武器彈藥異常事故環(huán)境安全性試驗技術進展

胡宇鵬，李明海，陳勝來，陳均，岳曉紅，張軍，黃海瑩，楊敏，張中禮，王軍評，文勇，張榮，張志旭，毛勇建

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

安全性是武器彈藥重要的通用質(zhì)量特性[1-2]。在武器彈藥的使用、測試、維護和維修過程中，面臨沖擊、撞擊、跌落、振動、高溫、靜電、雷擊和電磁輻射等外界力、熱載荷引發(fā)的意外燃燒、爆炸、爆轟等危險，易造成武器彈藥損毀、人員傷亡和財產(chǎn)損失，削弱戰(zhàn)斗力。隨著武器彈藥復雜程度的增加，使用要求的提高，作戰(zhàn)威力的增強，上述事故發(fā)生概率也越發(fā)增大。因此，需針對武器彈藥全壽命周期內(nèi)在力、熱、電磁等環(huán)境下的安全性開展深入研究[3-4]。

20世紀50年代以來，武器彈藥安全性事故頻發(fā)[5]。事故調(diào)查研究表明，如在武器研制過程中忽視安全性工作的開展，將會導致先天安全性隱患的存在，從而增大事故發(fā)生的概率。20世紀50年代末期，美國在井下彈道導彈研制中，因忽視了發(fā)射系統(tǒng)接口的安全性設計，導致導彈貯存庫房和發(fā)射陣地發(fā)生重大事故，最終導致該型導彈報廢而重新研制。因此，美空軍頒布了一系列武器彈藥安全性文件[6-7]。例如1962年頒布的《空軍彈道導彈系統(tǒng)安全性工程》，該文件為民兵導彈研制工作實現(xiàn)系統(tǒng)安全性提供了依據(jù)，同年頒布的《武器系統(tǒng)安全性標準》為多彈頭彈道安全性研制提供了依據(jù)。1966年，美國防部在上述空軍系列標準的基礎上，修訂頒布了MIL-STD-882《系統(tǒng)及其有關的分系統(tǒng)、設備的系統(tǒng)安全工作要求》，首次較完善地規(guī)定了系統(tǒng)安全管理、設計、分析和評價的基本要求。隨后，美在經(jīng)歷“福萊斯特”航母爆炸、“企業(yè)”號核動力航母爆炸、中東戰(zhàn)爭期間坦克、軍艦等裝備爆炸損毀、伊拉克戰(zhàn)爭期間彈藥庫爆炸等常規(guī)導彈彈藥安全事故以及多起因飛機地面碰撞起火、飛機起飛墜毀起火、飛機飛行期間核武器墜落、飛機墜毀、艦載機從航母上墜落等核武器安全事故后，先后5次對MIL-STD-882進行了修訂，并在期間頒發(fā)和修訂了一系列指令（DODD5000.1、DODD5000.2、DODD5000.36等），從技術規(guī)范及行政法規(guī)上為有效開展系統(tǒng)、全面的安全性工作奠定了堅實基礎。

我國武器彈藥安全性工作起步相對較晚。民用領域的安全性相關工作開展則相對較早，從20世紀50年代起就開始了放射性物質(zhì)運輸安全研究工作，并于1989年按照國際原子能機構TS-R-1《放射性物品安全運輸規(guī)程》的要求制定了GB 11806《放射性物品安全運輸規(guī)程》，從放射性物品運輸容器設計、制造、安全性能驗證等方面都作了較為系統(tǒng)的規(guī)定。近年，針對我國現(xiàn)有放射性物品運輸容器安全性能的驗證試驗設施不完善，試驗項目不齊全，試驗能力有限等短板問題，開展了一系列放射性物品運輸容器試驗驗證相關研究工作[8-9]。武器彈藥安全性方面工作則在借鑒國外先進經(jīng)驗的基礎上，結合自身特點，正有序開展。20世紀90年代起，我國頒布了GJB 900A—2012《裝備安全性工作通用要求》，以作為安全性頂層標準。該標準明確了裝備安全性研制的一般要求和工作項目，強調(diào)了裝備研制過程的安全性相關工作。GJB 900A為武器彈藥安全性研制的頂層標準，從實施層面講，關于如考核驗證試驗等具體安全性工作的規(guī)定較為宏觀。文中綜述了武器彈藥在異常事故環(huán)境的安全性試驗技術，為今后研究和發(fā)展武器彈藥異常環(huán)境安全性試驗考核技術提供參考。

1 典型事故場景

以往事故案列分析表明，武器彈藥在全壽命周期內(nèi)會經(jīng)歷吊裝轉運、運輸、貯存、使用等多種環(huán)節(jié)，可能會受到跌落、碰撞、燃油火災等異常環(huán)境載荷[10-12]。備戰(zhàn)狀態(tài)下，可能受到敵方武器襲擊，即可能受到子彈或碎片撞擊，武器平臺或彈藥庫著火甚至爆炸[13-15]。這些環(huán)境應力超載情況，致使武器彈藥出現(xiàn)意外損傷，可能引起安全性問題。

