彈藥殉爆試驗(yàn)與反應(yīng)等級評估探討

李金河，黃學(xué)義，傅華，汪斌，張志

彈藥殉爆試驗(yàn)與反應(yīng)等級評估探討

李金河，黃學(xué)義，傅華，汪斌，張志

（中國工程物理研究院 流體物理研究所，四川 綿陽 621999）

獲取彈藥在殉爆情況下發(fā)生反應(yīng)的特征行為，為不敏感彈藥的評定以及彈藥安全性的評估提供技術(shù)支撐。參照北約STANAG 4396標(biāo)準(zhǔn)，開展某型彈藥殉爆試驗(yàn)。采用超壓測量、見證板變形破壞情況觀測、破片速度測量等傳統(tǒng)測試方法，結(jié)合先進(jìn)的激光干涉測速技術(shù)（Photonic Doppler Velocimetry—PDV）測量被發(fā)彈藥及主發(fā)彈藥反應(yīng)后殼體膨脹速度。被發(fā)彈藥側(cè)見證板比主發(fā)彈藥側(cè)見證板產(chǎn)生了更嚴(yán)重的變形。11 m和14 m處超壓測量結(jié)果分別達(dá)到306 kPa和177 kPa，與兩枚彈藥爆轟后產(chǎn)生的超壓相當(dāng)。被發(fā)彈藥和主發(fā)彈藥的殼體膨脹速度相當(dāng)，達(dá)到約3500 m/s。在試驗(yàn)條件下，被發(fā)彈藥發(fā)生了爆轟反應(yīng)，該彈藥不屬于不敏感彈藥。在殉爆試驗(yàn)中，主發(fā)彈藥和被發(fā)彈藥的殼體膨脹速度可作為判斷被發(fā)彈藥反應(yīng)等級的關(guān)鍵參量。

殉爆；超壓；PDV；見證板；反應(yīng)等級；不敏感彈藥

彈藥是用來殺傷敵人的，具有巨大的毀傷能力。彈藥在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過程中，遇到事故或意外刺激、受到攻擊等情況下，彈藥自身應(yīng)具有比較高的安全性，以免造成己方人員的重大傷亡。因此，現(xiàn)代武器彈藥的發(fā)展，一方面追求彈藥的高效毀傷能力，另一方面越來越重視彈藥安全。自20世紀(jì)90年代以來，美國國防部就制定了安全性試驗(yàn)軍標(biāo)（MIL-STD-2105A），用于指導(dǎo)海軍彈藥安全性的評估試驗(yàn)。2011年發(fā)布的最新版本的標(biāo)準(zhǔn)MIL- STD-2015D[1]（非核彈藥的危險(xiǎn)性評估試驗(yàn)），用于全面指導(dǎo)非核彈藥安全性的試驗(yàn)方法和反應(yīng)烈度評估準(zhǔn)則。殉爆試驗(yàn)是其中的一項(xiàng)不敏感彈藥安全性標(biāo)準(zhǔn)評估試驗(yàn)，用于評估彈藥在鄰近彈藥爆炸作用下的后果。其試驗(yàn)方法與北約標(biāo)準(zhǔn)STANAG 4396[2]一致，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試方法主要包括高速攝影、見證板、超壓、破片。

國內(nèi)外開展了較多裸炸藥殉爆試驗(yàn)和數(shù)值模擬工作，在帶殼彈藥殉爆方面的研究工作相對較少。Lu[3]等模擬了PBXN-109炸藥殉爆實(shí)驗(yàn)，給出了PBXN-109炸藥的沖擊感度曲線。Fisher[4]等分析了泡沫隔層等對炸藥殉爆的影響。李錚[5]研究了多種炸藥的殉爆安全距離，并給出了經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。研究認(rèn)為，對于不敏感的炸藥，爆轟產(chǎn)物的作用是造成散裝TNT殉爆的主要原因。較敏感炸藥，如RDX，空氣沖擊波超壓和正壓持續(xù)時(shí)間作用是造成殉爆的主要原因。陳朗[6]進(jìn)行了固黑鋁炸藥殉爆實(shí)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算分析了被發(fā)炸藥爆轟波的成長過程。王晨[7]開展了帶殼固黑鋁炸藥的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，給出了殉爆距離，并指出被發(fā)裝藥發(fā)生殉爆主要是由于破片作用。

