水中兵器跌落安全性試驗研究現狀分析*

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)導彈彈藥的定型及軍備采購中，彈藥安全性考核試驗標準體系完善，跌落安全性考核試驗方法成熟，在彈藥安全性設計方面進行了系統(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目前還沒有統(tǒng)一的標準和要求［4］，水中兵器跌落安全性評定缺乏依據。本文通過介紹國內外彈藥跌落安全性試驗標準、試驗方法等方面的研究進展，總結概括了國內彈藥跌落安全性考核評估研究亟待解決的主要問題，并針對國內水中兵器跌落安全性考核試驗方法研究和標準建立提出了建議。

2 跌落安全性試驗標準

2.1 北約及美國跌落安全性試驗標準

跌落安全性作為彈藥安全性的重要內容，受到北約及美國等發(fā)達國家的普遍重視。經過長期的科學研究和大量的試驗驗證，北約及美國目前已經建立了完善的跌落安全性試驗標準和成熟的彈藥安全性試驗標準體系［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試驗標準和評估準則。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情報并采用統(tǒng)一標準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準，規(guī)定了常規(guī)導彈彈藥在這些威脅模型下的反應限度和評估準則，形成了北約的鈍感彈藥標準體系的核心；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果評估方法。制定標準化協(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)展鈍感彈藥的相關政策，并給出了鈍感彈藥的通過準則，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，成為鈍感彈藥技術的開發(fā)、評估、測試的指導性文件；同時，參考TB700-2《國防部彈藥和爆炸物危險性分類規(guī)程》、聯合國橙皮書-《關于危險貨物運輸的建議書》，對安全性試驗方法及分類程序進行了設置。最終形成了北約國家的鈍感彈藥評估和試驗方法標準體系。

2）美國

美國在彈藥安全性研究方面處于世界領先地位。1964年，美國海軍發(fā)布了標準化文件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準的文件，測試內容包括快速烤燃、慢速烤燃和子彈撞擊的全部測試內容。1967年，發(fā)布MIL-STD-1316《引信安全設計準則》，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的軍用標準MIL-STD-2105《非核武器的彈藥危險性評估標準》，標準適用于全部非核武器彈藥的安全性考核評估，該標準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準的不斷完善，在2011年美國形成了MIL-STD-2105《非核彈藥危險性評估試驗標準》體系，該體系以美軍標2105D（2011 版）為框架，包括美軍標2105D 及8 項北約標準化協(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 項標準形成2105 標準體系的核心。該標準規(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準化協(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，跌落安全性已經成為美國非核武器彈藥的重要質量特性。

2.2 國內彈藥跌落安全性試驗標準

70年代末，我國開始出現鈍感彈藥的概念，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的國家軍用標準［9～15］。1987年發(fā)布了《空-空導彈最低安全要求》，這是國內評定彈藥跌落安全性的試驗項目、條件及合格準則的最早的一個標準，該標準為對空空導彈戰(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；2000年起至現在，先后發(fā)布了《單兵火箭試驗規(guī)程》、《戰(zhàn)術導彈戰(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》等標準，分別對帶包裝箱的火箭彈、戰(zhàn)術導彈戰(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果評定標準進行了規(guī)定。上述標準的提出和建立，為我國彈藥跌落安全性考核以及彈藥安全性考核試驗標準體系的建立提供了基礎。

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，能更好地適應運輸、貯存、勤務、訓練、作戰(zhàn)等全壽命任務剖面。中物院在借鑒美國彈藥安全性軍標的基礎上，開展了快速烤燃、慢速烤燃、聚能射流撞擊、殉爆反應、槍擊及射流碎片撞擊等的小尺寸試驗方面的研究，編制了相應試驗方法操作規(guī)程［17］，對我國安全彈藥的設計、研制和考核評價提供了參考依據，有力推進了我國彈藥安全性考核試驗標準體系的建立和完善。

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)議提供一個標準的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值模擬試驗上也進行了大量的研究。

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任何二次撞擊，撞擊面平整且水平平直度在2°內。

（2）跌落高度、方位、次數

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）通過標準

美國MIL-STD-2105D《非核彈藥危險性評估試驗標準》對彈藥遭受意外刺激時的反應類型進行了等級分類，按照反應程度不同分為5 級，分別為爆轟、次爆轟、爆炸、爆燃和燃燒。當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/炸藥未出現可見或可聽到的反應；

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果匯編成一個安全數據包，公評估用。數據包必須先前獲準的試驗方案，包括針對聯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值模擬試驗

由于全尺寸彈藥安全性試驗周期長、經費高、實施風險大，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行了小尺寸試驗和數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值模擬專題研究小組，開展小尺寸試驗不僅能夠指導鈍感彈藥配方和裝藥設計研究，同時還可以對殉爆、射流等過程的機理進行研究［17］。數值模擬方法則是通過建立適當的模擬模型進行模擬實驗，達到定量分析的目的。數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、預估彈藥在遭受意外刺激時可能引起的響應具有重要作用。這些試驗中包括小尺寸跌落試驗和跌落數值模擬試驗，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行輔助分析。

