水中兵器跌落安全性試驗研究現(xiàn)狀分析*

張 迪 閆銳兵 賈宏春

（1.91388部隊 湛江 524002）（2.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所 宜昌 443000）

1 引言

隨著魚雷、水雷及航空深彈等水中兵器爆炸毀傷能力的不斷增強，水中兵器在貯存、勤務(wù)處理、裝備試驗和戰(zhàn)場環(huán)境中意外跌落發(fā)生燃爆的安全風(fēng)險增大，可能會造成己方高價值武器裝備損毀和人員傷亡的事故發(fā)生，跌落安全性日益成為水中兵器彈藥安全性研究的重點。以美國為首的西方國家早已將彈藥安全性考核試驗納入到常規(guī)導(dǎo)彈彈藥的定型及軍備采購中，彈藥安全性考核試驗標(biāo)準(zhǔn)體系完善，跌落安全性考核試驗方法成熟，在彈藥安全性設(shè)計方面進(jìn)行了系統(tǒng)性研究且取得了一定成果［1～3］。由于我國在水中兵器彈藥安全性研究上起步較晚，跌落安全性考核試驗?zāi)壳斑€沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和要求［4］，水中兵器跌落安全性評定缺乏依據(jù)。本文通過介紹國內(nèi)外彈藥跌落安全性試驗標(biāo)準(zhǔn)、試驗方法等方面的研究進(jìn)展，總結(jié)概括了國內(nèi)彈藥跌落安全性考核評估研究亟待解決的主要問題，并針對國內(nèi)水中兵器跌落安全性考核試驗方法研究和標(biāo)準(zhǔn)建立提出了建議。

2 跌落安全性試驗標(biāo)準(zhǔn)

2.1 北約及美國跌落安全性試驗標(biāo)準(zhǔn)

跌落安全性作為彈藥安全性的重要內(nèi)容，受到北約及美國等發(fā)達(dá)國家的普遍重視。經(jīng)過長期的科學(xué)研究和大量的試驗驗證，北約及美國目前已經(jīng)建立了完善的跌落安全性試驗標(biāo)準(zhǔn)和成熟的彈藥安全性試驗標(biāo)準(zhǔn)體系［5～8］。

1）北約

北約各國非常重視彈藥安全性研究，并同步研究制定相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)和評估準(zhǔn)則。1988年，北約成員國在美國馬里蘭州建立了鈍感彈藥情報中心（NIMIC）（2004年更名為彈藥安全信息分析中心），該組織旨在共享技術(shù)情報并采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)評定鈍感彈藥的安全性和危險性。同年先后制定安全跌落、碎片撞擊、子彈撞擊、慢速烤燃、快速烤燃、射流沖擊、殉爆等七項模擬試驗標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了常規(guī)導(dǎo)彈彈藥在這些威脅模型下的反應(yīng)限度和評估準(zhǔn)則，形成了北約的鈍感彈藥標(biāo)準(zhǔn)體系的核心；其中，STANAG 4375《武器跌落安全跌落試驗程序》規(guī)定了非核彈藥12m 跌落安全性試驗的試驗方法和結(jié)果評估方法。制定標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議STANAG 4439《鈍感彈藥試驗介紹、評估和測試》，規(guī)定了協(xié)議國發(fā)展鈍感彈藥的相關(guān)政策，并給出了鈍感彈藥的通過準(zhǔn)則，可操作性很強；制定的AOP-39《鈍感彈藥的評估和研發(fā)指南》與STANAG 4439 配合使用，成為鈍感彈藥技術(shù)的開發(fā)、評估、測試的指導(dǎo)性文件；同時，參考TB700-2《國防部彈藥和爆炸物危險性分類規(guī)程》、聯(lián)合國橙皮書-《關(guān)于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書》，對安全性試驗方法及分類程序進(jìn)行了設(shè)置。最終形成了北約國家的鈍感彈藥評估和試驗方法標(biāo)準(zhǔn)體系。

2）美國

美國在彈藥安全性研究方面處于世界領(lǐng)先地位。1964年，美國海軍發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)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》，規(guī)定了對于非核武器的常規(guī)彈頭需進(jìn)行安全性測試，文件規(guī)定了測試方法和最低的可接受安全程度，這是第一個兼有測試方法和通過標(biāo)準(zhǔn)的文件，測試內(nèi)容包括快速烤燃、慢速烤燃和子彈撞擊的全部測試內(nèi)容。1967年，發(fā)布MIL-STD-1316《引信安全設(shè)計準(zhǔn)則》，規(guī)定了陸、海、空三軍對直列式火炸藥感度的要求和許用的直列式火炸藥。