為了評估某型彈藥殉爆條件下的反應(yīng)情況，在參考北約標(biāo)準(zhǔn)STANAG 4396的基礎(chǔ)上，引入流體物理研究所發(fā)展的激光測速技術(shù)（DPS），通過定量測量彈藥殼體膨脹速度，結(jié)合超壓測量結(jié)果、見證板測量結(jié)果綜合評估被發(fā)彈藥的反應(yīng)等級。最后，對彈藥殉爆試驗(yàn)方法以及反應(yīng)等級評估方法進(jìn)行了初步探討。

1 試驗(yàn)

彈藥殉爆試驗(yàn)布局如圖1所示，主要包括1塊1.5 m×1.5 m×6 mm的Q235底見證板，2塊1.5 m× 1.5 m×6 mm的Q235側(cè)見證板（側(cè)見證板與彈藥中心的距離為5 m），8個(gè)沖擊波超壓傳感器（1#—4#與彈藥中心的距離為11 m，5#—8#與彈藥中心的距離為14 m），10個(gè)PDV測試探頭（與彈藥表面的距離約為60 mm，如圖2所示）和1臺(tái)高速攝影相機(jī)。主發(fā)彈藥與被發(fā)彈藥軸線的距離為440 mm。側(cè)驗(yàn)證板和底驗(yàn)證板主要用于對比彈藥爆炸后在驗(yàn)證板上產(chǎn)生的后效，可用于定性評估彈藥的反應(yīng)情況。沖擊波超壓可以定量地分析彈藥發(fā)生殉爆反應(yīng)后能量的釋放水平，可以準(zhǔn)確地獲取彈藥裝藥反應(yīng)后對殼體的做功能力。高速攝影則可以直觀地獲取彈藥殉爆反應(yīng)的圖像（由于強(qiáng)光影響，高速攝影結(jié)果難以用于分析彈藥的實(shí)際反應(yīng)情況，文中不作介紹）。

圖1 殉爆試驗(yàn)布局

圖2 PDV測試布局

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 見證板破壞情況

見證板的變形和破壞情況如圖3所示，位于主發(fā)彈藥一側(cè)的見證板產(chǎn)生了較大的變形和較多的穿孔，底端兩側(cè)彎折。被發(fā)彈藥一側(cè)見證板產(chǎn)生對折現(xiàn)象，靶板正面處于內(nèi)側(cè)，產(chǎn)生大量的穿孔。被發(fā)彈藥一側(cè)見證板的變形情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主發(fā)一側(cè)，說明被發(fā)彈藥發(fā)生了爆轟反應(yīng)，并且靠近主發(fā)彈藥的側(cè)邊首先爆炸，在被發(fā)彈藥一側(cè)的見證板方向產(chǎn)生了定向增強(qiáng)效應(yīng)。

2.2 超壓測量結(jié)果

不同距離處的超壓測量結(jié)果如圖4所示，沖擊波產(chǎn)生了2次超壓峰值，2個(gè)峰值壓力接近。由于彈藥底部鋪設(shè)了底見證板（鋼），因此，采用剛性地面近地爆炸后的沖擊波超壓計(jì)算公式[8]：

圖3 見證板破壞情況

式中：為沖擊波超壓，MPa；為裝藥的TNT當(dāng)量，kg；為距炸藥表面的距離，m。

計(jì)算結(jié)果表明，測得的超壓相當(dāng)于2枚彈藥正常爆轟時(shí)產(chǎn)生的沖擊波超壓。由此可以說明，被發(fā)彈藥發(fā)生了完全爆轟?？梢?，在被發(fā)彈藥發(fā)生爆轟的情況下，沖擊波超壓測量結(jié)果可以準(zhǔn)確地表征被發(fā)彈藥的能量釋放特性。因此，在殉爆試驗(yàn)中，超壓測量結(jié)果是判斷被發(fā)彈藥是否發(fā)生爆轟的重要參數(shù)。

