固體發(fā)動機(jī)低易損性評估研究進(jìn)展①

李 軍，焦清介，龐愛民，任 慧，聶建新，程立國，蘇 晶，關(guān)紅波，肖 旭，張杰凡

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.航天化學(xué)動力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，襄陽 410003；3.航天工業(yè)固體推進(jìn)劑安全技術(shù)研究中心，襄陽 410003)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)機(jī)、艦艇、航母等作戰(zhàn)平臺上裝備了各類武器。為提高作戰(zhàn)能力，武器的能量和威力越來越高，隨著而來的是安全性能的惡化，特別是在運(yùn)輸、勤務(wù)和使用等過程中，因意外熱、機(jī)械、沖擊波等外界刺激引發(fā)的燃燒或爆炸，不僅不能實(shí)現(xiàn)武器彈藥預(yù)期目的，反而會造成己方武器裝備(或平臺)損壞和人員傷亡。例如，1967年，美國Forrestal航空母艦著火后導(dǎo)致彈藥殉爆，造成21架戰(zhàn)斗機(jī)被毀，161人受傷，134人死亡，直接損失7.2億美元。1969年，美國Enterprise航空母艦爆炸，15架戰(zhàn)斗機(jī)被毀，17架戰(zhàn)斗機(jī)受損，343人受傷，28人死亡，直接損失5.7億美元。此外，武器彈藥在貯存、維護(hù)、演練等過程中，也曾發(fā)生過類似的安全事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。以上這些事故直接導(dǎo)致航母、戰(zhàn)艦、戰(zhàn)機(jī)、彈藥庫等武器裝備及平臺損毀，嚴(yán)重削弱了己方的戰(zhàn)斗力。為此，20世紀(jì)60～70年代，美國陸軍彈道研究所(BRL)提出了低易損性彈藥(LOVA)的概念[2]。

低易損性是指彈藥在熱、機(jī)械、沖擊波等意外刺激時(shí)，彈藥的響應(yīng)和隨之發(fā)生的二次損害較小，對外界刺激(如熱、沖擊、撞擊等)下不敏感，且著火時(shí)僅燃燒(或可接受的響應(yīng)程度)而不會發(fā)生爆轟。低易損性概念的提出主要是從戰(zhàn)場環(huán)境出發(fā)，全面匯總彈藥在戰(zhàn)場環(huán)境下可能遇到的各類外界激源和刺激程度，結(jié)合響應(yīng)程度及其對平臺的損傷(害)而提出的一系列試驗(yàn)方法、評價(jià)程序和分類技術(shù)。

由于國內(nèi)低易損性研究起步較晚，針對固體發(fā)動機(jī)低易損性試驗(yàn)和評價(jià)技術(shù)研究剛剛開始，航天工業(yè)固體推進(jìn)劑安全技術(shù)研究中心(航天四院四十二所)是國內(nèi)最早開始固體發(fā)動機(jī)和固體推進(jìn)劑低易損性試驗(yàn)方法和評價(jià)技術(shù)研究的單位，參照美國(MIL-STD-2105)、法國(DGA/IPE INSTRUCTION N°260)及北約(STANAG 4439)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-5]，系統(tǒng)進(jìn)行了固體發(fā)動機(jī)和固體推進(jìn)劑低易損性試驗(yàn)方法和評價(jià)技術(shù)研究，先后建立了固體推進(jìn)劑低易損性試驗(yàn)方法和評價(jià)程序系列標(biāo)準(zhǔn)，其中，航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《固體推進(jìn)劑快速烤燃試驗(yàn)方法》(QJ—20153—2012)和《固體推進(jìn)劑慢速烤燃試驗(yàn)方法》(QJ—20152—2012)已于2012年頒布實(shí)施，國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《固體推進(jìn)劑低易損性試驗(yàn)方法和評價(jià)程序》系列標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)報(bào)批[3-4]。在標(biāo)準(zhǔn)化研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)了固體發(fā)動機(jī)及固體推進(jìn)劑慢速烤燃試驗(yàn)系統(tǒng)、快速烤燃試驗(yàn)系統(tǒng)、子彈沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)、破片沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)、殉爆試驗(yàn)系統(tǒng)和聚能射流沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，先后在中國航天科技集團(tuán)有限公司、中國航天科工集團(tuán)有限公司、中國兵器工業(yè)集團(tuán)有限公司、中國兵器裝備集團(tuán)有限公司等多家科研院所和高校開展了固體發(fā)動機(jī)、戰(zhàn)斗部、固體推進(jìn)劑、炸藥等低易損性試驗(yàn)、評價(jià)及設(shè)備研制等工作，研究了固體推進(jìn)劑、固體發(fā)動機(jī)烤燃條件下的“熱爆炸”機(jī)理，探索了固體發(fā)動機(jī)在破片沖擊下的響應(yīng)發(fā)展歷程，初步闡明了固體發(fā)動機(jī)在熱、機(jī)械、沖擊波等外界刺激作用下的響應(yīng)機(jī)理[5]。本文系統(tǒng)地總結(jié)了固體發(fā)動機(jī)低易損性試驗(yàn)和評價(jià)方法的研究成果，考慮到篇幅限制，重點(diǎn)給出了低易損性項(xiàng)目類型、響應(yīng)等級、影響因素等研究結(jié)果，旨在為低易損性固體發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)、研制以及試驗(yàn)和評價(jià)等提方面供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 低易損性試驗(yàn)項(xiàng)目