1982年，美國建立了世界上第一個彈藥安全性相關(guān)的軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-2105《非核武器的彈藥危險性評估標(biāo)準(zhǔn)》，標(biāo)準(zhǔn)適用于全部非核武器彈藥的安全性考核評估，該標(biāo)準(zhǔn)中的基本安全性試驗項目包含12m 安全跌落試驗。隨著彈藥危險性評估方法和標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，在2011年美國形成了MIL-STD-2105《非核彈藥危險性評估試驗標(biāo)準(zhǔn)》體系，該體系以美軍標(biāo)2105D（2011 版）為框架，包括美軍標(biāo)2105D 及8 項北約標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，試驗項目包括4 項基本安全性試驗（28 天溫度和濕度試驗、振動試驗、4 天溫度濕度試驗和12m 跌落試驗）、8 項鈍感彈藥安全性試驗（快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊、碎片撞擊、射流沖擊等）和42 項附加安全性試驗（破片沖擊試驗等），這52 項試驗項目和25 項標(biāo)準(zhǔn)形成2105 標(biāo)準(zhǔn)體系的核心。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了基本安全性試驗中的跌落安全試驗方法引用北約標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議STANAG 4375《武器跌落安全跌落試驗程序》，該協(xié)議普遍適用于所有非核彈藥的跌落安全性評估，包括水中兵器彈藥跌落安全性的考核評估。由此可見，跌落安全性已經(jīng)成為美國非核武器彈藥的重要質(zhì)量特性。

2.2 國內(nèi)彈藥跌落安全性試驗標(biāo)準(zhǔn)

70年代末，我國開始出現(xiàn)鈍感彈藥的概念，彈藥安全性逐步受到重視，相繼建立了彈藥及彈藥用火工品安全相關(guān)的國家軍用標(biāo)準(zhǔn)［9～15］。1987年發(fā)布了《空-空導(dǎo)彈最低安全要求》，這是國內(nèi)評定彈藥跌落安全性的試驗項目、條件及合格準(zhǔn)則的最早的一個標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為對空空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部提出了跌落試驗要求；同年發(fā)布了《鈍感電起爆器通用設(shè)計規(guī)范》，規(guī)定了鈍感電起爆器2m和12m跌落試驗方法和要求；1999年，國家發(fā)布了《彈藥安全性試驗規(guī)程》，對炮用彈藥（不含引信）跌落安全性考核提供了依據(jù)；2000年起至現(xiàn)在，先后發(fā)布了《單兵火箭試驗規(guī)程》、《戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部通用規(guī)范》、《彈藥用火工品安全性》、《火工品試驗方法》、《固體火箭發(fā)動機跌落試驗方法》、《電子及電氣元件試驗方法隨機跌落試驗》等標(biāo)準(zhǔn)，分別對帶包裝箱的火箭彈、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部、彈藥用火工品、火工品、固體火箭發(fā)動機等跌落安全性試驗方法和結(jié)果評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定。上述標(biāo)準(zhǔn)的提出和建立，為我國彈藥跌落安全性考核以及彈藥安全性考核試驗標(biāo)準(zhǔn)體系的建立提供了基礎(chǔ)。

2013年中國工程物理研究院提出了安全彈藥［16］（Robust Munitions，RM）的概念，要求安全彈藥的毀傷威力必須滿足作戰(zhàn)使用要求，同時，這些彈藥在實戰(zhàn)化各種意外刺激（熱、力、熱力耦合、電磁等）作用下不易發(fā)生反應(yīng)，能更好地適應(yīng)運輸、貯存、勤務(wù)、訓(xùn)練、作戰(zhàn)等全壽命任務(wù)剖面。中物院在借鑒美國彈藥安全性軍標(biāo)的基礎(chǔ)上，開展了快速烤燃、慢速烤燃、聚能射流撞擊、殉爆反應(yīng)、槍擊及射流碎片撞擊等的小尺寸試驗方面的研究，編制了相應(yīng)試驗方法操作規(guī)程［17］，對我國安全彈藥的設(shè)計、研制和考核評價提供了參考依據(jù)，有力推進(jìn)了我國彈藥安全性考核試驗標(biāo)準(zhǔn)體系的建立和完善。

3 跌落安全性試驗方法

3.1 北約及美國跌落試驗方法

STANAG 4375《武器跌落安全跌落試驗程序》普遍適用于所有非核彈藥的跌落安全性評估，包括水中兵器彈藥跌落安全性的考核評估。該協(xié)議提供一個標(biāo)準(zhǔn)的12m 安全跌落試驗程序來評估武器的自由跌落效果，驗證武器是否可以經(jīng)受住跌落到硬表面的劇烈沖擊并仍保持安全狀態(tài)。此外，北約及美國在小尺寸試驗和數(shù)值模擬試驗上也進(jìn)行了大量的研究。

