安全彈藥的發(fā)展思路與技術(shù)途徑

黃 輝，黃亨建，王 杰，陳紅霞，韓 勇，柴傳國(guó)

（1.中國(guó)工程物理研究院，四川 綿陽(yáng) 621999； 2.中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999； 3.中國(guó)工程物理研究院安全彈藥研發(fā)中心，四川 綿陽(yáng) 621999）

0 引 言

彈藥的安全性問(wèn)題自熱兵器發(fā)明伊始就如影隨形。第一次世界大戰(zhàn)前后，彈藥主要裝填苦味酸和硝酸銨炸藥，苦味酸因與金屬殼體反應(yīng)生成敏感的苦味酸鹽導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生炮彈膛炸事故而被淘汰。二戰(zhàn)及以后較長(zhǎng)時(shí)期TNT 基熔鑄炸藥成為主流裝藥，但彈藥安全事故仍然頻發(fā)。1960～1990s 國(guó)外在勤務(wù)、訓(xùn)練和實(shí)戰(zhàn)中發(fā)生了上百起彈藥爆炸事故，僅美國(guó)就發(fā)生10余起重大事故，死傷1000 余人（見(jiàn)表1）。

表1 國(guó)外典型彈藥事故統(tǒng)計(jì)［1-4］Table 1 The statistics on typical ammunition accidents abroad［1-4］

為改善彈藥安全性，美國(guó)20 世紀(jì)五六十年代提出低損彈藥概念，發(fā)展以澆注高聚物粘結(jié)炸藥（Polymer Bonded Explosive，PBX）為典型代表的低易損炸藥，20世紀(jì)八十年代美歐又大力實(shí)施鈍感彈藥（IM，Insensitive Munitions）計(jì)劃［5］，這些舉措逐步提升了彈藥安全性。但是彈藥安全是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，雖國(guó)外IM發(fā)展已30 余年，仍有相當(dāng)份額的彈藥是普通彈藥，安全事故時(shí)有發(fā)生。如：2009 年11 月13 日，海軍某軍火庫(kù)回收處理廢舊炮彈時(shí)發(fā)生連環(huán)爆炸，造成2 人死亡，44 人受傷，10 天后清理該軍火庫(kù)時(shí)再次發(fā)生爆炸，又死亡8 人［6］；2013 年3 月18 日，美國(guó)海 軍陸戰(zhàn)隊(duì)實(shí)戰(zhàn)演練時(shí)，一枚迫擊炮彈意外膛炸，導(dǎo)致8 人死亡，7 人受傷［7］；2020 年10 月8 日，俄羅斯西部軍區(qū)位于梁贊州的一所軍火庫(kù)因附近草地起火導(dǎo)致軍火庫(kù)爆炸，造成附近居民樓損毀［8］。可見(jiàn)，彈藥安全問(wèn)題至今仍未完全解決。

彈藥爆炸事故不僅造成人員傷亡和武器損毀，也是現(xiàn)代高價(jià)值作戰(zhàn)平臺(tái)的最大殺手。美國(guó)吸取20 世紀(jì)60～80 年代發(fā)生的4 起因彈藥爆炸引發(fā)的航母重大安全事故和多次彈藥事故的慘痛教訓(xùn)（表1），于1980 年代初首先實(shí)施IM 計(jì)劃，其后北約10 余個(gè)國(guó)家紛紛效仿發(fā)展IM。經(jīng)過(guò)30 余年發(fā)展，通過(guò)換裝不敏感炸藥、鈍感起爆傳爆序列、應(yīng)用緩釋裝置等IM 安全技術(shù)，彈藥安全水平持續(xù)提升。美歐大量裝備IM，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前北約各國(guó)的IM 已占現(xiàn)役彈藥的50% 左右［9-12］，彈藥事故及危害顯著降低。如：2009 年阿富汗彈藥運(yùn)輸車(chē)油箱著火，16 枚M768 60mm IM 迫擊炮彈被火焰吞食而沒(méi)有發(fā)生爆炸，7 名成員全部存活［13］；2012 年美國(guó)夏威夷兩棲戰(zhàn)車(chē)上一枚MICLIC-J143 在封閉艙內(nèi)意外點(diǎn)火，也只造成1 人死亡3 人受傷的后果［14］?？梢哉f(shuō)，進(jìn)入21 世紀(jì)后，美歐已基本上未見(jiàn)由彈藥安全問(wèn)題導(dǎo)致的大型作戰(zhàn)平臺(tái)重大安全事故，如2008 年美國(guó)核動(dòng)力航母“喬治華盛頓”號(hào)發(fā)生著火，但未引起彈藥爆炸，只造成24 人受傷［15］。由此可見(jiàn)，IM的應(yīng)用對(duì)減輕彈藥事故等級(jí)、顯著降低事故危害和保障大型作戰(zhàn)平臺(tái)的生存能力起到了積極作用。

