mm的滑膛彈道炮，發射彈速可達1 200 m/s的7.5 mm鋼制立方體高速破片，通過試驗驗證了高速破片對艦用復合裝甲結構靶的侵徹效能，分析了高速破片侵徹鋼靶板及纖維復合靶板的破壞模式，從而優選出更加具有優越性的防護板。96901部隊趙宏偉等人，利用14.5 mm的彈道炮，設計了活性破片加載裝置，采用次口徑發射原理實現了活性破片在擊穿、引燃、引爆等3個方面重點毀傷威力試驗的研究。南京理工大學孔德仁教授課題團隊改進了海30 mm藥室結構、增大了藥室容量，在25 mm滑膛炮基礎上將身管加長至4 m延長做功時間，可實現將質量小于50g的彈體加速到1 500～2 000 m/s，并且設計了球形、圓柱體、立方體3種典型定制破片的標準彈體，見圖3,有關加載裝置見圖4。

圖3 高速加載彈托及彈體破片實物圖

圖4 高速破片加載裝置圖

兵器051基地胡杰等人通過試驗和理論仿真結合的方法也給出了大藥室、小口徑火炮身發射破片在2 000～2 400 m/s的內彈道設計參數。中國工程物理研究院文雯等人,為了獲得高速破片撞擊鈍感裝藥安全性響應規律，采用自主設計的破片加載裝置，炮管長4 m,口徑為25 mm，最大裝藥量200 g，發射最大彈丸質量75 g，最大膛壓250 MPa，可將65 g質量的彈丸發射至1 840 m/s，破片速度可根據火藥量進行調控，最高速度可達2 000 m/s的高速破片發射裝置，見圖5，該裝置已應用于彈藥的破片撞擊安全性考核試驗。

圖5 高速破片加載裝置圖

2) 爆炸破片發生器

爆炸式發射裝置的原理與預制破片戰斗部的原理相同，通過起爆爆炸裝置內部的裝藥，依靠炸藥等高能材料的化學能驅動預制破片飛散，對周圍的目標實現高速破片撞擊。

國外美國科學家Gurney于20世紀40年代提出了炸藥驅動破片運動的相關理論。1965年美國Livermore實驗室開展了沖擊片沖擊爆炸藥的試驗，并申請了該試驗用起爆器的專利。1974年，Kennedy等人通過研究飛片起爆技術，掌握了飛片起爆原理和能量傳遞關系，并建立了對應的起爆破片基本方程。1997年俄羅斯Bat’Kov,Y.V等人進行了三級炸藥驅動進行實驗，將厚度0.5 mm重5 g的鈦板，加速到10.3～10.9 km/s。2013年Treadway,S.K 等人設計了一個長小于8 cm、直徑1.5 cm的炸藥驅動的高速發射器，將一個0.6 cm的破片以2.4 km/s的速度平穩發射出去。2018年Li,R 等人采用TNT爆轟加載EFP的方式對其破壞模式、爆轟波的傳播模式進行了研究，并將其速度加載到1 957.45 m/s。德國Manfred H 設計了一種爆炸成型破片( EFPs)發射器，可以發射單枚破片或同時發射兩枚破片，速度可達2 530 m/s，且質量損失小，打擊精度高。2019年Choudha,P.K等人對單約束破片發射裝置進行了參數化研究，得出了破片尺寸、裝藥尺寸、約束厚度對破片速度影響的經驗關系式。

國內中國工程物理研究院孫承緯等人改進了爆炸驅動的Gurney模型，采用多級炸藥驅動飛片，得到速度1Okm/s以上，直徑為數厘米的末級平面飛片。蔣小華等人設計了一種速度可調的小型炸藥驅動飛片裝置，開展不同密度PETN炸藥驅動飛片的實驗，得到了飛片起爆速度與炸藥密度的關系,速度可以在2 660～3 150 m/s之間調節。北京理工大學劉紅梅等人采用CL-20炸藥進行兩級驅動金屬飛片實驗，飛片其速度達到3 486 m/s。

3) 輕氣炮發射系統

輕氣炮亦稱“空氣炮”，是一種依靠壓縮輕質氣體通過氣體膨脹做功的方法來驅動彈丸在膛內加速，使彈丸獲得極高速度的發射裝置，按照其結構可分為單級輕氣炮和多級輕氣炮兩大類。