1）全尺寸跌落試驗

（1）撞擊面要求

撞擊面為厚度不少于75mm 的光滑鋼板，布氏硬度必須大于200HB；將鋼板與一個最小厚度為600mm 的鋼筋混凝土結(jié)合在一起，鋼筋混凝土起支撐作用，其最小抗壓強度為28MN/m2。撞擊面要足以容納跌落的彈藥并能適應(yīng)任何二次撞擊，撞擊面平整且水平平直度在2°內(nèi)。

（2）跌落高度、方位、次數(shù)

跌落高度為12m。跌落方位主要包括：長軸豎直，前端朝下；長軸豎直，底端朝下；長軸水平三種；在不同的撞擊方位，至少進(jìn)行三次獨立跌落試驗。一個試驗樣品只能跌落一次。

（3）通過標(biāo)準(zhǔn)

美國MIL-STD-2105D《非核彈藥危險性評估試驗標(biāo)準(zhǔn)》對彈藥遭受意外刺激時的反應(yīng)類型進(jìn)行了等級分類，按照反應(yīng)程度不同分為5 級，分別為爆轟、次爆轟、爆炸、爆燃和燃燒。當(dāng)彈藥滿足以下條件時，該彈藥通過跌落安全性試驗。

①試驗樣品中的火藥/火工藥劑/炸藥未出現(xiàn)可見或可聽到的反應(yīng)；

②試驗樣品處于安全處理狀態(tài)。

（4）試驗評估和分析報告

把所有安全跌落試驗與分析結(jié)果匯編成一個安全數(shù)據(jù)包，公評估用。數(shù)據(jù)包必須先前獲準(zhǔn)的試驗方案，包括針對聯(lián)合需求做出的任何改動的根本原因。

2）小尺寸跌落試驗和數(shù)值模擬試驗

由于全尺寸彈藥安全性試驗周期長、經(jīng)費高、實施風(fēng)險大，因此，國外在開展全尺寸試驗研究的同時，也對鈍感彈藥測試方法進(jìn)行了小尺寸試驗和數(shù)值模擬方面的研究工作。北約彈藥安全信息分析中心（MSIAC）專門成立了小尺寸試驗和數(shù)值模擬專題研究小組，開展小尺寸試驗不僅能夠指導(dǎo)鈍感彈藥配方和裝藥設(shè)計研究，同時還可以對殉爆、射流等過程的機理進(jìn)行研究［17］。數(shù)值模擬方法則是通過建立適當(dāng)?shù)哪M模型進(jìn)行模擬實驗，達(dá)到定量分析的目的。數(shù)值模擬試驗對于研究分析各種安全性刺激下彈藥發(fā)生燃爆的機理、預(yù)估彈藥在遭受意外刺激時可能引起的響應(yīng)具有重要作用。這些試驗中包括小尺寸跌落試驗和跌落數(shù)值模擬試驗，用以彌補全尺寸跌落試驗樣本量不足情況下，對彈藥跌落安全性進(jìn)行輔助分析。

3.2 國內(nèi)跌落安全試驗方法

國內(nèi)彈藥及彈藥火工品跌落安全試驗方法有十幾種，分別針對空空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部、鈍感電起爆器、炮用彈藥（不含引信）、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部、炮射導(dǎo)彈、反坦克導(dǎo)彈等彈藥及火工品的跌落安全性考核；這些試驗方法在項目選取、跌落高度和跌落姿態(tài)設(shè)置、試驗樣本量設(shè)計、被試品技術(shù)狀態(tài)要求以及評估方法上都存在一些差異，因此，上述試驗方法難以直接用于指導(dǎo)水中兵器跌落試驗。

1）全尺寸跌落試驗

目前水中兵器全尺寸跌落試驗方法主要參考北約STANAG 4375《武器跌落安全跌落試驗程序》進(jìn)行，針對武器不同的作戰(zhàn)使用特點，在試驗實施和結(jié)果評定上略有不同。

對撞擊面的要求基本與北約STANAG 4375 標(biāo)準(zhǔn)一致，大都采用厚度不小于75mm、布氏硬度不小于200HB 的光滑鋼板；鋼板下方為厚度不小于610mm的混凝土，鋼板與混凝土粘接在一起。跌落姿態(tài)主要包括3 種：長軸水平、長軸豎直和45°傾斜三種姿態(tài)，部分武器跌落姿態(tài)為裝載在發(fā)射箱中起吊時的姿態(tài)。試驗樣本量不小于1 個。跌落高度一般設(shè)置為2m/12m（不帶/帶包裝箱）。