1 不敏感炸藥與彈藥固有安全性提升

炸藥是亞穩(wěn)態(tài)的含能材料，它不僅為武器彈藥的推進(jìn)與毀傷提供能源，也決定了其固有安全性。發(fā)展高能炸藥一直是永恒主題，但是，能量越高的炸藥其安全性越差，炸藥能量與安全性的突出矛盾成為制約高能炸藥及彈藥發(fā)展的主要瓶頸［16］。為調(diào)節(jié)炸藥性能以滿足使用要求，用于裝填彈藥的大多為以單質(zhì)炸藥為主成分（填料）、以聚合物為粘結(jié)劑（連續(xù)相）或以熔鑄型含能化合物（如三硝基甲苯、二硝基苯甲醚等）為載體的混合炸藥。由于混合炸藥存在多組分、多尺度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它決定了彈藥裝藥安全性的多尺度相關(guān)性，因此，為滿足彈藥高毀傷威力和IM 要求，需要從炸藥的多尺度結(jié)構(gòu)上平衡協(xié)調(diào)炸藥高能量與不敏感之間的突出矛盾［17］，發(fā)展高能不敏感PBX 炸藥和熔鑄炸藥。

1.1 不敏感PBX 炸藥

PBX 炸藥的不敏感性主要?dú)w功于2 點(diǎn)：一是其中的聚合物基體對(duì)單質(zhì)較好地降感作用，在意外刺激下不容易點(diǎn)火；二是其具有類(lèi)似于聚合物的良好力學(xué)特性、尺寸穩(wěn)定性和耐溫性能，在意外刺激下不容易遭受?chē)?yán)重?fù)p傷，從而降低點(diǎn)火后反應(yīng)演化加劇的風(fēng)險(xiǎn)。因此，不敏感PBX 炸藥成為IM 的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，得到大力發(fā)展，并在高性能彈藥中得到應(yīng)用［18-21］，甚至在中小口徑榴彈中也有部分應(yīng)用［22-23］，顯著提高了彈藥安全性。

2000 年以前，不敏感PBX 炸藥主要是黑索今（RDX）、奧克托金（HMX）、3-硝基-1，2，4-三唑-5-酮（NTO）等為基的復(fù)合炸藥［24-28］（見(jiàn)表2），它們分別用壓裝、澆鑄、擠壓工藝裝彈，這些炸藥滿足IM 的部分或全部要求。2000 年以后，以降感RDX（I-RDX）/降感HMX（I-HMX）［29-30］、高 品 質(zhì)RDX（D-RDX）/高 品 質(zhì)HMX（D-HMX）［17，31-32］分 別 取 代 原 PBX（如PBXN-109、B2258 等）中的RDX 和HMX，其沖擊波感度降低30%左右，對(duì)改善彈藥的殉爆和高速破片撞擊等IM 試驗(yàn)響應(yīng)具有重要意義。

表2 典型不敏感PBX 炸藥［18-29］Table 2 Typical insensitive polymer bonded explosives ［18-29］

除了改善單質(zhì)炸藥晶體品質(zhì)提高混合炸藥的不敏感性外，細(xì)化單質(zhì)炸藥顆粒度也是提高PBX 炸藥安全性 的 重 要 途 徑［17］，運(yùn) 用 流 能 磨（Fluid Energy Mill，F(xiàn)EM）等技術(shù)制備的亞微米或納米超細(xì)顆粒單質(zhì)炸藥取代高能PBX 中的普通顆粒以改善安全性的研究正成為熱點(diǎn)。以FEM-HMX 全部取代LX-14 中的普通HMX，不僅能量釋放更充分，距爆心5 m 處的超壓提高17%［33］，而且沖擊波感度降低25%［33］，撞擊感度特性 落 高 提 升1 倍［34］。以FEM-HMX 全 部 取 代PBXN-9中的普通HMX，沖擊波感度降低15%～30%［35］。