國外早在1948年，美國就已經成功進行二級輕氣炮的發射，成功的將一個輕質球體加速到4.3 km/s。1957年，隨著W.Hume和W.D.Crozier首先提出以壓縮的輕質氣體作為動力來推動破片概念。隨后，美國、加拿大、英國和法國陸續建立了自己的輕氣炮試驗設施。美國Amcs研究中心的5.6 mm、7.1 mm、25.4 mm、37mm、38.1mm口徑二級輕氣炮，發射質量范圍：0.045～27.4 g；發射速度為：6～11.3 km/s。美國的空軍研究研究實驗室擁有一門二級輕氣炮，能夠將彈丸速度加載到3 048 m/s。美國Alabama大學建有三座壓縮管口徑為108 mm、133 mm、254 mm輕氣炮。108 mm炮發射管口徑為19 mm、29 mm；133 mm炮發射管口徑為20 mm、28 mm和37 mm三種；254炮發射管口徑為56～152 mm。發射質量范圍：1～8 kg；發射速度為：2～7.5 km/h。Piekutowski A J等代頓大學研究所(UDRI)設計了一款三級輕氣炮，第一級75 mm、第二級30 mm、第三級8.1 mm，能將質量和長度/直徑比分別為0.107和0.67的彈丸速度發射到為8.65km/s。Glenn L A描述了一種新的氣體動力發射裝置，經過將傳統的二級輕氣炮進行改造，充滿氦氣作為三級泵管，實現了將1g重量的彈丸加速到(15～20)km/s。美國AEDC自1963年建立G靶輕氣炮試驗設施以來，為了促進輕氣炮的理論研究和試驗實踐，進行過7 000余發的實彈試驗，并取得了一定的技術突破。涵蓋84 mm、101.6 mm、203 mm等發射口徑，發射質量范圍：0.5～12 kg；發射速度為：3～6.5 km/s。早期G靶的發射器口徑為63.5 mm長為20.73 m，發射速度可以到7.3 km/s，發射質量范圍從0.16～3.2 kg，如圖6所示。

圖6 AEDC G靶發射試驗設施裝置圖

意大利目前已經建立了4.76 mm和6 mm口徑的二級輕氣炮試驗設施，輕氣炮建設在帕多瓦航天工業國際研究中心的CISAS機構，為了避免彈托隨著彈丸碰撞目標，采用了目前主流的氣動分離技術，能將重量在1～60 mg的彈丸發射速度高達5.5 km/s。20世紀60年代，加拿大McGill大學建立了三級輕氣炮，該門三級氫氣炮可以將1.5 g和1.1 g破片分別加速至9.6 km/s和10.5 km/s。加拿大 Loiseau J 等人設計了一種發射成本低廉，通過調節氦氣壓力來控制破片速度的爆炸氣體驅動破片加載裝置，其破片速度能夠達到標準要求(2 530±90)m/s的速度要求。

國內自20世紀60年代我國就開始了輕氣炮的相關研究并且建立了輕氣炮設備，但大多口徑都是7.6 ～57 mm之間，發射速度在8 km/s以下。中國空氣動力研究與發展中心是國內最早研究并建立輕氣炮設施為數不多的單位之一，現有口徑從7.6～37 mm不等的4座二級輕氣炮。被廣泛用于研究飛行器的氣動力、氣動熱、超高速碰撞、侵蝕等試驗研究。其發射器的性能為:7.6 mm二級輕氣炮:包括單級性能,模型炮口速度0.4km/s～7.3 km/s,發射質量0.25～3.5 g；16 mm二級輕氣炮仁:模型炮口速度2～7.2 km/s,發射質量2.7～9 g；25 mm二級輕氣炮:模型炮口速度2～7 km/s,發射質量10～35 g；37 mm二級輕氣炮:配有50 mm口徑發射管,炮口速度0.3～6.5 km/s,發射質量50～200 g。西北核技術研究所自主研制新型非火藥驅動10 mm口徑二級輕氣炮，通過對發射參數的選擇與優化，建立了內彈道物理模型。通過仿真，實現了在首級驅動壓力為30 MPa的條件下，可將1 g質量的彈丸加速到8 km/s以上，并通過實驗驗證。與此同時，北京中科院力學所、中國工程物理研究院、四川大學也分別建立了12.7 mm口徑二級輕氣炮、37 mm口徑二級輕氣炮、20 mm口徑二級輕氣炮。

4) 小結

槍炮發射系統：系統體積小，易運輸、破片速度控制相對精確，槍炮發射破片的質量損失小、打擊精度高，速度可以通過調整裝藥來進行控制，試驗具有可重復性。

爆炸式發射裝置：雖然其具有結構簡單、易操作、可以實現多個破片同時撞擊受試彈藥，更接近戰場實際情況的特點，但是較難實現碎片撞擊位置、破片的撞擊存速、撞擊方向等狀態的控制問題，同時會產生寄生超壓并對試驗區周圍產生損壞，會模糊和混淆試件反應，不利于彈藥安全性理化評估。