通過標(biāo)準(zhǔn)一般要求在跌落過程中和跌落后轉(zhuǎn)運至銷毀過程中，被試品不燃不爆；同時，被試品可以安全處理，則判定該被試品通過跌落安全試驗。

2）跌落數(shù)值仿真試驗

國內(nèi)水中兵器研制生產(chǎn)相關(guān)單位大力開展跌落數(shù)值仿真試驗，目的是通過對水中兵器機械結(jié)構(gòu)、裝藥結(jié)構(gòu)、固體火箭發(fā)動機、鋰電池等主要危險源跌落安全進(jìn)行數(shù)值仿真，計算出跌落沖擊對水中兵器總體結(jié)構(gòu)安全性影響以及火箭發(fā)動機跌落撞擊數(shù)值模擬等，預(yù)估水中兵器跌落后的反應(yīng)烈度，掌握水中兵器跌落的整體安全性并對進(jìn)一步改進(jìn)提高跌落安全性提供數(shù)據(jù)支撐。

4 分析及建議

4.1 跌落試驗研究對比分析

1）跌落安全性試驗標(biāo)準(zhǔn)對比分析

北約、美國的常規(guī)彈藥安全性考核試驗標(biāo)準(zhǔn)體系和跌落安全性評估標(biāo)準(zhǔn)日趨完善，而我國在彈藥安全領(lǐng)域的研究工作仍以不敏感彈藥的標(biāo)準(zhǔn)引用和技術(shù)跟蹤為主，缺乏政策、法規(guī)引導(dǎo)，相關(guān)要求零散、不成體系；技術(shù)研究基礎(chǔ)薄弱，系統(tǒng)性不夠［18］。彈藥行業(yè)有關(guān)安全性考核標(biāo)準(zhǔn)已逐步開展，但存在統(tǒng)籌管理缺乏，可支撐數(shù)據(jù)覆蓋不全面，評估方法不系統(tǒng)，可實施性差等問題。國內(nèi)目前尚未建立水中兵器跌落安全性試驗標(biāo)準(zhǔn)，在彈藥及彈藥火工品跌落安全性試驗標(biāo)準(zhǔn)上，主要存在以下問題。

（1）標(biāo)準(zhǔn)適用范圍未實現(xiàn)全包覆

GJB357A《空-空導(dǎo)彈最低安全要求》對空空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部跌落安全性試驗方法提出了要求；GJB5144-2002《戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部通用規(guī)范》對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部跌落安全性試驗方法提出了要求；GJB8018-2013《地地常規(guī)導(dǎo)彈整體爆破彈頭試驗規(guī)程》適用于地地常規(guī)導(dǎo)彈整體爆破彈頭研制、生產(chǎn)和交付，其他整體爆破彈頭、戰(zhàn)斗部可參照執(zhí)行。上述標(biāo)準(zhǔn)中不能適用于所有戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部。

（2）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不完善

GJB357A《空-空導(dǎo)彈最低安全要求》只規(guī)定了戰(zhàn)斗部跌落安全性試驗的試驗條件及試驗合格準(zhǔn)則，未明確跌落刺激下彈藥反應(yīng)類型判定的具體方法和標(biāo)準(zhǔn)，沒有進(jìn)行彈藥跌落安全性分級和量化，缺乏彈藥準(zhǔn)入制度指導(dǎo)性文件。

（3）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗條件不統(tǒng)一

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗條件不同，試驗結(jié)果不能全覆蓋。GJB357A《空-空導(dǎo)彈最低安全要求》規(guī)定了戰(zhàn)斗部跌落安全性試驗合格準(zhǔn)則，沒有進(jìn)行危險性分級，直接要求滿足三星鈍感彈藥要求，與彈藥特性和當(dāng)前技術(shù)水平可能不協(xié)調(diào)。GJB357A《空-空導(dǎo)彈最低安全要求》嚴(yán)于海軍彈藥跌落安全性要求。

2）跌落安全性試驗方法對比分析

國內(nèi)在水中兵器跌落安全性的試驗研究和數(shù)值模擬研究兩方面均取得了一定的進(jìn)步，獲得了水中兵器彈藥在典型跌落刺激條件下的宏觀動作過程，為水中兵器跌落安全性評估提供了重要支撐，但距離滿足水中兵器的實戰(zhàn)化要求還有較大差距，主要表現(xiàn)在：

（1）跌落試驗測試方法研究方面

目前的試驗方法不能夠覆蓋產(chǎn)品真正的使用過程，試驗過程測試更多是結(jié)構(gòu)響應(yīng)，缺乏部組件性能變化測量，不能夠給出排他性預(yù)判。