此外，以1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯（FOX-7）［36-38］、4，10-二硝基-2，6，8，12-四氧雜-4，10-二氮雜異伍茲烷（TEX）［39-40］等新型不敏感單質(zhì)炸藥為基的PBX 也成為不敏感PBX 研究熱點(diǎn)之一。如，以FOX-7 替換PBXN-109 中的RDX，其沖擊波感度（LSGT 試驗(yàn)起爆壓力6.82 GPa）比I-RDX 基PBXN-109 低27%（LSGT試 驗(yàn) 起 爆 壓 力5.37 GPa）［36］，表3 列 出 的 幾 種FOX-7基PBX 安全性試驗(yàn)結(jié)果表明FOX-7 在澆鑄和壓裝PBX 中均顯示了良好的安全性。

表3 幾種FOX-7 基炸藥的安全性［37-38］Table 3 Safety of several explosives based on FOX-7［37-38］

1.2 不敏感熔鑄炸藥

三硝基甲苯（TNT）基熔鑄炸藥因工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜而得到廣泛應(yīng)用，但是其在火災(zāi)、爆炸等異常環(huán)境下的安全性不滿足IM 標(biāo)準(zhǔn)要求［41］。因此，研發(fā)非TNT基熔鑄炸藥成為不敏感熔鑄炸藥的主要方向。不敏感熔鑄炸藥的獲得主要包括3 個(gè)途徑：一是研發(fā)不敏感熔鑄載體替代TNT；二是使用NTO 等不敏感單質(zhì)炸藥作為填料；三是對(duì)RDX、HMX 等高能單質(zhì)炸藥填料進(jìn)行晶體品質(zhì)改善或超細(xì)化處理以降低其敏感性。

實(shí)踐表明，單一或綜合運(yùn)用上述技術(shù)途徑取得了顯著成果。第一種途徑一直是1980 年代以來(lái)的研究熱點(diǎn)，研究者研發(fā)了二硝基苯甲醚（DNAN）、丙基硝基胍（PrNQ）、1-甲基-3，5-二硝基三氮雜茂（MDNT）、1-甲基-3，4，5-三硝基甲苯-1，2-吡唑（MTNP）等可替代TNT 的熔鑄載體［42-47］，其中DNAN 是最典型、應(yīng)用最廣泛的炸藥，此外，二硝基吡唑（DNP）、二硝基甘脲（DNGU）等近年來(lái)也廣受關(guān)注。綜合運(yùn)用上述兩種途徑的典型例子是以DNAN 替代TNT，并采用NTO部分或全部替代RDX 開(kāi)發(fā)的系列不敏感炸藥IMX-101、IMX-104、PAX-41、PAX48 等［48-50］。其 中，IMX-101 用于代替大口徑火炮中的TNT 裝藥，除子彈撞擊試驗(yàn)結(jié)果為Ⅳ級(jí)爆燃反應(yīng)，略高于IM 標(biāo)準(zhǔn)外，其余4 項(xiàng)試驗(yàn)通過(guò)了IM 標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表4 和圖1。綜合運(yùn)用上述3 種途徑的典型例子是以TNBA 取代IMX-104、PAX48 中的DNAN，同時(shí)以FEM-RDX 取代其中的普通RDX，可提高遠(yuǎn)區(qū)超壓10% 左右，并保持其IM特性［51］。

綜上，無(wú)論是不敏感PBX 還是不敏感熔鑄炸藥均關(guān)乎彈藥的固有安全性。提高單質(zhì)炸藥晶體品質(zhì)、細(xì)化顆粒度，研發(fā)新型高能不敏感單質(zhì)炸藥作為填料或載體，研究并應(yīng)用新型粘結(jié)體系等是獲得不敏感混合炸藥的關(guān)鍵途徑，是今后研究的重要方向。

2 結(jié)構(gòu)增強(qiáng)安全性技術(shù)與使用安全性提升

彈藥的安全性不僅取決于所裝填炸藥的固有安全性，與彈藥裝藥結(jié)構(gòu)、尺寸及約束強(qiáng)度也緊密相關(guān)。在炸藥固有安全性的基礎(chǔ)上，研究結(jié)構(gòu)因素對(duì)安全性的影響規(guī)律，控制彈藥及裝藥產(chǎn)生意外刺激點(diǎn)火的途徑和條件，降低其在意外點(diǎn)火后的反應(yīng)演化烈度，進(jìn)而控制其反應(yīng)演化的烈度和等級(jí)，從彈藥及裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上增強(qiáng)彈藥安全性，滿足戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)環(huán)境對(duì)使用安全性的要求。同時(shí)，為滿足彈藥高毀傷威力要求，還需要平衡協(xié)調(diào)威力與安全性的突出矛盾。