從武器彈藥系統(tǒng)全壽命周期任務剖面角度，分析可能遭遇的異常事故場景[5,16-19]。在吊裝轉運剖面下，可能發(fā)生低高度跌落。在運輸剖面下，根據(jù)運輸方式的不同，事故場景略有不同。公路運輸時，可能發(fā)生如車輛在高架橋產(chǎn)生碰撞或其他原因?qū)е滦旭偮肪€偏離，從高架橋墜落等跌落、撞擊、翻車等事故場景，以及電路故障、剎車故障、發(fā)動機著火、撞擊等引起的火災事故場景。根據(jù)橋面高度以及行車速度，可以確定相應跌落高度以及撞擊速度。車輛在跨河橋梁上可能發(fā)生如撞擊等導致行駛路線偏移而從跨河橋梁墜落后入水，水浸深度可根據(jù)途經(jīng)水域最大深度確定。此外，運輸過程中還可能遭受槍擊事故。鐵路運輸時同樣可能發(fā)生跌落、撞擊、火災、水浸等事故，參考公路運輸模式，其跌落高度為行駛過程途經(jīng)高架鐵路路面距離地面的高度，水浸深度為途經(jīng)高架鐵路橋下的水深。與公路運輸不同，鐵路運輸火災事故因發(fā)生在車廂內(nèi)，車廂壁面溫度隨時間升高，即環(huán)境熱沉相對公路運輸較高。海上運輸時，艦船行駛過程中可能發(fā)生因碰撞或其他原因?qū)е碌姆^而導致武器彈藥系統(tǒng)下沉，下沉深度可根據(jù)航線所經(jīng)海域位置最大深度確定。艦船火災事故受艙室內(nèi)氣體組分濃度以及通風條件影響而發(fā)生變化。空中運輸可能發(fā)生飛機失事引發(fā)的跌落、火災等事故，空運跌落高度為飛機飛行高度，空運火災事故需將跌落造成的結構損傷因素納入考慮范圍。武器彈藥系統(tǒng)在貯存剖面下可能發(fā)生低高度跌落、火災等事故。當貯存場所發(fā)生火災時，武器彈藥系統(tǒng)可能完全包覆于火焰中，即快速烤燃模式，此時彈藥外部環(huán)境溫升較快；當臨近貯存庫或飛機起火，武器彈藥可能沒有完全包覆于火焰中，此時彈藥外部環(huán)境溫升較慢，即慢速烤燃模式。使用剖面下，如導彈在發(fā)射剖面下可能出現(xiàn)發(fā)射后發(fā)動機點火失敗造成的跌落等事故，其跌落高度一般可根據(jù)彈射高度確定。

2 試驗加載技術

安全性試驗需準確模擬武器彈藥在現(xiàn)實中可能出現(xiàn)的異常事故，例如跌落、火災、槍擊、碎片撞擊等，以考核武器彈藥的安全性。美俄等國已將提升安全性試驗技術水平作為一項長期戰(zhàn)略任務，并在工程實踐中不斷總結，發(fā)展試驗與測試技術，提升試驗載荷的模擬等效性以及測試先進性。結合前述典型事故場景，對安全性試驗技術開展如下討論。

2.1 跌落試驗

跌落試驗主要考核吊裝意外、運輸事故下武器彈藥（以下簡稱試件）的安全性。一般情況下，試件跌落后未發(fā)生燃燒或爆炸，則認為其滿足跌落試驗安全性考核。跌落試驗原理是將試件按要求姿態(tài)提升到規(guī)定的跌落高度后，釋放試驗件，使其自由下落著靶，同時獲取試件碰靶過程的相關數(shù)據(jù)和信息。跌落姿態(tài)包括水平、豎直或傾斜，試驗具體跌落姿態(tài)往往以危險性評估的最壞情況決定。試驗前應根據(jù)試件的質(zhì)量、尺寸和結構確定起吊裝置、釋放裝置，具體包括提升裝置的承載能力、試件與釋放裝置的連接方式、試件的釋放方式及跌落面的尺寸等。由于撞擊可能使武器彈藥發(fā)生爆轟響應，產(chǎn)生沖擊波和爆炸碎片，從而導致試驗人員傷亡及設備損壞，因此在跌落試驗中需進行沖擊波安全距離和碎片安全距離測算，以便對人員和設備進行安全防護。典型的跌落試驗設備結構如圖1所示，主要由塔架、提升機構、釋放裝置、靶板、靶座等組成，可以實現(xiàn)自由跌落和姿態(tài)控制跌落。