（2）跌落試驗等效方法研究方面

尺寸效應(yīng)顯著，不具有縮比相似性，難“以小擬大”，等效方法難以建立。

（3）跌落試驗評估方法研究方面

在點火事故風(fēng)險評估方面，目前以綜合演示、工程驗證為主，回答關(guān)注的工程問題，獲得的結(jié)果僅是特定意外跌落場景下的結(jié)果，不具外推性，無法給出武器點火風(fēng)險邊界。在事故反應(yīng)烈度評估方面，近年國內(nèi)在燃燒反應(yīng)機理的認(rèn)識上取得了突破和深化，但武器裝備的烈度評估仍以“聽、聞、看”定性現(xiàn)象為主，缺乏基于過程量化數(shù)據(jù)的定量評估，無法合理給出事故的可能后果。

4.2 水中兵器跌落試驗研究的建議

針對我國目前跌落安全性試驗研究現(xiàn)狀，一些專家學(xué)者對國內(nèi)彈藥安全性研究和戰(zhàn)斗部跌落安全性試驗標(biāo)準(zhǔn)制定修訂等方面提出了許多意見建議［19～22］，在開展水中兵器跌落安全性試驗研究上的建議主要包括以下幾點：

1）采用科學(xué)研究與工程試驗研究相結(jié)合的方式，建立通用的跌落安全性試驗方法和科學(xué)的評估方法，建立試驗數(shù)據(jù)庫，為從宏觀定性描述到微觀機制定量表征水中兵器跌落安全性綜合評價奠定基礎(chǔ)。

要高效、高水平解決水中兵器跌落安全性問題，科學(xué)認(rèn)知務(wù)必到位，不能靠試驗試錯，要依托機理掌控，尤其是過程機理、模型方法、數(shù)字方法與加載和診斷新技術(shù)的能力，做到能對引發(fā)事故、主導(dǎo)事故反應(yīng)烈度走向的敏感因素和過程的有效控制；建立有針對性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、模型庫、數(shù)字化結(jié)構(gòu)與材料的響應(yīng)分析能力，逐步建立評估與預(yù)測能力。

2）積極推進(jìn)水中兵器跌落數(shù)值仿真試驗研究，預(yù)估水中兵器戰(zhàn)斗部及重要部組件意外跌落后的反應(yīng)烈度，為全尺寸跌落試驗安全實施和數(shù)據(jù)有效獲取提供支持。

隨著計算機技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展，計算速度和計算精度已經(jīng)得到極大提高，采用有限元軟件的數(shù)值仿真技術(shù)在水中兵器安全性研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。利用有限元法對跌落過程中水中兵器跌落重要部組件和兵器整體的安全情況進(jìn)行仿真分析，通過預(yù)估水中兵器戰(zhàn)斗部及重要部組件意外跌落后的反應(yīng)烈度，為全尺寸跌落安全試驗實施方案和安全預(yù)案制定優(yōu)化、故障分析定位以及跌落安全性評估等方面提供重要參考。

3）在跌落安全性試驗研究基礎(chǔ)上，加大水中兵器彈藥安全系統(tǒng)性研究力度，獲得控制因素及影響機理，結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)研究，建立科學(xué)合理的水中兵器彈藥安全性的試驗標(biāo)準(zhǔn)體系。

通過開展實驗室反應(yīng)特性試驗、仿真預(yù)估模型試驗和全尺寸彈藥考核試驗，掌握含能材料反應(yīng)特性、確定機制；建立模型，獲得點火閾值；通過全尺寸彈藥安全性試驗進(jìn)行驗證，實現(xiàn)從宏觀定性描述到微觀機制定量表征水中兵器武器安全性，從而建立科學(xué)的水中兵器彈藥安全性的試驗標(biāo)準(zhǔn)體系，為評估水中兵器彈藥安全性提供依據(jù)。

5 結(jié)語

跌落安全性作為水中兵器彈藥安全性的重要內(nèi)容，直接關(guān)系到高價值作戰(zhàn)平臺的安全性和己方生存戰(zhàn)斗力。采用科學(xué)研究與工程試驗相結(jié)合的方式，開展水中兵器跌落安全性試驗方法研究，制定合理的試驗實施方案和科學(xué)的結(jié)果評價標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上建立水中兵器跌落安全性試驗標(biāo)準(zhǔn)，對于指導(dǎo)水中兵器跌落試驗、考核評估水中兵器跌落安全性以及建立完善水中兵器安全性試驗標(biāo)準(zhǔn)體系具有重要意義。