2.1 裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)彈藥安全性與威力匹配的影響

裝藥是彈藥毀傷威力的源泉，也是安全的薄弱環(huán)節(jié)。合理的裝藥結(jié)構(gòu)，尤其是復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是協(xié)調(diào)彈藥威力和安全性制約關(guān)系的有效手段。如雙元復(fù)合裝藥利用外層的低感炸藥抵御意外刺激，利用內(nèi)層高能炸藥補(bǔ)償外層裝藥的能量不足。美國(guó)空軍與海軍研制的500 磅級(jí)侵徹彈就應(yīng)用了B2237/B2250 雙元復(fù)合裝藥，通過(guò)了IM 試驗(yàn)，能在250～280 m·s-1的速度下穿透1～2 m 的鋼筋混凝土［52-53］。當(dāng)然，復(fù)合裝藥性能的影響因素復(fù)雜，除了與組成裝藥的炸藥性能有關(guān)外，還與構(gòu)型、復(fù)合比例、尺寸及約束條件等有關(guān)，需要系統(tǒng)研究。

復(fù)合裝藥的構(gòu)型對(duì)性能有重要影響。復(fù)合裝藥的構(gòu)型通常有內(nèi)外徑向復(fù)合（包括內(nèi)層星形和內(nèi)層圓柱等構(gòu)型）、上下軸向復(fù)合等多種形式。一般而言，內(nèi)層星形的雙元裝藥在提升裝藥威力上效果顯著，但對(duì)提升抗殉爆等安全性基本無(wú)效；圓柱形雙元裝藥對(duì)提升安全性效果顯著，對(duì)提升威力效果有限。Philippe［54］的研究表明，與單一裝藥相比，內(nèi)層星形復(fù)合裝藥驅(qū)動(dòng)破片的初速能提升15%，22 kg 裝藥件殉爆反應(yīng)烈度可由參比樣的爆轟降為爆炸，而內(nèi)層圓柱復(fù)合裝藥驅(qū)動(dòng)破片的初速只能提升5%，且不能降低殉爆反應(yīng)烈度。

在構(gòu)型明確的情況下，復(fù)合裝藥的比例和尺寸就決定其最終性能。一方面，外層不敏感裝藥對(duì)外界刺激載荷的衰減能力與其厚度直接相關(guān)，另一方面復(fù)合裝藥的能量取決于總的裝藥量和內(nèi)外層裝藥的比例。黃輝、韓勇等［55-56］基于不敏感PBX 炸藥和高能PBX 炸藥設(shè)計(jì)了內(nèi)外圓柱形復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)（圖2a），在獲得復(fù)合裝藥沖擊波感度G50（被測(cè)試樣50%被起爆時(shí)的隔板厚度）隨不敏感PBX-2 炸藥厚度呈指數(shù)遞減的函數(shù)關(guān)系（圖2b）基礎(chǔ)上，對(duì)兩種復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)的做功能力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)單位體積的做功能力比PBXL-7 單一裝藥提升8%以上（表5）。研究結(jié)果可為基于這兩種炸藥的匹配能量和安全性的復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供支撐。

圖2 典型復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)及其沖擊波感度［56］Fig.2 Typical composite charge structures and its corresponding shock sensitivity［56］

表5 典型復(fù)合裝藥的做功能力［56］Table 5 Working capacity for typical composite explosive charges［56］

復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)彈藥威力與安全性綜合匹配，并結(jié)合彈體構(gòu)型尺寸及約束條件等因素。但是對(duì)該研究的系統(tǒng)性和深入性還不夠，缺乏有針對(duì)性的定量構(gòu)效關(guān)系研究，難以做到精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，需要發(fā)展和完善典型裝藥結(jié)構(gòu)與刺激響應(yīng)間的定量構(gòu)效關(guān)系，并優(yōu)化設(shè)計(jì)模型及方法。

2.2 裝藥防護(hù)和彈體弱鏈結(jié)構(gòu)增強(qiáng)安全性

裝藥防護(hù)和彈體弱鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)增強(qiáng)彈藥安全性有重要作用。裝藥防護(hù)可削弱刺激強(qiáng)度，使裝藥不發(fā)生意外點(diǎn)火或降低點(diǎn)火概率；彈體弱鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可改變裝藥約束條件，使裝藥點(diǎn)火后的反應(yīng)演化中斷或削弱烈度演化，從而提高彈藥安全性。但一定厚度的裝藥防護(hù)層勢(shì)必會(huì)減少裝藥體積進(jìn)而降低毀傷威力，弱鏈結(jié)構(gòu)也可能會(huì)影響彈體強(qiáng)度，為滿足彈藥安全性、毀傷威力等要求，需考慮系統(tǒng)匹配，科學(xué)設(shè)計(jì)與調(diào)控。