目前，國際上有3個(gè)主要彈藥低易損性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，分別為美國《非核彈藥危險(xiǎn)評估試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(MIL-STD-2105)、法國《E彈藥需求測試試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(DGA/IP)以及北約《鈍感彈藥評估和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(STANAG 4439)，這些國家的低易損性思路起源于美國，它們的低易損性試驗(yàn)方法等同采用或者參照美軍標(biāo)MIL-STD-2105系列標(biāo)準(zhǔn)編寫，但略有差異(具體差異見表1)。美國MIL-STD-2105系列標(biāo)準(zhǔn)起源于海軍的《海軍武器彈藥要求》(WR-50)文件，在1982年正式發(fā)布了MIL-STD-2105標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過A版、B版、C版的修訂后，最新版本為2011年發(fā)布的MIL-STD-2105D(具體發(fā)展歷程如表2所示)，MIL-STD-2105標(biāo)準(zhǔn)隨著版本的不斷更新而不斷完善，標(biāo)準(zhǔn)的級別在不斷提升，使用的范圍也越來越廣泛，MIL-STD-2105系列標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，在彈藥危險(xiǎn)評估過程中，需開展基本的安全試驗(yàn)、低易損性試驗(yàn)和附加試驗(yàn)。MIL-STD-2105C及以前的版本中，低易損性試驗(yàn)項(xiàng)目為7項(xiàng)，分別是快速烤燃試驗(yàn)、慢速烤燃試驗(yàn)、子彈沖擊試驗(yàn)、破片沖擊試驗(yàn)、殉爆試驗(yàn)、聚能射流沖擊試驗(yàn)和聚能射流熱碎片沖擊試驗(yàn)[6-11]。在2011版的MIL-STD-2105D中，將聚能射流熱碎片沖擊試驗(yàn)取消，具體原因并未對外發(fā)布。結(jié)合實(shí)際戰(zhàn)場環(huán)境，對比聚能射流沖擊試驗(yàn)，破片沖擊試驗(yàn)和聚能射流熱碎片沖擊試驗(yàn)，經(jīng)分析認(rèn)為，聚能射流沖擊試驗(yàn)和破片沖擊試驗(yàn)的刺激強(qiáng)度可代替聚能射流熱碎片沖擊試驗(yàn)。

表1北約、英國、德國、意大利、法國和美國測試標(biāo)準(zhǔn)

Table1TestmethodsofNATO,UK,Germany,Italy,FranceandUSA

注：I 爆轟；II 部分爆轟；III 爆炸；IV 爆燃；V 燃燒。

表2 MIL-STD-2105標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程

注：WR-50“Naval Weapon Requirements-Warhead Safety Tests-Minimum for Air,Surface and Underwater