美國圣地亞實驗室建有有效跌落高度為52.5 m的跌落塔，最大提升載荷為680 kg，相應靶板包括強化混凝土靶以及鋼板。為模擬更高高度跌落，其在場區(qū)內(nèi)峽谷兩個山峰間布有空中纜繩設施，纜繩總長度超過1524 m，依靠火箭撬高速拉拽牽引繩，從而使得試件著靶，如圖2所示。該纜繩能成比例地支撐較重試件，36 t試件的最大跌落高度是30 m，較小試件的最大跌落高度能達到213 m，配有包括不銹鋼靶、土壤靶、混凝土靶、水靶、冰靶和模擬地形（火星、月亮、山脈等）靶等不同靶板。

圖1 典型跌落試驗設備結構Fig.1 Typical drop test equipment structure diagram

圖2 美圣地亞實驗室空中纜繩設施Fig.2 Aerial cable facility in Sandia Laboratory

英國原子能管理局技術公司建有150 t履帶式起重機和一個700 t混凝土靶構成的跌落試驗系統(tǒng)，以實施重型導彈跌落試驗。國內(nèi)，中國輻射防護研究院、中國核電工程公司針對核電領域用放射性物品運輸容器的跌落安全性試驗考核，建立了相應跌落試驗系統(tǒng)。針對武器彈藥跌落試驗考核，中國工程物理研究院總體工程研究所（中物院總體所）建有系列跌落塔，如圖3所示。

圖3 中物院總體所系列跌落塔Fig.3 Drop towers in ISE of CAEP

2.2 快速烤燃試驗

快速烤燃試驗（火燒試驗）主要考核運輸、貯存、戰(zhàn)備狀態(tài)下環(huán)境失火（彈藥艙、倉庫、飛機或運輸工具燃油火災等）時武器彈藥的安全性。一般采用野外油池火燒試驗（如圖4a所示），即試件在液體燃料火焰中被快速加熱。一般情況下，試件未發(fā)生燃燒或爆炸，則認為該試件滿足火燒試驗安全性考核。該試驗常用JP-4、JP-5等液態(tài)烴類和NATO F-58等商用煤油作為燃料，燃油燃燒30 s后，火焰溫度須達到550 ℃，隨后火焰平均溫度須在800 ℃以上。試件可通過懸掛或支撐方式固定于燃燒區(qū)域中心，并應高于燃面，完全浸沒于火焰中，且包覆厚度在1～3 m為宜。為保證試件放置位置不處于火焰過熱或過冷區(qū)域，試件底面與燃油表面距離在0.6～1 m為宜。燃油面與試件的距離可通過壓力軟管加水控制，并可防護火焰高溫對油池底部地面的損壞。為迅速建立穩(wěn)定燃燒區(qū)域，在油池中央和四周設置點火器，由同步點火控制系統(tǒng)控制實現(xiàn)同步點火。試驗工裝設計時，可視情采取約束方式以防止試件在試驗過程中可能發(fā)生的助推。由于油池火燒的實質(zhì)燃燒過程是燃油蒸汽和空氣發(fā)生的湍流擴散燃燒，燃燒過程中，周圍空氣主要通過燃燒中心區(qū)的火焰進入油池，因此火燒試驗還需關注環(huán)境風的影響。研究表明，野外油池火燒試驗需在風速低于2 m/s環(huán)境下開展。

由于野外油池火燒試驗污染較大，近年來發(fā)展了加熱爐火燒、石英燈加熱等可在室內(nèi)場所進行快速烤燃試驗的試驗技術研究，相關試驗裝置如圖4b、c所示。當試件不含火工品、炸藥等危險源，且尺寸較小時（例如放射性物品運輸容器縮比件），用加熱爐和石英燈加熱裝置進行火燒試驗，具有成本低、重現(xiàn)性好的優(yōu)點。對于大尺寸運輸容器，其熱環(huán)境一致性還需進一步研究提升。對于會釋放有毒氣體的產(chǎn)品火燒試驗，則只能選擇密閉狀態(tài)下的加熱爐或電輻射熱試驗裝置。對于武器彈藥，為更加真實地模擬試件所遭受的意外火災事故環(huán)境，如因大量燃料泄漏引起的全包圍或部分包圍火災，還是宜采用野外油池火燒試驗這一方式。