裝藥防護(hù)主要采用隔熱、緩沖等材料，合理的防護(hù)結(jié)構(gòu)有效削減熱、力刺激載荷。針對(duì)不同的刺激類(lèi)型，防護(hù)的材料、結(jié)構(gòu)會(huì)有所不同。對(duì)于火災(zāi)等熱刺激場(chǎng)景，常用低熱導(dǎo)率的涂料、復(fù)合材料等隔熱材料減緩裝藥在意外熱刺激下的升溫進(jìn)程。如Pauline Smith［57］采用厚度3～5 mm 的聚氨酯復(fù)合涂料，使被防護(hù)體溫度達(dá)到350 ℃的延遲時(shí)間最高可達(dá)10 min；宋乙丹、黃亨建等采用4 mm 的膨脹漆可使典型PBX 裝藥點(diǎn)火延遲20 min。對(duì)子彈、破片撞擊等力刺激場(chǎng)景，常用各種緩沖材料、復(fù)合材料削弱破片、子彈等的速度和峰值壓力。主要防護(hù)材料［58］包括Kevlar、Armor Plate、Aluminum、橡膠等，結(jié)構(gòu)形式包括內(nèi)襯、保護(hù)套或防護(hù)裝甲等，研究表明這些結(jié)構(gòu)能降低峰值壓力30%左右、降低子彈速度20%左右［59-60］。對(duì)于彈藥遭受臨近彈藥爆炸（殉爆）等復(fù)合刺激的場(chǎng)景，可用鋁合金、多種緩沖材料等通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和防護(hù)方式設(shè)計(jì)削弱刺激強(qiáng)度、反射刺激源、改變刺激源流場(chǎng)特性或能量分布特性，從而降低彈藥的反應(yīng)烈度和危害。文獻(xiàn)［61］的研究表明隔離材料可以降低破片動(dòng)量30%，破片速度40%，有利于改善彈藥尤其是中型及以下彈藥的殉爆安全性。

受毀傷威力和彈藥結(jié)構(gòu)的約束，裝藥防護(hù)并不總能抑制炸藥裝藥發(fā)生點(diǎn)火，更實(shí)用和可行的安全性設(shè)計(jì)是引入弱鏈設(shè)計(jì)，從而降低炸藥裝藥的演化烈度。彈藥在意外刺激下裝藥發(fā)生放氣反應(yīng)，在彈體約束下氣體產(chǎn)物在彈體內(nèi)聚集導(dǎo)致內(nèi)壓升高，加速化學(xué)反應(yīng)向爆炸甚至爆轟等高危烈度發(fā)展。彈體弱鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是在彈體結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)一些可控的薄弱環(huán)節(jié)，如泄壓孔、應(yīng)力集中槽和低熔點(diǎn)泄壓環(huán)等，在裝藥意外點(diǎn)火產(chǎn)生的一定壓力和溫度作用下形成壓力釋放通道，使裝藥平穩(wěn)燃燒，從而阻止反應(yīng)向高烈度演化。彈體結(jié)構(gòu)弱鏈設(shè)計(jì)已在BLU-112、BLU-111C/B、155 mm M795 等彈藥中得到應(yīng)用，部分結(jié)構(gòu)如圖3a 和圖3b 所示。彈藥結(jié)構(gòu)弱鏈及應(yīng)用研究表明，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緩解裝置可將典型炸藥快速烤燃控制在燃燒等級(jí)（如圖3c 所示）。

圖3 彈體結(jié)構(gòu)弱鏈設(shè)計(jì)的實(shí)例Fig.3 Examples for munition structural weak link design

綜上所述，裝藥防護(hù)、彈體結(jié)構(gòu)弱鏈設(shè)計(jì)對(duì)于控制炸藥裝藥點(diǎn)火和反應(yīng)演化，進(jìn)而提升彈藥安全性具有重要作用。要達(dá)到這個(gè)目的，需深入認(rèn)識(shí)炸藥點(diǎn)火、燃燒、反應(yīng)演化的機(jī)制與規(guī)律，為此，建立完善圣地亞儀控 熱 點(diǎn) 火（Sandia Instrumented Thermal Ignition，SITI）［64］、縮比熱爆炸實(shí)驗(yàn)（Scaled Thermal Explosion eXperiment ，STEX）［65］、可變約束烤燃實(shí)驗(yàn)（Variable Confinement Cook-off Test，VCCT）［66］等 基 礎(chǔ) 實(shí) 驗(yàn) 方法和光子多普勒測(cè)速儀（PDV）、太赫茲（THz）等先進(jìn)精密測(cè)試技術(shù)十分必要。

