国外海军弹药安全性研究进展

军鹰资讯 2021-09-11 12:51:43

来源:《火炸药学报》


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(1.海军装备部,陕西 西安 710065;2.上海航天科技集团第八设计部,上海 200233;3.西安近代化学研究所,陕西 西安 710065)


摘 要:综述了以美国为首的北约在海军弹药安全性方面的研究进展,主要包括弹药安全性发展历史、弹药安全性试验方法、反应等级判定及评估、弹药安全性影响因素。在此基础上,详细介绍了美国在弹药安全性设计方面的研究思路及成果,主要包括炸药及装药设计、弹药自身结构设计、包装防护结构设计。最后对我国海军弹药安全性研究提出了几点建议。附参考文献36篇。


关键词:弹药安全性;反应等级;安全性设计;研究进展


引 言

弹药安全一直是世界各国普遍关注的问题,尤其是对于海军,由于其舰船上往往载有大量武器装备和弹药,一旦发生火灾或者爆炸,将对舰船造成毁灭性的破坏,因此对弹药的安全性尤为迫切也更加严格[1-2]。近年来,国内外在海军弹药安全性方面进行了深入的研究[3-8], 其目的是在不降低弹药远射程、高威力等传统性能的基础上,提高弹药对外界环境刺激或战场意外打击情况下的安定性,有效降低其意外引爆的可能性和对武器平台后勤系统及人员的附带伤害。


本文从以美国为首的北约在海军弹药安全性的发展历史出发,介绍了海军弹药安全性试验方法及反应等级判定的研究成果,分析了弹药安全性影响因素,在此基础上介绍了美国在弹药安全性设计方面的研究思路及成果,并对我国海军弹药安全性研究提出了建议。


1 海军弹药安全性发展历史

二战后,多起弹药爆炸事故引起人们对弹药安全性的重视。1964年,美国海军发布了第一个关于弹药安全性的标准化文件WR-50《海军武器要求空中、水面和水下发射武器的弹头安全性测试》;20世纪70年代初,提出了不敏感性弹药的概念,指出要提高武器弹药的生存能力和贮存、运输及勤务处理时的安全性,必须首先发展不敏感性弹药;1982年,美国国防部建立了世界上第一个弹药安全性军用标准,DOD-STD-2105(海军)《非核弹药危险性评估标准》[3],将弹药安全性作为系统问题对待;1991 年,美国国防部颁布MIL-STD-2105A(海军)《非核弹药危险性评估标准》[4],主要用于评价海军常规弹药的安全性,将安全性试验细分为基本安全性试验、不敏感试验及附加安全性试验,且首次对反应等级和合格判据进行了说明;1994年,美国国防部颁布MIL-STD-2105B《非核弹药危险性评估标准》[5],该版标准重新定义了一些检测要求,并得到美国陆军不敏感弹药局的认可,其适用范围更加广泛,规定的常规武器装备不敏感弹药技术要求从美国海军拓展到美国各军种;2003年,美国国防部颁布MIL-STD-2105C《非核弹药危险性评估标准[6],该版本更加全面,几乎囊括了弹药可能遭遇的各种威胁,详细规定了基本安全性试验、不敏感性试验及附件安全性试验的方法和通过判据;2011年,美国国防部颁布MIL-STD-2105D[7],该版本中基本安全性试验与之前版本一致,不敏感性试验中删去了热破片撞击试验。


北约在1984~1986年制订了弹药安全性验收准则,1991年,北约成立了不敏感弹药信息中心,专门负责不敏感弹药的设计、研制、测试、评估及各北约成员国间不敏感弹药的信息交流;1993年,法国国防部颁布0260号令《法国不敏感弹药评价标准》[8],规定法军弹药需通过9项不敏感性测试,试验主要包括严重电或电磁刺激、12m跌落、快速烤燃、慢速烤燃、子弹撞击、殉爆、轻型破片撞击、重型破片撞击和聚能射流撞击;1998年,北约颁布了标准化协议STANAG 4439(第1版)《北约引入和评价不敏感弹药的政策》[9]和AOP-39(第1版)《北约不敏感弹药研发和评估指南》[10];2010年,北约颁布其标准化协议STANAG4439(第3版)[11],该标准规定的试验项目与MIL-STD-2105D中的6项不敏感性试验一致,出版了AOP-39第3版[12];2011年,法国国防部颁布211893号令《法国不敏感弹药相关政策》[8],同时废止1993年的0260号令,在原标准中删去了“严重电或电磁刺激和12m跌落”两项试验,法军不敏感弹药的试验项目由9项减至7项。目前,法军标对比北约标准化协议STANAG4439(第3版)多了1项“重型破片撞击试验”,其余6项与STANAG4439(第3版)和MIL-STD-2105D规定的不敏感性试验项目一致。