美國圣地亞實驗室同時建有野外火燒試驗場以及室內(nèi)火燒試驗室。野外火燒試驗場共計3個，最大燃燒面積為9 m×18 m，可進行燃油、天然氣及固體推進劑等的火燒試驗。此外，圣地亞實驗室還建有專門的包括靜風火燒試驗、電加熱試驗、側風火燒試驗及數(shù)值仿真為一體的熱綜合體試驗設施。靜風火燒試驗室（見圖5a）完全避免了環(huán)境風的影響，有7層樓高，直徑為18 m，并配有水冷壁以控制熱沉溫度，可采用煤油、烷類、醇類燃料進行試驗。電加熱試驗室（見圖5b）建有單機5.2 MW的輻射熱試驗單元，可快速熱加載至1200 ℃。側風試驗室（見圖5c）引入風的影響因素，可實現(xiàn)橫流空氣速度15 m/s下的火燒試驗。該熱綜合體還配有專門的空氣凈化系統(tǒng)，以盡可能減少對環(huán)境的影響。

圖4 火燒試驗裝置Fig.4 Fire test device : a) field oil pool fire test system; b)heating furnace fire test system; c) lamp heating device

圖5 美圣地亞實驗室熱綜合體設施Fig.5 Thermal complex facility in Sandia laboratory: a) static wind fire test system; b) electric heating test system; c) crosswind fire test system

國內(nèi)目前武器彈藥火燒試驗主要采用野外油池火燒試驗方式，中物院總體所建立了配有系列油池的火燒試驗場，配有油庫、供油子系統(tǒng)、自動點火子系統(tǒng)、供排水子系統(tǒng)、遠近程監(jiān)控系統(tǒng)及測控間等設施。油池由內(nèi)圈油池和外圈冷卻水池組成，該油池的設計尺寸可從理論上保證試件所有外表面被火焰覆蓋的厚度在1～3 m，以創(chuàng)造一個合理的火焰輻射環(huán)境。外圈冷卻水池由混凝土和耐火磚砌筑而成。火燒試驗前，先在油池內(nèi)圈預加入一定高度的水，并在油池外圈注滿水，以避免試驗過程中火焰高溫導致鋼油池變形。

2.3 慢速烤燃試驗

慢速烤燃試驗主要考核在運輸、貯存和戰(zhàn)備狀態(tài)下，環(huán)境溫度緩慢升高（如鄰近彈藥艙、倉庫或者運輸工具火災）時武器彈藥的安全性。一般來說，試件在試驗后未發(fā)生比爆炸更劇烈的反應，則認為其通過慢速烤燃試驗。慢烤試驗試件一般先以大約5 ℃/min的升溫速率升至50 ℃，再以3.3 ℃/h的升溫速率逐漸加熱，直至反應。慢速烤燃試驗技術發(fā)展主要集中在熱加載手段的改進及創(chuàng)新。

早期的慢速烤燃試驗在周圍布置有加熱絲的防爆罐內(nèi)進行，但在試驗實施過程中發(fā)現(xiàn)，加熱絲在高溫下容易變形，加熱時還可能導致試件受熱不均，從而影響試驗結果。隨后，對于較小尺寸試件，將其放入套管后，整體放入恒溫的油浴中，套管和試件通過熱傳遞接受外部熱量。該油浴加熱方式雖然能解決試件受熱不均的問題，但試驗安全性較低，一旦試驗中發(fā)生爆燃甚至爆炸，高溫油就會加速燃燒，引起油飛濺，會對試驗人員構成危險。為提升慢烤試驗的安全性，北約STANAG 4382《彈藥慢速烤燃試驗規(guī)程》提出采用空氣浴加熱方式，即將試件放置在慢烤試驗箱內(nèi)，用循環(huán)加熱空氣加熱試件，流入流出空氣溫差不大于5 ℃。為使試件受熱均勻，試件距離慢烤試驗箱內(nèi)壁每側距離應大于200 mm，如圖6a所示。該間隙會形成環(huán)形空腔，加上壁面間的輻射換熱，就會形成內(nèi)部空氣對流。相比油浴導熱加熱方式，空氣浴方式屬空氣對流以及熱壁輻射的復合傳熱。熱傳導方式的不同，決定了試件發(fā)生反應的時間有所差異。此外，慢烤試驗箱的構造還需考慮試驗中可能出現(xiàn)的一些激烈反應。近年來，國內(nèi)外學者大多采用空氣浴加熱方法進行彈藥慢速烤燃試驗。對于尺寸較大的復雜裝藥結構，可采用在試件表面貼敷電加熱膜（見圖6b）或電加熱帶的方式進行加熱（見圖6c），但需考慮加熱膜或加熱帶對試件的約束效應。

圖6 慢烤試驗裝置Fig.6 Slow heating test device: a) slow heating test chamber; b) electric heating film; c) electric heating belt

慢烤試驗熱加載裝置還需配有相應溫控設備，以實現(xiàn)試驗過程溫升速率的控制。以慢烤試驗箱為例，試驗箱內(nèi)設有K型熱電偶，試驗箱內(nèi)的溫度變化由熱電偶傳送至溫控儀表轉換至標準電信號。該實時采集的溫度信號與預設的溫度控制信號進行比較，得出偏差，利用儀表內(nèi)部PID控制系統(tǒng)修正此偏差，繼而控制繼電器以控制可控硅模塊調(diào)節(jié)導通角，使得慢烤試驗箱內(nèi)加熱元件按規(guī)律導通、斷開，最終實現(xiàn)3.3 ℃/h的溫升速率控制。