3 發(fā)展安全彈藥需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和方法

3.1 國(guó)外鈍感彈藥發(fā)展路徑的啟示

美歐彈藥經(jīng)歷了從普通彈藥（二戰(zhàn)以前～1950 年代）到低易損彈藥（1950 年代～1980 年代）再到鈍感彈藥（1980 年代至今）的發(fā)展階段，從事故教訓(xùn)中逐步重視彈藥安全問(wèn)題。以美國(guó)為例，自1984 年開(kāi)始發(fā)展鈍感彈藥以來(lái)，走過(guò)了一條“從概念到政策”、“從定義到標(biāo)準(zhǔn)”、“從關(guān)鍵技術(shù)到裝備應(yīng)用”之路，在裝備應(yīng)用上主要聚焦了3 點(diǎn)：一是現(xiàn)役庫(kù)存彈藥的改造，使其完全或部分滿足鈍感彈藥標(biāo)準(zhǔn)；二是新型鈍感彈藥研制，以其取代無(wú)法實(shí)現(xiàn)改造的現(xiàn)役彈藥；三是先進(jìn)鈍感彈藥研制，以適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)可能面臨的新的條件和環(huán)境。

事實(shí)上，在IM 計(jì)劃實(shí)施之初，美國(guó)就在著手進(jìn)行在役彈藥的安全升級(jí)。比如，500 磅航彈安全升級(jí)歷程即可說(shuō)明這一策略。1980 年代前，美國(guó)500 磅航彈MK82 裝填TNT 基的H6 熔鑄炸藥，其安全性完全不滿足IM 的6 項(xiàng)試驗(yàn)考核要求；1980 年代后，該航彈換裝不敏感PBXN-9 炸藥并更名為BLU-111A/B，通過(guò)了IM 的槍擊和破片撞擊2 項(xiàng)試驗(yàn)，快烤和慢烤試驗(yàn)結(jié)果距離IM 標(biāo)準(zhǔn)尚有一定差距；2005 年，在換裝炸藥的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用緩解結(jié)構(gòu)技術(shù)而發(fā)展了BLU-111C 型號(hào)，提高了快烤安全性到滿足IM 要求，但破片撞擊安全性反而略有下降，最終也只有2 項(xiàng)試驗(yàn)滿足IM 要求［48］。這說(shuō)明對(duì)較大尺寸彈藥而言，不敏感炸藥、彈體結(jié)構(gòu)緩解設(shè)計(jì)對(duì)提升安全性有一定效果，但并不適應(yīng)所有刺激類(lèi)型，上述兩項(xiàng)安全性單元技術(shù)的簡(jiǎn)單組合也不能完全解決安全性問(wèn)題。

由此可見(jiàn)，發(fā)展鈍感彈藥是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到科學(xué)、技術(shù)、方法、工程應(yīng)用諸多方面的問(wèn)題，國(guó)外經(jīng)過(guò)三十多年的努力，至今仍有50%左右的彈藥不滿足鈍感彈藥標(biāo)準(zhǔn)，需要持續(xù)堅(jiān)持與發(fā)展。為適應(yīng)實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下彈藥發(fā)展的新需求，2013 年中國(guó)工程物理研究院在國(guó)外鈍感彈藥基礎(chǔ)上提出了“安全彈藥”概念。安全彈藥是指在全壽命周期內(nèi)異常環(huán)境（意外刺激）及實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下不發(fā)生劇烈反應(yīng)，安全風(fēng)險(xiǎn)和危害后果可接受的彈藥裝備。從國(guó)外發(fā)展鈍感彈藥的路徑來(lái)看，發(fā)展安全彈藥也絕非一蹴而就，需要系統(tǒng)謀劃。

3.2 發(fā)展安全彈藥的總體思路

發(fā)展安全彈藥需充分吸收國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采取夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)同步開(kāi)展工程應(yīng)用、并行串行共進(jìn)的安全彈藥系統(tǒng)發(fā)展思路。在技術(shù)基礎(chǔ)方面，加強(qiáng)材料-器件-彈藥的多層次安全響應(yīng)及機(jī)制認(rèn)識(shí)，加快彈藥固有安全性提升、裝藥防護(hù)與彈藥結(jié)構(gòu)弱鏈設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)突破，建立安全彈藥設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與評(píng)估方法與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；在工程應(yīng)用方面，同步開(kāi)展現(xiàn)役彈藥安全升級(jí)和新研安全彈藥，針對(duì)不同的彈藥類(lèi)型和特點(diǎn)采取差異化的發(fā)展與設(shè)計(jì)策略：