3.2 國內跌落安全試驗方法

國內彈藥及彈藥火工品跌落安全試驗方法有十幾種，分別針對空空導彈戰(zhàn)斗部、鈍感電起爆器、炮用彈藥（不含引信）、戰(zhàn)術導彈戰(zhàn)斗部、炮射導彈、反坦克導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)設置、試驗樣本量設計、被試品技術狀態(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》進行，針對武器不同的作戰(zhàn)使用特點，在試驗實施和結果評定上略有不同。

對撞擊面的要求基本與北約STANAG 4375 標準一致，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。跌落高度一般設置為2m/12m（不帶/帶包裝箱）。

通過標準一般要求在跌落過程中和跌落后轉運至銷毀過程中，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）跌落數值仿真試驗

國內水中兵器研制生產相關單位大力開展跌落數值仿真試驗，目的是通過對水中兵器機械結構、裝藥結構、固體火箭發(fā)動機、鋰電池等主要危險源跌落安全進行數值仿真，計算出跌落沖擊對水中兵器總體結構安全性影響以及火箭發(fā)動機跌落撞擊數值模擬等，預估水中兵器跌落后的反應烈度，掌握水中兵器跌落的整體安全性并對進一步改進提高跌落安全性提供數據支撐。

4 分析及建議

4.1 跌落試驗研究對比分析

1）跌落安全性試驗標準對比分析

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

（1）標準適用范圍未實現全包覆

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

（2）標準規(guī)定不完善

GJB357A《空-空導彈最低安全要求》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則，未明確跌落刺激下彈藥反應類型判定的具體方法和標準，沒有進行彈藥跌落安全性分級和量化，缺乏彈藥準入制度指導性文件。

（3）標準規(guī)定試驗條件不統(tǒng)一

標準規(guī)定的試驗條件不同，試驗結果不能全覆蓋。GJB357A《空-空導彈最低安全要求》規(guī)定了戰(zhàn)斗部跌落安全性試驗合格準則，沒有進行危險性分級，直接要求滿足三星鈍感彈藥要求，與彈藥特性和當前技術水平可能不協(xié)調。GJB357A《空-空導彈最低安全要求》嚴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

國內在水中兵器跌落安全性的試驗研究和數值模擬研究兩方面均取得了一定的進步，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品真正的使用過程，試驗過程測試更多是結構響應，缺乏部組件性能變化測量，不能夠給出排他性預判。

（2）跌落試驗等效方法研究方面

尺寸效應顯著，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

在點火事故風險評估方面，目前以綜合演示、工程驗證為主，回答關注的工程問題，獲得的結果僅是特定意外跌落場景下的結果，不具外推性，無法給出武器點火風險邊界。在事故反應烈度評估方面，近年國內在燃燒反應機理的認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”定性現象為主，缺乏基于過程量化數據的定量評估，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狀，一些專家學者對國內彈藥安全性研究和戰(zhàn)斗部跌落安全性試驗標準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）采用科學研究與工程試驗研究相結合的方式，建立通用的跌落安全性試驗方法和科學的評估方法，建立試驗數據庫，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。

要高效、高水平解決水中兵器跌落安全性問題，科學認知務必到位，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、數字方法與加載和診斷新技術的能力，做到能對引發(fā)事故、主導事故反應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數據庫、模型庫、數字化結構與材料的響應分析能力，逐步建立評估與預測能力。

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

隨著計算機技術和有限元技術的發(fā)展，計算速度和計算精度已經得到極大提高，采用有限元軟件的數值仿真技術在水中兵器安全性研究領域得到了廣泛應用。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行仿真分析，通過預估水中兵器戰(zhàn)斗部及重要部組件意外跌落后的反應烈度，為全尺寸跌落安全試驗實施方案和安全預案制定優(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，結合數值仿真技術研究，建立科學合理的水中兵器彈藥安全性的試驗標準體系。

通過開展實驗室反應特性試驗、仿真預估模型試驗和全尺寸彈藥考核試驗，掌握含能材料反應特性、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行驗證，實現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，從而建立科學的水中兵器彈藥安全性的試驗標準體系，為評估水中兵器彈藥安全性提供依據。

5 結語

跌落安全性作為水中兵器彈藥安全性的重要內容，直接關系到高價值作戰(zhàn)平臺的安全性和己方生存戰(zhàn)斗力。采用科學研究與工程試驗相結合的方式，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的結果評價標準，在此基礎上建立水中兵器跌落安全性試驗標準，對于指導水中兵器跌落試驗、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準體系具有重要意義。