李 軍,焦清介,龐愛民,任 慧,聶建新,程立國(guó),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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;2.航天化學(xué)動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,襄陽(yáng) 410003;3.航天工業(yè)固體推進(jìn)劑安全技術(shù)研究中心,襄陽(yáng) 410003)
現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,戰(zhàn)機(jī)、艦艇、航母等作戰(zhàn)平臺(tái)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(huì)造成己方武器裝備(或平臺(tái))損壞和人員傷亡。例如,1967年,美國(guó)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(guó)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(kù)等武器裝備及平臺(tái)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(guó)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(duì)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(huì)發(fā)生爆轟。低易損性概念的提出主要是從戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境出發(fā),全面匯總彈藥在戰(zhàn)場(chǎng)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(duì)平臺(tái)的損傷(害)而提出的一系列試驗(yàn)方法、評(píng)價(jià)程序和分類技術(shù)。
由于國(guó)內(nèi)低易損性研究起步較晚,針對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)低易損性試驗(yàn)和評(píng)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(guó)內(nèi)最早開始固體發(fā)動(dòng)機(jī)和固體推進(jìn)劑低易損性試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)技術(shù)研究的單位,參照美國(guó)(MIL-STD-2105)、法國(guó)(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(dòng)機(jī)和固體推進(jìn)劑低易損性試驗(yàn)方法和評(píng)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(píng)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(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)《固體推進(jìn)劑低易損性試驗(yàn)方法和評(píng)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(dòng)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(guó)航天科技集團(tuán)有限公司、中國(guó)航天科工集團(tuán)有限公司、中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)有限公司、中國(guó)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(dòng)機(jī)、戰(zhàn)斗部、固體推進(jìn)劑、炸藥等低易損性試驗(yàn)、評(píng)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(dòng)機(jī)烤燃條件下的“熱爆炸”機(jī)理,探索了固體發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)低易損性試驗(yàn)和評(píng)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(jí)、影響因素等研究結(jié)果,旨在為低易損性固體發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、研制以及試驗(yàn)和評(píng)價(jià)等提方面供技術(shù)支撐。
目前,國(guó)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(guó)《非核彈藥危險(xiǎn)評(píng)估試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(MIL-STD-2105)、法國(guó)《E彈藥需求測(cè)試試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(DGA/IP)以及北約《鈍感彈藥評(píng)估和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(STANAG 4439),這些國(guó)家的低易損性思路起源于美國(guó),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(guó)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(jí)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(píng)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(duì)外發(fā)布。結(jié)合實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,對(duì)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(guó)、德國(guó)、意大利、法國(guó)和美國(guó)測(cè)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(guó)海軍武器局文件,1964-02-13。
美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-2105C及以前版本將響應(yīng)等級(jí)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(dòng)機(jī)的響應(yīng)類型,在2008年編制固體發(fā)動(dòng)機(jī)及固體推進(jìn)劑低易損性試驗(yàn)方法和評(píng)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(guó)發(fā)布的軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-2105D中,同樣增加了“燃燒以下”級(jí)(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(dòng)機(jī)響應(yīng)等級(jí)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(dòng)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(dòng)機(jī)響應(yīng)等級(jí)的分類和判別。
表3 反應(yīng)類型術(shù)語(yǔ)
1.3.1 國(guó)外固體發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)
國(guó)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(guó)海軍開展了IMAD計(jì)劃,響尾蛇發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)采用了纖維纏繞的石墨復(fù)合材料殼體,發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)(采用鋼殼體和HTPB推進(jìn)劑)進(jìn)行了比較。發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)子彈和破片沖擊的響應(yīng)有明顯的改善。在美國(guó)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(dòng)機(jī)低易損性設(shè)計(jì)和試驗(yàn),發(fā)動(dòng)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(duì)ESSM復(fù)合材料發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)滿足ESSM計(jì)劃的要求。隨后,美國(guó)開展了大量的固體發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果
美國(guó)曾針對(duì)愛國(guó)者先進(jìn)能力 (PAC-3)導(dǎo)彈開展了一項(xiàng)名為美國(guó)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)溫和[13]。
標(biāo)準(zhǔn)-3導(dǎo)彈(SM-3)是美國(guó)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(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)能彈頭)、破片沖擊試驗(yàn)(第三級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)能彈頭)、快速烤燃試驗(yàn)(第三級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī))等進(jìn)行了系統(tǒng)考核和評(píng)估。表8給出了SM-3導(dǎo)彈危險(xiǎn)評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果,通過表8可看出,固體發(fā)動(dòng)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(guó)內(nèi)固體發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)
國(guó)內(nèi)針對(duì)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(duì)固體發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的著火延遲時(shí)間有顯著影響,發(fā)動(dòng)機(jī)的絕熱層對(duì)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(dòng)機(jī)低易損性試驗(yàn)結(jié)果
表6 美海軍用發(fā)動(dòng)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(guó)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(duì)比研究。結(jié)果表明,以固體推進(jìn)劑為燃料會(huì)在短時(shí)間內(nèi)引起TATB基PBX點(diǎn)火燃燒反應(yīng),但不會(huì)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(píng)估要求。國(guó)防科技大學(xué)莊建華等[19]開展了固體發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(wú)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(duì)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(duì)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(duì)軸向射流刺激的響應(yīng)程度大于徑向響應(yīng),在長(zhǎng)徑比為4∶1和1∶1條件下,3種典型推進(jìn)劑對(duì)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(jí)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(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)低易損性研究進(jìn)展,結(jié)合國(guó)內(nèi)固體推進(jìn)劑和固體發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)開發(fā)了固體發(fā)動(dòng)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(jí)評(píng)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(dòng)機(jī)、戰(zhàn)斗部等低易損性機(jī)理研究和評(píng)估工作(見表9)。通過表9可看出,固體發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)低易損性試驗(yàn)結(jié)果
國(guó)外早在20世紀(jì)60~70年就開始制定固體發(fā)動(dòng)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(hào)中得到應(yīng)用。由于國(guó)內(nèi)固體發(fā)動(dòng)機(jī)低易損性研究起步較晚,國(guó)內(nèi)低易損性試驗(yàn)方法和評(píng)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(guó)內(nèi)率先開展了固體推進(jìn)劑、固體發(fā)動(dòng)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(guó)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(duì)固體發(fā)動(dòng)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。