（1）對(duì)于小尺寸（質(zhì)量50 kg 以下）弱約束（約束強(qiáng)度50 MPa 以下）主要裝填TNT 基熔鑄炸藥的彈藥，其快烤、慢烤等安全性存在爆炸以上高危等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，主要通過(guò)換裝不敏感炸藥提升其固有安全性使之滿足安全彈藥要求；

（2）對(duì)于中尺寸（質(zhì)量50～250 kg）強(qiáng)約束（約束強(qiáng)度100 MPa 以上）且裝填PBX 的彈藥，其子彈撞擊、破片撞擊等安全性較好，快烤、慢烤等安全性存在爆炸以上高危等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，主要通過(guò)裝藥防護(hù)和彈藥結(jié)構(gòu)弱鏈設(shè)計(jì)技術(shù)使之滿足安全彈藥要求；

（3）對(duì)于大尺寸（質(zhì)量250 kg 以上）中等約束（約束強(qiáng)度50～100 MPa）裝填熔鑄炸藥為主的彈藥，其快烤、慢烤、破片撞擊、殉爆等安全性存在爆炸以上高危等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，主要采取基于材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)解決，對(duì)于采用安全性單元技術(shù)不能滿足要求的彈藥，也都需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.3 材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計(jì)

安全彈藥的核心關(guān)鍵是控制意外點(diǎn)火和反應(yīng)演化。意外點(diǎn)火主要受炸藥的感度和刺激強(qiáng)度控制，反應(yīng)演化主要受炸藥本身的安全特性（如燃速-壓力關(guān)系，即燃燒速度如何在壓力下加速；臨界起爆壓力及時(shí)間等沖擊起爆特性）和殼體約束強(qiáng)度（與點(diǎn)火后的內(nèi)壓直接相關(guān)）等因素共同控制。而這些因素之間既相互聯(lián)系，又存在相互制約的復(fù)雜關(guān)系，比如厚殼強(qiáng)約束彈體一方面可以衰減子彈、破片等對(duì)裝藥的刺激強(qiáng)度，從而對(duì)控制點(diǎn)火有利，另一方面強(qiáng)約束又容易使裝藥點(diǎn)火后的反應(yīng)向高烈度演化。因此，要全面滿足安全彈藥標(biāo)準(zhǔn)要求，需要采取系統(tǒng)工程理念和方法，從材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化正向頂層設(shè)計(jì)入手。國(guó)外有這方面成功的例子，如法國(guó)CBEMS 250 航彈，采用滿足極不敏感物質(zhì)（EIDS）標(biāo)準(zhǔn)的I-RDX 基B2214B 澆鑄PBX炸藥、結(jié)構(gòu)緩解、內(nèi)襯和膨脹漆內(nèi)外防護(hù)緩解等技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其安全性全面滿足IM 標(biāo)準(zhǔn)［67］。

以高速侵徹安全彈藥為例，至少需要著眼侵徹安定性（功能）、意外刺激安全性和毀傷威力三方面，從炸藥材料、裝藥結(jié)構(gòu)、彈體結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)考慮，發(fā)展裝藥、彈體及其匹配設(shè)計(jì)技術(shù)與方法，概括為以下兩方面：

一是基于材料、結(jié)構(gòu)與防護(hù)多級(jí)增強(qiáng)的抗高過(guò)載鈍感高能裝藥技術(shù)?；趶?fù)合炸藥基體材料、組分顆粒和裝藥結(jié)構(gòu)及防護(hù)的多層次增強(qiáng)設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)研發(fā)高交聯(lián)密度粘結(jié)體系、多組分顆粒表界面鍵合增強(qiáng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基體材料增強(qiáng)；運(yùn)用寬域顆粒級(jí)配技術(shù)，開(kāi)發(fā)多組分顆粒緊密堆積的高固相含量精密裝藥技術(shù)；發(fā)展基于柔性預(yù)緊的裝藥整體結(jié)構(gòu)增強(qiáng)技術(shù)。這些技術(shù)可顯著提高裝藥?kù)o態(tài)壓縮強(qiáng)度、高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)壓縮下抗斷裂能力以及炸藥臨界點(diǎn)火閾值，大幅提高裝藥高速侵徹過(guò)程中抵抗高應(yīng)變率變形、損傷及意外點(diǎn)火能力，從而顯著提高裝藥的抗過(guò)載能力。