由国外海军弹药安全性发展历史可看出,国外对弹药安全性的研究发展较早,根据危险刺激源的来源及弹药遭受频率,将弹药安全性分为基本安全性试验、不敏感试验及附加安全性试验,且随着认识的不断提高,三者之间随之变化。本文所指的弹药安全性仅指不敏感性。同时,美军提出的安全性各项试验方法适用范围广泛,含能部件或整弹均可参照执行。


2 弹药安全性试验方法及反应等级判定

2.1 弹药安全性试验方法

依据最新颁布的MIL-STD-2105D《美国非核弹药危险性评估试验》,美国共建立了包括快速烤燃[13-14]、慢速烤燃、子弹撞击、破片撞击、殉爆、射流撞击6项安全性试验装置及试验测试方法,且分别对其进行了试验验证,试验装置如图1所示。其中,快速烤燃要求火焰平均温度不低于800℃,慢速烤燃温度升温速率为3.3℃/h,子弹撞击采用12.7mm穿甲弹以(850±20)m/s速度撞击,破片撞击采用18.6g破片以(1830±60)m/s速度撞击,特殊情况下以(2530±90)m/s速度撞击[15],殉爆要求主发弹药一发,被发弹药至少两发,其余采用模拟弹药进行替代试验,射流撞击采用标准聚能装药口径为Ф81mm[16-17]

图1 弹药安全性试验装置
Fig.1 Testing devices of ammunition safety

2.2 反应等级判定及评估

为便于分析弹药在各种危险刺激源作用后的反应变化,美国对弹药安全性反应等级进行了划分,主要分为6个等级[17],并从弹药自身变化及对外界响应两方面进行了综合分析,形成了反应等级判定依据:

(1)Ⅰ级反应:爆轰(Detonation),最剧烈的弹药反应,含能材料以超音速分解消耗;

(2)Ⅱ级反应:部分爆轰(Partial detonation),仅次于Ⅰ类反应的最剧烈的弹药反应,含能材料以超音速分解消耗;

(3)Ⅲ级反应:爆炸(Explosion),次于Ⅱ类反应的弹药反应,含能材料有大量的破碎;

(4)Ⅳ级反应:爆燃(Deflagration),部分或全部的含能材料燃烧,导致金属壳体破裂,形成大块破片;

(5)Ⅴ级反应:燃烧(Burning),含能材料燃烧,不产生推力;

(6)Ⅵ级反应:无反应(No reaction),当除去外部刺激后,弹药无任何反应。

依据弹药反应等级判定结果,同时结合《法国不敏感弹药评价标准》,对弹药在不同危险刺激条件下可接受反应类型进行了界定,如表1所示。

表1 弹药安全性评估

Table 1 Ammunition safety evaluation

从表1可看出,弹药安全性达到三星标准,除殉爆、射流撞击外,其余安全性试验反应等级均应处于燃烧以下。

3 弹药安全性影响因素及安全性设计

3.1 安全性影响因素

国外研究表明[18],就弹药自身而言,影响弹药安全性的因素主要包括炸药装药、弹体结构和包装防护结构。其中,炸药装药是影响弹药安全性的根本因素,分析弹体结构及包装防护结构最终都将归结为炸药装药的安定性方面。弹药安全性影响因素见表2。

表2 弹药安全性影响因素

Table 2 The factors affecting the ammunition safety

3.2 弹药安全性设计

依据弹药安全性影响因素,通过降低炸药感度可以有效提高弹药安全性,但炸药感度往往与其威力性能相互矛盾,为满足弹药传统威力性能,不能仅仅依赖于钝感炸药的发展,而应从炸药、弹体结构及包装防护等方面来综合提高弹药不敏感性。国外已经在弹药安全性方面进行了系统研究,初步形成了弹药安全性设计准则。


(1)炸药及装药

为提高炸药安全性,国外对炸药中应用的含能材料进行了降感处理[26-28],同时研发了大量新型不敏感含能材料[29-34]。在此基础上,针对不同用途发展了多种类型不敏感炸药,如不敏感通用型炸药(如PBXN-109、AFX-757等)、金属加速型炸药(PBXN-9、PBXN-10、PBXN-106、PBXN-107等)、水下炸药(PBXN-103、PBXN-203等)、传爆药(PBXN-5、PBXN-7等)。


1987年法国火炸药公司提出了双元复合炸药装药的概念[35],使用两种复合炸药采用内外层、上下叠加等装药结构形式,根据毁伤目标特性或战斗部不敏感性要求釆用不同装药结构,有效地提高弹药的爆炸毁伤性能或降低弹药的不敏感性。美国海军也发展了双元炸药装药战斗部技术,并将其应用到“标准”导弹(Standard Missile,SM)、“不死鸟”(Phoenix)导弹和Mk48鱼雷战斗部。