Launched Weapons”，美國海軍武器局文件，1964-02-13。

1.2 響應(yīng)等級及類型

美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-2105C及以前版本將響應(yīng)等級分為5類，分別為爆轟、部分爆轟、爆炸、爆燃、燃燒。航天工業(yè)固體推進(jìn)劑安全技術(shù)研究中心(航天四院四十二所)在大量低易損性研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)為5類結(jié)果不能全部涵蓋固體發(fā)動機(jī)的響應(yīng)類型，在2008年編制固體發(fā)動機(jī)及固體推進(jìn)劑低易損性試驗(yàn)方法和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，增加了“燃燒以下”響應(yīng)類型，將低易損性試驗(yàn)的響應(yīng)程度由5類增加為6類，分別為爆轟、部分爆轟、爆炸、爆燃、燃燒和燃燒以下[12]。隨后，2011年，美國發(fā)布的軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-2105D中，同樣增加了“燃燒以下”級(具體如表3所示)。航天工業(yè)固體推進(jìn)劑安全技術(shù)研究中心(航天四院四十二所)在分類的基礎(chǔ)上，細(xì)化了固體發(fā)動機(jī)響應(yīng)等級的判據(jù)，將判據(jù)分為主要判據(jù)和次要判據(jù)，次要判據(jù)的缺失不直接影響響應(yīng)程度的判定，但作為主要的輔助參數(shù)。在判定響應(yīng)程度時(shí)，殼體的變形、破碎情況是最為直接、重要的證據(jù)；其次為固體發(fā)動機(jī)及固體推進(jìn)劑本身的反應(yīng)情況。沖擊波超壓數(shù)據(jù)主要用于區(qū)分爆轟和部分爆轟，碎片或固體推進(jìn)劑的拋射距離用于區(qū)分爆燃和燃燒，同時(shí)結(jié)合地面炸坑、視頻和聲響等輔助進(jìn)行固體發(fā)動機(jī)響應(yīng)等級的分類和判別。

表3 反應(yīng)類型術(shù)語

1.3 固體發(fā)動機(jī)低易損性試驗(yàn)

1.3.1 國外固體發(fā)動機(jī)試驗(yàn)

國外研究人員在低易損性試驗(yàn)研究方面開展了大量工作，20世紀(jì)90年代，美國海軍開展了IMAD計(jì)劃，響尾蛇發(fā)動機(jī)系統(tǒng)開展了低易損性試驗(yàn)和研究，具體由ATK公司的Allegany彈道學(xué)試驗(yàn)室(ABL)承擔(dān)研究工作，該低易損性發(fā)動機(jī)采用了纖維纏繞的石墨復(fù)合材料殼體，發(fā)動機(jī)內(nèi)裝填了低感度的、端羥基聚醚(HTPE)推進(jìn)劑。表4給出了低易損性試驗(yàn)結(jié)果，并與響尾蛇導(dǎo)彈Mk 36 Mod 11發(fā)動機(jī)(采用鋼殼體和HTPB推進(jìn)劑)進(jìn)行了比較。發(fā)動機(jī)對子彈和破片沖擊的響應(yīng)有明顯的改善。在美國的聯(lián)合鈍感彈藥技術(shù)驗(yàn)證(JIMTD)計(jì)劃中，開展了直徑254 mm的改進(jìn)型海麻雀導(dǎo)彈(ESSM)發(fā)動機(jī)低易損性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)采用石墨/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料殼體和低感度的固體推進(jìn)劑，此項(xiàng)研究由ATK公司、NammoRaufoss公司、挪威防御研究機(jī)構(gòu)和NAWCWPNS聯(lián)合開展。1996年，NammoRaufoss公司又開展了一項(xiàng)低易損性技術(shù)計(jì)劃，為ESSM導(dǎo)彈研制新型復(fù)合材料殼體，該計(jì)劃于2002年結(jié)束，研究人員按照MIL-STD-2105B標(biāo)準(zhǔn)對ESSM復(fù)合材料發(fā)動機(jī)進(jìn)行了破片沖擊、子彈沖擊、快速烤燃和慢速烤燃試驗(yàn)(見表5)，并與基準(zhǔn)ESSM火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行了比較，設(shè)計(jì)、制造的復(fù)合材料殼體發(fā)動機(jī)滿足ESSM計(jì)劃的要求。隨后，美國開展了大量的固體發(fā)動機(jī)低易損性試驗(yàn)研究工作，部分試驗(yàn)結(jié)果如表6所示[12]。通過表6分析可看出，固體發(fā)動機(jī)在殉爆試驗(yàn)中低易損性較好。快速烤燃試驗(yàn)和子彈沖擊試驗(yàn)等試驗(yàn)通過率次之，在慢速烤燃試驗(yàn)和破片沖擊試驗(yàn)等試驗(yàn)中通過率最低。