圖4 不同距離處的超壓測量結(jié)果

2.3 PDV測量結(jié)果

主發(fā)彈藥和被發(fā)彈藥殼體膨脹速度如圖5所示。由圖5a可知，主發(fā)彈藥爆轟后，殼體在膨脹初期迅速達(dá)到2300~2600 m/s；經(jīng)過1.5~3 μs后，殼體破裂形成破片，破片在爆轟產(chǎn)物的作用下，被再次加速到約3500 m/s。由圖5b可知，被發(fā)彈藥除引信端蓋速度較低，加速過程較慢外，其他位置的速度大多在2500 m/s以上。被發(fā)彈藥外側(cè)面以及頭部中心位置處的速度比其他位置處的速度更高，甚至比正常起爆的主發(fā)彈藥的殼體膨脹速度略高（主發(fā)彈藥為中心起爆）。再結(jié)合不同位置處的起跳時(shí)間差異可知，被發(fā)彈藥首先發(fā)生反應(yīng)的位置靠近主發(fā)彈藥內(nèi)側(cè)，且更接近被發(fā)彈藥尾端。說明被發(fā)彈藥發(fā)生了爆轟，沿起爆方向產(chǎn)生了一定的能量增強(qiáng)效應(yīng)，而其他方向的能量則相對減弱。測試結(jié)果可以進(jìn)一步證實(shí)被發(fā)彈藥一側(cè)見證板產(chǎn)生更大變形的原因。PDV測量結(jié)果可以作為數(shù)值模擬分析的依據(jù)，對分析彈藥反應(yīng)的位置、反應(yīng)等級及其發(fā)展過程具有重要作用。

圖5 殼體膨脹速度

3 分析和探討

根據(jù)北約標(biāo)準(zhǔn)，彈藥反應(yīng)分為5個(gè)等級：I級爆轟、II級爆炸、III級爆燃、IV級燃燒和V級不反應(yīng)?，F(xiàn)有評估準(zhǔn)則包括殼體破裂程度及破片大小、沖擊波超壓、驗(yàn)證板變形與破壞情況、地面炸坑、剩余藥量及影像和聲音。其中除了沖擊波超壓可以給出定量結(jié)果，計(jì)算當(dāng)?shù)卣ㄋ幈ǖ腡NT當(dāng)量外，其他評估方法只能對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性分析，很大程度上需要依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，存在極大的人為性。因此，在判斷爆炸、爆燃等反應(yīng)等級時(shí)，并沒有一個(gè)清晰的界線。為了更好地評估彈藥殉爆的反應(yīng)等級，建議在沖擊波超壓測量的基礎(chǔ)上，增加激光干涉測速技術(shù)，同時(shí)獲取主發(fā)彈藥和被發(fā)彈藥的殼體膨脹速度，通過對比，綜合判斷被發(fā)彈藥的反應(yīng)等級。其他測試結(jié)果如殼體破裂程度、破片大小、驗(yàn)證板變形與破壞等作為參考。由于不同的反應(yīng)等級對應(yīng)不同的炸藥反應(yīng)速率，從而對應(yīng)不同的殼體膨脹速度和加速時(shí)間。因此，殼體膨脹速度和加速過程（時(shí)間）直接體現(xiàn)了炸藥的驅(qū)動(dòng)做功能力，以殼體膨脹速度和加速時(shí)間評估彈藥的反應(yīng)等級有直接的科學(xué)意義。另外，被發(fā)彈藥與主發(fā)彈藥的殼體膨脹過程還可以直接進(jìn)行對比，如果以相對膨脹速度（被發(fā)彈藥殼體膨脹速度與主發(fā)彈藥爆轟時(shí)的殼體膨脹速度之比）作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可能有助于更好地分析被發(fā)彈藥的反應(yīng)等級。如對于本試驗(yàn)中的彈藥，以主發(fā)彈藥爆轟時(shí)殼體膨脹速度作為參照。當(dāng)發(fā)生爆轟時(shí)，其最大速度約為D（3500 m/s）。因此，被發(fā)彈藥發(fā)生爆轟時(shí)，其加速時(shí)間及最大速度應(yīng)基本相當(dāng)。當(dāng)被發(fā)彈藥反應(yīng)等級為爆炸時(shí)，其速度范圍可定義為0.1D~0.95D；爆燃時(shí)，其速度范圍可定義為0.01D~0.1D。燃燒時(shí)，其速度范圍可定義為0.001D~0.01D；無反應(yīng)時(shí)，無法獲取典型的殼體膨脹速度。