(2)弹体自身结构

国外在弹体结构安全性方面的设计思路是:提高炸药装药初期反应产生的压力释放速率,避免由于压力积聚而导致进一步反应。目前,实现排气主要有3个途径:一是采用低强度薄弹壳,通过弹壳自然破裂实现排气;二是弹壳在切割机构作用下裂开压力释放;三是预埋由特定材料制备的排气机构,在外界作用下这种材料产生特定的物理或化学变化形成排气口。其中,切割机构采用形状记忆合金线,依靠其自身物理特性切开弹壳体,缓解弹体内部压力,或者采用爆炸切割网络,依靠含能材料点火,切开弹壳,在某个压力下能使弹壳相对缓和裂开。同时,在弹体内部刻应力集中槽,依靠应力集中原理实现壳体破裂。


对于排气机构,为保证弹体强度,一般布设于前后端,常采用由塑料或低熔点金属制备熔解装置,在未达到装药点火温度前提下实现装置熔化,形成排气路径。美国航空炸弹BLU-111采用的泄压口如图2所示[36]

图2 航空炸弹BLU-III设计的泄压口
Fig.2 Pressure relife port for the aerial bomb BLU-III

(3)包装防护结构

弹药包装防护的主要作用是使弹药免受刺激源的影响,并降低弹药起爆时的毁伤威力。依据刺激源的不同,包装防护采用的挡板主要有机械撞击挡板、热挡板和冲击波挡板,其中,国外系统研究了不同材料及不同结构下机械挡板的性能及工作原理,认为金属类材料可通过塑性变形吸收射弹动能,且高密度金属对高速射弹更有效,高强度金属对低速射弹更有效,陶瓷可通过破碎吸收射弹能量,聚合物基质复合材料通过孔隙、塑性变形吸收射弹动能[12]。金属混合压层材料,由硬面和软背面组成,硬面压裂可抵御射弹,软背面捕获碎片,其性能将超过高硬度装甲的性能;陶瓷金属混合材料,由硬陶瓷层和硬金属背衬组成,在射弹击中硬金属背衬之前,陶瓷层使射弹破裂、逐渐销蚀、停止,从而抵御射弹。


同时,国外学者分析认为[12]热挡板应具备低的热导率及热容,同时添加阻燃剂,优选耐烧蚀材料,冲击波挡板应具有合适的阻抗,这样可以降低反射和透射冲击波压力峰值,同时,也尽可能采用多孔介质等不可逆材料吸收/耗散冲击能量,例如海绵、蜂窝材料等。BAE公司为其新型L50弹药研制了一种新型包装系统,在弹药箱内部填入用以吸收和偏转爆轰波的物质“B材料”衬层,对于空心装药战斗部的攻击很不敏感。


综上可看出,弹药安全性设计应属于系统工程,国外以炸药装药为核心,弹体结构设计为重点,包装防护为有益补充进行了全面优化设计。国外设计的某型发动机在依据上述措施改进前后进行的安全性考核试验结果如图3所示。

图3 发动机改进前后安全性试验结果
Fig.3 The test results of engine safety before and after improvement

由图3(a)可以看出,原结构发动机发生了I 级反应(爆轰),反应温度192℃,测试工装彻底损毁,100 m 半径范围内无大碎片,在150 m 半径范围内发现喷管碎片;由图3(b)可以看出,改进后发动机仅发生了III级反应(燃烧),反应温度130℃,发动机壳体撕裂,回收的喷管碎片散布于试验台周围,火工品未反应。


4 结束语

综上所述,国外海军在弹药安全性方面的研究起步较早。截至目前,以美国为首的北约已经形成了针对弹药安全性的一系列政策、法规及标准,且随着对弹药安全性认识的不断深入,各项标准逐步趋于完善,同时,在弹药安全性设计方面进行了系统性研究,主要从炸药及装药、战斗部结构设计及包装防护设计3大方面开展了研究且取得了一定成果。在分析国外海军弹药安全性研究成果基础上,考虑到国内在此方面存在的差距,建议从以下3方面开展研究:


(1)由海军装备部牵引,联合相关科研机构开展海军弹药安全性研究,将弹药安全性视为系统问题对待,从弹体结构、部件及组成材料3方面全面系统地展开研究,从而建立一套科学、完整的检验弹药安全性的试验方法和评估标准,为评估海军弹药安全性提供依据。


(2)对已经定型的、在研的、新立项的弹药应依据已建立的安全性试验方法进行考核,提高弹药武器系统安全性。


(3)参考国外在弹药安全性方面的设计思路,围绕炸药及装药、弹体自身结构、包装防护结构等方面,从系统的角度开展弹药安全性设计研究。