表4 響尾蛇導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

美國曾針對愛國者先進(jìn)能力 (PAC-3)導(dǎo)彈開展了一項(xiàng)名為美國陸軍空間與導(dǎo)彈防御指揮部(USASMDC)鈍感彈藥/危險(xiǎn)性分類綜合試驗(yàn)計(jì)劃，該計(jì)劃進(jìn)行了一系列縮比尺寸固體發(fā)動機(jī)低易損性試驗(yàn)，并根據(jù)該結(jié)果與THA分析，在1997～1998年進(jìn)行了系列全尺寸固體發(fā)動機(jī)試驗(yàn)(試驗(yàn)結(jié)果見表7)，通過表7可看出，自毀裝置在子彈沖擊、破片沖擊等機(jī)械刺激作用下的響應(yīng)較固體發(fā)動機(jī)溫和[13]。

標(biāo)準(zhǔn)-3導(dǎo)彈(SM-3)是美國用于中高空攔截的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，根據(jù)具體環(huán)境采用子彈沖擊試驗(yàn)(第三級火箭發(fā)動機(jī)、動能彈頭)、破片沖擊試驗(yàn)(第三級火箭發(fā)動機(jī)、動能彈頭)、快速烤燃試驗(yàn)(第三級火箭發(fā)動機(jī))等進(jìn)行了系統(tǒng)考核和評估。表8給出了SM-3導(dǎo)彈危險(xiǎn)評估試驗(yàn)結(jié)果，通過表8可看出，固體發(fā)動機(jī)在子彈沖擊和破片沖擊試驗(yàn)中的響應(yīng)程度更加劇烈[14]。

1.3.2 國內(nèi)固體發(fā)動機(jī)試驗(yàn)

國內(nèi)針對固體推進(jìn)劑和炸藥的基礎(chǔ)安全性開展了大量的探索研究工作，但針對固體發(fā)動機(jī)低易損性研究較少。南京理工大學(xué)楊后文等[15]開展了不同火焰環(huán)境下固體發(fā)動機(jī)烤燃特性數(shù)值模擬技術(shù)研究，結(jié)果表明，HTPB推進(jìn)劑最初著火位置均發(fā)生在靠近噴管藥柱外壁的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，隨著火焰溫度的提高，著火延遲期快速縮短，著火溫度逐漸增大，絕熱層的絕熱作用隨著火焰溫度的增大而增強(qiáng)，固體推進(jìn)劑中AP發(fā)生緩慢分解時(shí)的溫度隨火焰溫度的提高而增大。海軍航空工程學(xué)院原渭蘭等[16]開展了艦載導(dǎo)彈固體發(fā)動機(jī)烤燃過程的數(shù)值計(jì)算方法研究。結(jié)果表明，火焰溫度和火焰溫升速率對發(fā)動機(jī)的著火延遲時(shí)間有顯著影響，發(fā)動機(jī)的絕熱層對外界火災(zāi)有好的隔熱作用，快速熱烤下推進(jìn)劑的著火首先發(fā)生在外表面上。