2.4 中/高速撞擊試驗

中/高速撞擊試驗主要考核運輸車輛以較高速度撞擊、空運事故高空墜落等場景下武器彈藥的安全性。由于跌落塔自身結構形式的影響，其試驗最大加載速度受限，僅能滿足吊裝等低高度跌落和部分公路及鐵路運輸事故考核需求。為模擬更高速度的撞擊事故場景，可采用火箭撬試驗系統(tǒng)開展武器彈藥的高速撞擊試驗。火箭橇是利用固體或液體火箭發(fā)動機作為動力，推動火箭橇車在專用滑軌上高速前進，以獲取測試物體試驗數(shù)據(jù)的大型地面動態(tài)試驗系統(tǒng)。火箭撬撞擊試驗是將被測件固定在火箭撬上，通過火箭撬加速模擬設定的撞擊速度，在軌道末端達到既定撞擊速度時，試件與火箭撬分離，試件以規(guī)定的姿態(tài)和速度撞擊在靶板上，以考核武器彈藥系統(tǒng)的撞擊安全性。

火箭撬撞擊試驗系統(tǒng)具體包括火箭撬運載設備（火箭撬撬體、助推發(fā)動機、試件裝配槽）、滑軌、靶板、鎖緊-分離裝置等。火箭撬運載設備的運載能力一般大于試件質(zhì)量的2倍，速度控制精度應高于10 m/s。滑軌應可靠穩(wěn)定，滑軌靶板附近段能將火箭撬準確導引致安全位置，防止試驗發(fā)生爆炸對火箭撬撬體造成損壞。靶板應平整，受撞面積應為試件撞擊面的3倍及以上，靶板強度和硬度應滿足試件撞擊后無明顯變形和位移，一般采用鋼或混凝土材質(zhì)。鎖緊-分離裝置在鎖緊狀態(tài)下應保證試件被固定在火箭撬上不會脫落，在需要分離時，爆炸螺栓在接收到啟動信號后斷開，令鎖緊裝置打開，實現(xiàn)試件與火箭撬的瞬間分離。火箭助推發(fā)動機往往根據(jù)試件質(zhì)量及撞擊速度確定，設計合適的工裝以保證火箭撬加速運行時試件與其可靠連接。撞靶階段采用爆炸螺栓分離火箭撬和試件，試件單獨撞擊靶體，而火箭撬分離后，沿軌道滑行進行回收，如圖7所示。試驗開展前，應對地面氣候進行測量，尤其注意試驗需在風速不大于5 m/s時實施。

圖7 火箭撬撞擊試驗Fig.7 Schematic diagram of rocket sled test

美國是世界上最早開展火箭橇試驗技術研究的國家，經(jīng)過70多年的發(fā)展，目前已擁有高精度火箭橇滑軌20余條。2003年，美霍洛曼空軍基地試驗速度達到了馬赫數(shù)8.5，共使用4級火箭，13臺發(fā)動機，該記錄至今未能打破，如圖8所示。目前美國正在研制能夠真實模擬高速推進飛行的火箭橇試驗系統(tǒng)，最高試驗馬赫數(shù)達12，所需軌道長度達20 km。俄羅斯、英、法等國也都較早開展了火箭撬試驗系統(tǒng)研制。俄羅斯星辰科研生產(chǎn)聯(lián)合體在莫斯科郊外建有一條2 km的火箭橇滑軌，英國馬丁貝克公司在北愛爾蘭朗福德洛奇皇家空軍基地建成一條1.89 km的火箭橇滑軌，法國蘭德斯導彈試驗和發(fā)射中心建有一條1.2 km火箭撬滑軌。相比國外，我國火箭橇研究雖起步較晚，但經(jīng)過多年發(fā)展，已取得長足進步，陜西華陰051基地建有1.8 km火箭撬滑軌，撬車最大速度可達3馬赫。考慮火箭撬試驗往往成本過高，且其在中低速段加載速度離散性大，可控性較差，中物院總體所研制了基于氣動加載的水平碰撞系統(tǒng)（如圖9所示），以實現(xiàn)中低速準確加載。該系統(tǒng)可模擬車載運輸及運輸機運輸下的撞擊事故場景。