二是彈體強(qiáng)度、侵徹能力、內(nèi)部應(yīng)力控制和結(jié)構(gòu)緩解的優(yōu)化匹配技術(shù)?；诟咚偾謴叵卵b藥局部大變形及應(yīng)力與溫升、裝藥意外刺激點(diǎn)火后反應(yīng)演化等計(jì)算，可獲得裝藥結(jié)構(gòu)、緩沖層材料、頭部形狀和緩解結(jié)構(gòu)等因素對(duì)裝藥安定性和安全性的影響規(guī)律（包括彈體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗彎能力、裝藥載荷響應(yīng)等）；在此基礎(chǔ)上可發(fā)展考慮彈體強(qiáng)度、侵徹能力、內(nèi)部應(yīng)力和反應(yīng)烈度控制的自適應(yīng)頭形彈體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)彈體與裝藥結(jié)構(gòu)一體化工程設(shè)計(jì)。

由此可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)有效地系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需加強(qiáng)以下研究：（1）刺激條件的量化表征與等效加載技術(shù)，這是安全彈藥設(shè)計(jì)與評(píng)估的輸入條件；（2）炸藥-裝藥-結(jié)構(gòu)的刺激點(diǎn)火與演化的精密診斷技術(shù)與計(jì)算模型，如機(jī)械刺激活化熱化學(xué)模型MATCH（Mechanically Activated Thermal Chemistry）、到 爆 轟 反 應(yīng) 模 型AJEX（A run-to-detonation model）等能夠解決點(diǎn)火演化的部分問(wèn)題，有待進(jìn)一步發(fā)展；（3）彈藥安全性的計(jì)算評(píng)估模型，現(xiàn)有的粘彈性統(tǒng)計(jì)裂紋模型VP-SCRAM（Visco-Plastic Statistical Crack Mechanics）和預(yù)測(cè)炸藥反應(yīng)的工程模型包TEMPER（Toolbox of Engineering Models to Predict Explosive Reactions）等預(yù)測(cè)炸藥及裝藥點(diǎn)火位置與溫度較準(zhǔn)確，但預(yù)測(cè)反應(yīng)烈度力有不逮，尚需發(fā)展準(zhǔn)確預(yù)測(cè)反應(yīng)烈度的計(jì)算模型。

4 結(jié)束語(yǔ)

武器裝備發(fā)展對(duì)彈藥安全性提出了更高要求，迫切需要研制異常環(huán)境下風(fēng)險(xiǎn)更低的安全彈藥。安全彈藥聚焦固有安全、使用安全和系統(tǒng)安全，是實(shí)戰(zhàn)化背景下彈藥發(fā)展的方向。

（1）不敏感炸藥是提高彈藥固有安全性的根本途徑，涉及分子、晶體、混合炸藥的多尺度安全性問(wèn)題，為滿足高毀傷威力和安全彈藥要求，需要從炸藥的多尺度結(jié)構(gòu)上平衡協(xié)調(diào)炸藥高能量與不敏感之間的突出矛盾。目前在新型單質(zhì)炸藥的設(shè)計(jì)合成、高結(jié)晶品質(zhì)炸藥、炸藥超細(xì)化和新型熔鑄載體等方面已取得階段成果，為發(fā)展高能不敏感PBX 和熔鑄炸藥、提高彈藥固有安全性等工作奠定了良好基礎(chǔ)。

（2）彈藥及裝藥結(jié)構(gòu)增強(qiáng)是提高彈藥環(huán)境安全性的重要手段。合理的裝藥結(jié)構(gòu)、裝藥防護(hù)和彈體弱鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于控制炸藥裝藥點(diǎn)火和反應(yīng)演化，進(jìn)而提升彈藥安全性具有重要作用。從目前狀況來(lái)看，需深入認(rèn)識(shí)炸藥點(diǎn)火、燃燒、反應(yīng)演化的機(jī)制與規(guī)律。

（3）發(fā)展安全彈藥需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與方法。發(fā)展基于不敏感含能材料、裝藥結(jié)構(gòu)、彈藥結(jié)構(gòu)等材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計(jì)方法，是在確保威力前提下，實(shí)現(xiàn)固有安全、環(huán)境安全和系統(tǒng)安全的有效途徑。