表5 ESSM火箭發(fā)動機(jī)低易損性試驗(yàn)結(jié)果

表6 美海軍用發(fā)動機(jī)低易損性試驗(yàn)結(jié)果匯總

注：P表示通過，F(xiàn)表示未通過。

表7 PAC-3導(dǎo)彈試驗(yàn)結(jié)果

表8 SM-3導(dǎo)彈試驗(yàn)結(jié)果

中國工程物理研究院流體物理研究所張旭等[17]開展了TATB基PBX的快速烤燃試驗(yàn)與數(shù)值模擬的對比研究。結(jié)果表明，以固體推進(jìn)劑為燃料會在短時(shí)間內(nèi)引起TATB基PBX點(diǎn)火燃燒反應(yīng)，但不會發(fā)生猛烈的爆燃或爆轟現(xiàn)象。南京理工大學(xué)韓博等[18]研究了一種新型發(fā)射裝藥的低易損性能。結(jié)果表明，新型裝藥可初步滿足12 m跌落、快速烤燃試驗(yàn)、子彈沖擊試驗(yàn)和射流沖擊試驗(yàn)性能的評估要求。國防科技大學(xué)莊建華等[19]開展了固體發(fā)動機(jī)槍擊過程數(shù)值模擬技術(shù)研究。結(jié)果表明，子彈以750 m/s初速撞擊發(fā)動機(jī)，能在固體推進(jìn)劑的內(nèi)部形成高溫?zé)狳c(diǎn)，為發(fā)動機(jī)槍擊過程模擬提供了新方法。西安近代化學(xué)研究所楊建等[20]開展了RDX基發(fā)射藥子彈撞擊特性研究，結(jié)果表明，RDX基發(fā)射藥子彈撞擊反應(yīng)劇烈程度和沖擊波超壓均高于單基發(fā)射藥，其安全性低于單基發(fā)射藥，大弧厚RDX基發(fā)射藥試樣反應(yīng)劇烈程度明顯低于小弧厚試樣，沖擊波超壓更低。哈爾濱工程大學(xué)路勝卓等[21]開展了殼裝高能固體推進(jìn)劑的殉爆實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于主發(fā)推進(jìn)劑爆炸沖擊波的沖擊作用，造成被發(fā)殼體局部破壞形成碎片，碎片高速撞擊推進(jìn)劑藥柱殼體使被撞擊區(qū)域熱能無法均勻分布，集中在碎片的尖銳棱角或突出處，導(dǎo)致相應(yīng)位置的溫度劇增達(dá)到臨界爆發(fā)點(diǎn)，最終導(dǎo)致被發(fā)推進(jìn)劑發(fā)生殉爆。西安近代化學(xué)研究所張超等[22]開展了固體推進(jìn)劑對射流刺激的易損性響應(yīng)研究，分析了配方、射流源的沖擊方向(軸向或徑向)、裝藥尺寸等對固體推進(jìn)劑易損性響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，推進(jìn)劑對軸向射流刺激的響應(yīng)程度大于徑向響應(yīng)，在長徑比為4∶1和1∶1條件下，3種典型推進(jìn)劑對射流刺激的響應(yīng)程度差別不大，且均有較強(qiáng)的響應(yīng)，HTPB推進(jìn)劑、改性雙基推進(jìn)劑、NEPE推進(jìn)劑的反應(yīng)等級依次為爆炸、部分爆轟和部分爆轟。航天四院四十二所從“九五”規(guī)劃開始跟蹤國外發(fā)動機(jī)低易損性研究進(jìn)展，結(jié)合國內(nèi)固體推進(jìn)劑和固體發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了固體發(fā)動機(jī)慢速烤燃試驗(yàn)系統(tǒng)、快速烤燃試驗(yàn)系統(tǒng)、破片沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)、射流沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)、子彈沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)和殉爆試驗(yàn)系統(tǒng)，在系統(tǒng)研究影響因素和判據(jù)等基礎(chǔ)上，建立了相應(yīng)的等級評估程序，先后開展了多個(gè)項(xiàng)目的固體推進(jìn)劑、固體發(fā)動機(jī)、戰(zhàn)斗部等低易損性機(jī)理研究和評估工作(見表9)。通過表9可看出，固體發(fā)動機(jī)在子彈沖擊、快速烤燃等試驗(yàn)中響應(yīng)比較溫和[23-24]。

表9 固體發(fā)動機(jī)低易損性試驗(yàn)結(jié)果

2 結(jié)束語

國外早在20世紀(jì)60～70年就開始制定固體發(fā)動機(jī)低易損性研究計(jì)劃，分別從刺激源、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)判據(jù)、機(jī)理及控制等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究成果已經(jīng)在多個(gè)武器型號中得到應(yīng)用。由于國內(nèi)固體發(fā)動機(jī)低易損性研究起步較晚，國內(nèi)低易損性試驗(yàn)方法和評價(jià)程序基本為空白。航天工業(yè)固體推進(jìn)劑安全技術(shù)研究中心(航天四院四十二所)在國內(nèi)率先開展了固體推進(jìn)劑、固體發(fā)動機(jī)低易損性試驗(yàn)方法研究、試驗(yàn)裝置研究，并形成了航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家軍用標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的試驗(yàn)方法在多個(gè)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器中得到應(yīng)用，但對固體發(fā)動機(jī)的低易損性機(jī)理和控制技術(shù)，還需進(jìn)一步深入開展研究工作。