圖8 美國霍洛曼空軍基地火箭撬滑軌Fig.8 Rocket sled track at Holloman Air Force Base

圖9 中物院總體所水平碰撞試驗系統(tǒng)Fig.9 Horizontal crash test system in ISE of CAEP

2.5 槍擊/碎片撞擊試驗

槍擊試驗主要考核輕型彈藥攻擊下武器彈藥的安全性，常用5.56、7.62、12.7 mm規(guī)格口徑子彈進行考核。最為嚴苛考核條件為試件經(jīng)受3枚12.7 mm的M2穿甲彈射擊，射擊速度約為850 m/s，子彈發(fā)射間隔約為80 ms，槍擊位置需針對裝藥量最大部位或沖擊感度最高位置。試驗系統(tǒng)主要為子彈發(fā)射裝置。槍擊試驗的開展主要受試驗場地條件限制，試驗技術層面限制較少。

碎片撞擊試驗主要考核高速彈體碎片直接撞擊下武器彈藥的安全性，常用18.6 g鋼片以2530 m/s的標準試驗速度對試件進行撞擊。當具體場景分析表明試件受到2530 m/s碎片撞擊概率小于0.01%時，可將撞擊速度改為1830 m/s。同槍擊試驗一樣，碎片撞擊試驗的撞擊目標點選擇在裝藥量最大以及沖擊感度最高位置。碎片撞擊試驗的主要試驗裝置為可模擬真實爆炸碎片材質(zhì)、質(zhì)量、形狀、速度、侵徹深度等因素的碎片發(fā)射裝置。碎片發(fā)射裝置主要分為槍炮系統(tǒng)類和爆炸碎片發(fā)射裝置類，常用槍炮系統(tǒng)類主要為火炮和輕氣炮，火炮以火藥反應產(chǎn)生的高壓燃氣來推動碎片。該碎片加速技術相對成熟，且該類裝置體積較小，較為經(jīng)濟，但碎片易受破壞。輕氣炮以高溫下低分子量氣體來推動碎片，碎片速度可達13 000 m/s，且碎片承受的加速度和應力較傳統(tǒng)火炮小，不易破壞。此外，隨著電磁炮、激光炮技術的發(fā)展，其應用于碎片撞擊試驗的技術問題正在攻關。爆炸碎片發(fā)射裝置主要通過起爆爆炸裝置內(nèi)部的裝藥以驅(qū)動預制碎片飛散，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)多個碎片同時撞擊試件，但碎片狀態(tài)控制難度較大。

2.6 深水壓試驗

深水壓試驗主要考核武器彈藥系統(tǒng)在長時間深海壓力、深海異常侵入以及下沉和打撈上浮過程壓力變化時的安全性。武器彈藥系統(tǒng)因運輸艦船故障、裝卸事故而墜海，面臨深海壓力對其結構的物理破壞以及長時浸沒引起的海水浸入內(nèi)部引起的化學反應作用。國外對深水壓力模擬試驗技術研究起步較早，技術水平較高，主要國家包括美國、德國、日本等。美國海軍造船廠目前建有內(nèi)徑為9.15 m、長度為22.9 m、最大靜水壓力為84 MPa的深水壓試驗艙。日本防衛(wèi)廳技術研究所研制了可供整條重型魚雷試驗用的深水壓試驗罐，并配有消聲系統(tǒng)以提升高壓環(huán)境參數(shù)測試的有效性，該罐體尺寸長8.5 m，內(nèi)徑為2.2 m，容積約40 m3，壓力為0～18 MPa。中物院總體所現(xiàn)建有系列深水壓試驗系統(tǒng)，如圖10所示。

圖10 中物院總體所深水壓試驗系統(tǒng)Fig.10 Hydraulic pressure test system in ISE of CAEP

3 測試技術

對于異常環(huán)境安全性試驗的測試，需同時考慮試件高速撞擊環(huán)境、高溫環(huán)境下的力（應變、加速度等）、熱（溫度、輻射率等）等常規(guī)物理量的測試問題，能支撐辨識彈藥反應程度（燃燒、爆燃、爆炸、部分爆轟、爆轟反應程度）的測試信息捕獲問題，以及安全性試驗極端力、熱載荷下傳感器的耐受問題。