對于本殉爆試驗(yàn)中的彈藥，綜合超壓、殼體膨脹速度及其見證板變形破壞情況可知，被發(fā)彈藥發(fā)生了爆轟反應(yīng)，該彈藥不屬于不敏感彈藥。

4 結(jié)論

通過開展彈藥殉爆試驗(yàn)，獲得了超壓、殼體膨脹速度、見證板等測試結(jié)果，分析得出以下結(jié)論。

1）試驗(yàn)中，被發(fā)彈藥發(fā)生了爆轟反應(yīng)，該彈藥不屬于不敏感彈藥。

2）超壓測試結(jié)果可以用于分析殉爆過程中炸藥的能量釋放情況，測試結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

3）PDV測速結(jié)果可以直接對比分析主發(fā)彈藥和被發(fā)彈藥的反應(yīng)情況和驅(qū)動(dòng)能力，可以更好地評估彈藥的反應(yīng)等級，建議在類似的安全性試驗(yàn)中推廣應(yīng)用，并形成標(biāo)準(zhǔn)測試手段。

4）在彈藥殉爆試驗(yàn)評估中，建議以超壓和相對殼體膨脹速度作為主要的評估依據(jù)，其他結(jié)果如見證板變形破壞、破片大小等可作為參考。

[1] STANAG 4396, Sympathetic Reaction, Munition Test Procedures[S].

[2] MIL-STD-2015D, Hazard Assessment Tests For Non-Nuclear Munitions[S].

[3] LU J P, LOCHERT I J, KENNEDY D L, et al. Simulation of Sympathetic Reaction Tests for PBXN-109[C]// The 13thInternational Detonation Symposium. Norfolk, 2006.

[4] FISHER S D, BAKER E L, WELLS L G. XM982 Excalibur Sympathetic Detonation Modeling and Experimentation[C]// Proceedings of insensitive munitions &energetic materials technology symposium. Bristol, 2006.

[5] 李錚, 項(xiàng)續(xù)章, 郭梓熙. 各種炸藥的殉爆安全距離[J]. 爆炸與沖擊, 1994, 14(3): 231-241.

[6] 陳朗, 王晨, 魯建英, 等.炸藥殉爆實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬[J]. 爆炸與沖擊, 2009, 29(6): 497-500.

[7] 王晨, 伍俊英, 陳朗, 等. 殼裝炸藥殉爆實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬[J]. 爆炸與沖擊, 2010, 30(2): 152-158.

[8] 蔣浩征, 周蘭庭, 蔡漢文. 火箭戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)原理[M]. 第一版. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1982.

Sympathetic Detonation Test and Reaction Degree Evaluation of Munitions

LI Jin-he, HUANG Xue-yi, FU Hua, WANG Bin, ZHANG Zhi

(Institute of Fluid Physics, CAEP, Mianyang 621999, China)

To obtain the reaction degree of munitions under sympathetic detonation, to provide technical support to the evaluation of munitions safety and sensitivity.The sympathetic detonation test of a certain type of munition was carried out based on the STANAG 4396 of NATO. The overpressure, the distortion and damage of witness, the velocity of fractions were measured; additionally the expanding velocities of munitions case were obtained based on the Photonic Doppler Velocimetry - PDV).The flank witness face to the acceptor distorted more seriously than to the donor. The overpressure at 11 m and 14 m was 306 kPa and 177 kPa, which was almost the same as the effect of two munitions detonated. The case expanding velocities of donor and acceptor were also equivalent, which was about 3500 m/s.In the given experiment conditions, the acceptor detonated. So the munition does not belong to insensitive munitions. In sympathetic detonation test, the expanding velocities of munitions case (both donor and acceptor) may be the key parameters to judge the reaction degree of munitions.

sympathetic detonation; overpressure; PDV; witness; reaction degree; insensitive munitions

10.7643/ issn.1672-9242.2019.09.009

TJ410；0385

A

1672-9242(2019)09-0053-04

2019-03-12；

2019-04-23

李金河（1979—），男，重慶人，高級工程師，主要研究方向?yàn)閺椝幇踩浴?/p>