輕氣炮發射系統：體積大、成本高，不便于移動，防護難度大，目前更多的應用于實驗室非爆炸品類彈藥的抗高過載強度和環境力加載試驗的科學研究。

除以上3種加載方式外，激光能驅動和靜電粉塵驅動的方式也能實現破片的高速驅動，但是其只限于加速微米級厚度的輕質超薄飛片和質量很小的彈丸，尚未見到其應用于破片撞擊不敏感彈藥安全性考核試驗的相關報道。綜上，目前彈藥安全性破片撞擊試驗仍然以特殊槍炮發射特制的預制破片為主。

4 試驗方法評估標準

1) 撞擊破片相關規定

破片撞擊作為不敏感彈藥試驗的重要組成部分，在NATO STANAG 4496中對破片做了詳細的規定，即：速度為(2 530 ± 90)m/s高速破片對彈藥進行刺激響應；如果彈藥在全壽命周期受到(2 530 ± 90)m/s的高速破片撞擊概率較低(<0.000 1)，可以采用(1 830 ± 60)m/s的相對低速破片對彈藥進行刺激響應。并對標準破片參數進行了規定，質量18.6 g，直徑(14.3± 0.05) mm，長徑比約為1，布氏硬度(HB)不大于270的鋼制圓柱體。為了保持其飛行的穩定性，其頭部為(160°±0.5°)夾角的圓錐,結構如圖7所示。

圖7 碎片結構示意圖

2) 反應等級和評估標準

為了分析彈藥在遭受到破片刺激是發生的反應和變化，美軍標MIL-STD-2105D《非核彈藥危險性評估試驗》以及北約AOP-39《不敏感彈藥的研制、評估和試驗指南》(第三版)對彈藥遭受意外刺激時的反應類型進行了等級分類，按照反應程度不同分為6級，判斷依據主要包含兩個方面，一是彈藥自身產生的物理和化學反應；二是彈藥對周圍外界環境的影響。反應等級判定依據主要如下：

Ⅰ級反應：爆轟反應，含能材料以超音速分解消耗；金屬殼體快速塑性變形和高剪切速率破壞，全部形成小破片且散布距離遠；

Ⅱ級反應：部分爆轟，非全部含能材料發生爆轟反應，部分外殼變成小的破片，但含有大型破片，狀態如同脆性破裂，破片散布距離遠；

Ⅲ級反應：爆炸，次于Ⅱ類反應的彈藥反應，含能材料快速燃燒產生局部高壓，未反應的含能物質被拋出，產生火和煙。金屬殼體因爆炸產生大塊破片；

Ⅳ級反應：爆燃，彈藥的殼體可能會造成破裂但是不會形成破碎；周圍環境無破片，蓋板或其他結構件有可能移動，可能射出未固定牢固的試驗樣品；

Ⅴ級反應：燃燒，含能物質點火燃燒，不產生推力，無破片；殼體可能張開、熔化或非劇烈破裂，緩慢釋放燃燒氣體；

Ⅵ級反應：無反應，當除去外部刺激后，彈藥無任何反應。

各國規定的不敏感彈藥在破片撞擊刺激反應類型和分類標準如表1所示，其中美、英、德等執行的標準與北約相同；法國和意大利在不敏感彈藥的評價準則中又增加了重破片撞擊試驗的相關要求，三星級標準對不敏感彈藥提出了更高要求。

表1 各國彈藥破片撞擊不敏感性試驗評估標準

5 結論

1) 目前大多數國家使用槍炮發射系統驅動預制成型破片進行不敏感彈藥的撞擊試驗，雖然具有相對質量損失較小、試驗重復性和一致性較好、對目標彈藥的打擊精度高等優點，但其缺點為槍炮系統射擊的安全距離短、安全防護性差以及不易運輸等。傳統的槍炮驅動破片速度已經接近極限，應積極尋求電磁炮驅動破片等新技術在彈藥安全性領域的應用。

2) 國外開展了大量破片撞擊不敏感彈藥的試驗，建立了相對系統、詳細的試驗流程和評估標準，但相關標準對于破片的材質、硬度、質量和速度還存在一定的模糊定義，對彈藥的評估標準存在不一致性。

3) 隨著不敏感彈藥技術的發展，破片撞擊試驗作為評價彈藥撞擊安全性的方法在彈藥的研究過程起著舉足輕重的作用，實現實戰環境下的低易損性已經成為國內外彈藥研究的新熱點。建議有關方面加強國際協作和聯合研制，廣泛獲取信息，制定不敏感彈藥的發展規劃和評估標準。

4) 我國不敏感彈藥的安全性研究相對發展緩慢，雖然開展了相關研究并起草了相應標準，仍應充分借鑒國外彈藥安全性試驗設計思路，客觀分析差距，全面展開相關研究，加快建立適應我國的破片撞擊不敏感彈藥安全性試驗和評估技術體系。