跌落試驗需要測量試件跌落過程中試件沖擊地面的加速度以及沖擊地面瞬間各處的應變等參數(shù)，試驗全過程需使用高速攝影以監(jiān)測試件跌落姿態(tài)、著地點及試件的反應狀況。跌落試驗中加速度傳感器量程一般應不小于試件最大加速度的1.5倍，靈敏度不大于5%，精度不大于2%，應變傳感器的量程應為20 000 μs。火燒試驗主要涉及火焰溫度測試、試件熱響應測試以及準確捕捉試件反應特征。火焰溫度采用鎧裝K型熱電偶測試，試件內(nèi)部離火焰較近處熱響應也采用K型熱電偶，經(jīng)過熱防護層，傳熱路徑較深處可采用T型熱電偶以及溫度試紙。采用高速攝影準確捕捉其發(fā)生反應的時間和反應狀態(tài)，采用紅外攝影測量火焰輻射率以及監(jiān)控試件發(fā)生燃燒、爆燃、爆炸、部分爆轟、爆轟的熱特征。驗證板用來抵擋來自試驗爆炸沖擊形成的碎片，試驗后可根據(jù)驗證板的損傷程度來判斷破壞效應，進而辨識試件反應烈度。對于鋼殼重型彈藥，宜采用25 mm厚鋼制驗證板；對于較薄鋼殼或鋁殼彈藥，采用鋁質(zhì)驗證板即可。此外，驗證板需避免放置在超壓傳感器方向上以影響沖擊波壓力測量。慢烤試驗測試系統(tǒng)包括溫度測量裝置、錄像設備、超壓傳感器以及驗證板。其中，慢烤試驗相比快烤試驗，試件反應溫度一般相對較低，溫度測量范圍為0～600 ℃。與火燒試驗類似，錄像設備仍包括用于捕捉試件反應情況的高速攝影設備，以及實現(xiàn)試驗現(xiàn)場全局布控的普通攝像設備。慢烤試驗箱的存在將影響沖擊波超壓，因此慢烤試驗箱體壁面應盡可能薄，以使得超壓傳感器測量值在理想的爆炸超壓范圍內(nèi)。

高速撞擊試驗的測試設備包括沖擊波超壓測試、加速度測試、著靶速度測試、高速攝影等。其中，沖擊波超壓測試與高速攝影要求同上，加速度測試需考慮火箭撬啟動、加速以及撞靶產(chǎn)生的較大加速度，尤其是撞靶瞬間加速度會達到上千個g。由于撞靶是在瞬間完成，加速度傳感器的響應頻率需達到1 kHz以上。斷靶法是目前火箭撬試驗較為常用的速度測試方法，其通過在軌道末端布置多道靶線，火箭撬運動過程中先后切斷靶線即可采集靶線斷電信號時刻，從而可算出試件著靶速度，該測試方法精度可達±1 m/s。此外，結合高速攝影和標尺也可判斷出著靶速度。

在跌落、火箭撬、火燒、深水壓等試驗中，為減少在線測量對試驗狀態(tài)的影響，相關科研機構著力研制離線式內(nèi)嵌測試系統(tǒng)，并開展應用。該內(nèi)嵌式測試系統(tǒng)常采用鋁質(zhì)材料，內(nèi)殼采用鋼質(zhì)材料，核心部件固態(tài)存儲器通過緩沖材料灌封于鋼殼內(nèi)部，從而使其可耐受高速沖擊環(huán)境、高溫環(huán)境、深水壓環(huán)境。由于試驗時試件可能發(fā)生爆炸、燃燒轉爆轟、沖擊起爆等反應，因此要求其響應速率要高，通常其瞬態(tài)采樣率不低于200 kHz。此外，該測試系統(tǒng)還需設計斷靶觸發(fā)功能，以防止試件反應提前造成的數(shù)據(jù)采集失敗以及試件反應延遲造成的數(shù)據(jù)存儲已滿的問題。中物院總體所已成功研制可滿足溫度、圖像、應變、過載、位移、加速度等多參量測試需求的內(nèi)嵌式測試系統(tǒng)，具有抗高過載能力，性能指標先進，已成功應用于撞擊試驗中，如圖11所示。

圖11 離線式內(nèi)嵌測試系統(tǒng)Fig.11 Offline embedded test system: a) large capacity and long standby test system; b) large capacity and long standby test system; c) impact protection test system

4 試驗標準體系

目前，國外武器彈藥安全性考核試驗已形成較為系統(tǒng)的標準體系，主要有北約的鈍感彈藥評估和試驗標準、美國的非核彈藥危險評估試驗標準。美體系是在借鑒北約體系的基礎上發(fā)展起來的，有一定聯(lián)系性，但也存在試驗考核項目和試驗通過準則上的不同。

針對武器彈藥安全性問題，北約鈍感彈藥信息中心于1988年在美國成立，主要成員包括美國、英國、法國、荷蘭、挪威、加拿大、意大利、葡萄牙、西班牙、澳大利亞、芬蘭、瑞典、丹麥和德國等。各國在進行安全性研究的同時，先后制訂了跌落、快速烤燃、慢速烤燃等試驗標準。在此基礎上，北約標準化協(xié)議STANAG 4439《鈍感彈藥介紹、評估和測試》于1998年頒布，明確了鈍感彈藥的安全試驗項目、試驗方法以及通過準則，具有較強的可操作性。該體系包括安全跌落、碎片撞擊、子彈撞擊、慢速烤燃、快速烤燃、射流沖擊、殉爆等單項試驗標準。此后，北約又制定了AOP-38《與彈藥、炸藥和相關產(chǎn)品服役安全性與適用性相關的術語和定義》，統(tǒng)一了術語和定義，出版了盟軍AOP-39《鈍感彈藥的評估和研發(fā)指南》，進一步指導了試驗的開展與評估。同時，還制定了STANAG 2895《北約部隊裝備在極端氣候條件下的試驗設計準則》、STANAG 4370《環(huán)境試驗》，為安全性試驗環(huán)境參數(shù)設置提供了依據(jù)。上述標準構成了一套完整的武器彈藥評估與試驗方法標準體系[20-29]，如圖12所示。該體系已被15個國家批準，應用廣泛。

北約4439標準體系確定了武器彈藥在全壽命周期任務剖面可能遇到的事故場景，以及模擬這些典型事故場景的試驗項目。同時制定了開展這些試驗的載荷條件，即試驗條件，并提出了鈍感彈藥在經(jīng)歷各典型事故場景下的反應要求，即基準范圍，見表1。

圖12 北約彈藥安全性試驗標準體系Fig.12 Ammunition safety test standard system of NATO

表1 北約4439標準體系事故場景對應試驗項目相關信息及基準范圍Tab.1 Accident Scenarios and its corresponding test project information for Standard System 4439 of NATO

美國的DOD-STD-2105[30]非核彈藥危險評估試驗標準體系在參考北約標準體系的基礎上，形成了安全性系列標準。該體系以美軍標2105D為框架，試驗項目包括4項基本安全試驗、6項鈍感彈藥安全性試驗（與北約體系基本一致）和42項附加安全性試驗，這52項試驗項目和25項標準形成了2105標準體系的核心。此外，2105標準體系還引用了如下標準：MIL-STD-167為艦載設備的機械振動標準；MIL-STD-331為引信及引信組件環(huán)境和性能試驗標準；MIL-STD-810F為環(huán)境工程及實驗室試驗標準；MIL-STD-882為系統(tǒng)安全性程序要求的實施標準；MIL-STD-1670為空射武器的環(huán)境準則和指南；MIL-HDBK-310為軍用武器產(chǎn)品的全球氣候數(shù)據(jù)標準。

美標準體系共包括了4項基本安全試驗、6項鈍感彈藥安全性試驗及42項附件試驗，見表2。在具體產(chǎn)品研制中，可根據(jù)具體型號壽命剖面實際面臨的威脅因素進行裁剪，特別是附加安全性試驗。

表2 美國DOD-STD-2105標準體系試驗項目及相關標準Tab.2 Test project and related standards for DOD-STD-2105 of USA

此外，還有法國的DGA/IPE彈藥需求測試試驗標準體系、英國的JSP520彈藥安全性試驗考核標準體系、德國的BM-VG彈藥安全性試驗考核標準體系和意大利的DG-AT安全性試驗考核標準體系。與美體系相似，英體系、法體系和德體系也借鑒了北約4439標準體系，英、德還引用了其鈍感彈藥評估和試驗標準。意體系則融合了北約和法國的彈藥安全性試驗考核標準。對比分析可知，美國、法國、北約安全試驗考核的試驗項目不同，見表3。北約安全性試驗包括跌落、快烤、慢烤、子彈撞擊、殉爆、射流沖擊、碎片撞擊等7項試驗。法國在北約7項試驗項目基礎上，將碎片撞擊試驗細化為輕型和重型碎片撞擊試驗，并增加了靜電試驗。美國則進一步細化分類，以6項彈藥安全性試驗為核心，增加了4項基本安全試驗，以及42項附加安全性試驗。

表3 各國安全性試驗考核項目比對Tab.3 Comparison of safety test and assessment items in different countries

5 結語

隨著試驗技術的發(fā)展，武器彈藥異常事故環(huán)境安全性會向著更加直觀、安全和定量的方向發(fā)展，測試手段也會更加豐富，可以獲取更多以往試驗中無法獲得的信息，從而更加準確地評估武器彈藥異常事故環(huán)境下的安全性。目前國外在武器彈藥異常事故環(huán)境安全性試驗方法和評估準則方面已較為完善。相比而言，國內(nèi)武器彈藥異常事故環(huán)境安全性試驗技術領域與國外存在一定差距，技術手段還需進一步創(chuàng)新，安全性試驗和評估標準體系還需建立完善。鑒于國內(nèi)武器彈藥異常事故環(huán)境安全性試驗技術的發(fā)展現(xiàn)狀，建議持續(xù)發(fā)展安全性試驗技術，建立滿足要求的配套試驗裝置與測試系統(tǒng)，盡快提高武器彈藥異常事故環(huán)境安全性試驗技術水平，形成體系完善的武器彈藥異常事故環(huán)境安全性試驗能力，解決更多、更苛刻事故場景對應的試驗模擬能力覆蓋問題，并建立完善的試驗和評估標準體系。