李金河，黃學義，傅華，汪斌，張志

彈藥殉爆試驗與反應等級評估探討

李金河，黃學義，傅華，汪斌，張志

（中國工程物理研究院 流體物理研究所，四川 綿陽 621999）

獲取彈藥在殉爆情況下發(fā)生反應的特征行為，為不敏感彈藥的評定以及彈藥安全性的評估提供技術支撐。參照北約STANAG 4396標準，開展某型彈藥殉爆試驗。采用超壓測量、見證板變形破壞情況觀測、破片速度測量等傳統(tǒng)測試方法，結合先進的激光干涉測速技術（Photonic Doppler Velocimetry—PDV）測量被發(fā)彈藥及主發(fā)彈藥反應后殼體膨脹速度。被發(fā)彈藥側(cè)見證板比主發(fā)彈藥側(cè)見證板產(chǎn)生了更嚴重的變形。11 m和14 m處超壓測量結果分別達到306 kPa和177 kPa，與兩枚彈藥爆轟后產(chǎn)生的超壓相當。被發(fā)彈藥和主發(fā)彈藥的殼體膨脹速度相當，達到約3500 m/s。在試驗條件下，被發(fā)彈藥發(fā)生了爆轟反應，該彈藥不屬于不敏感彈藥。在殉爆試驗中，主發(fā)彈藥和被發(fā)彈藥的殼體膨脹速度可作為判斷被發(fā)彈藥反應等級的關鍵參量。

殉爆；超壓；PDV；見證板；反應等級；不敏感彈藥

彈藥是用來殺傷敵人的，具有巨大的毀傷能力。彈藥在生產(chǎn)、運輸、儲存和使用過程中，遇到事故或意外刺激、受到攻擊等情況下，彈藥自身應具有比較高的安全性，以免造成己方人員的重大傷亡。因此，現(xiàn)代武器彈藥的發(fā)展，一方面追求彈藥的高效毀傷能力，另一方面越來越重視彈藥安全。自20世紀90年代以來，美國國防部就制定了安全性試驗軍標（MIL-STD-2105A），用于指導海軍彈藥安全性的評估試驗。2011年發(fā)布的最新版本的標準MIL- STD-2015D[1]（非核彈藥的危險性評估試驗），用于全面指導非核彈藥安全性的試驗方法和反應烈度評估準則。殉爆試驗是其中的一項不敏感彈藥安全性標準評估試驗，用于評估彈藥在鄰近彈藥爆炸作用下的后果。其試驗方法與北約標準STANAG 4396[2]一致，標準規(guī)定的測試方法主要包括高速攝影、見證板、超壓、破片。

國內(nèi)外開展了較多裸炸藥殉爆試驗和數(shù)值模擬工作，在帶殼彈藥殉爆方面的研究工作相對較少。Lu[3]等模擬了PBXN-109炸藥殉爆實驗，給出了PBXN-109炸藥的沖擊感度曲線。Fisher[4]等分析了泡沫隔層等對炸藥殉爆的影響。李錚[5]研究了多種炸藥的殉爆安全距離，并給出了經(jīng)驗計算公式。研究認為，對于不敏感的炸藥，爆轟產(chǎn)物的作用是造成散裝TNT殉爆的主要原因。較敏感炸藥，如RDX，空氣沖擊波超壓和正壓持續(xù)時間作用是造成殉爆的主要原因。陳朗[6]進行了固黑鋁炸藥殉爆實驗，結合數(shù)值模擬計算分析了被發(fā)炸藥爆轟波的成長過程。王晨[7]開展了帶殼固黑鋁炸藥的實驗和數(shù)值模擬研究，給出了殉爆距離，并指出被發(fā)裝藥發(fā)生殉爆主要是由于破片作用。

為了評估某型彈藥殉爆條件下的反應情況，在參考北約標準STANAG 4396的基礎上，引入流體物理研究所發(fā)展的激光測速技術（DPS），通過定量測量彈藥殼體膨脹速度，結合超壓測量結果、見證板測量結果綜合評估被發(fā)彈藥的反應等級。最后，對彈藥殉爆試驗方法以及反應等級評估方法進行了初步探討。

1 試驗

彈藥殉爆試驗布局如圖1所示，主要包括1塊1.5 m×1.5 m×6 mm的Q235底見證板，2塊1.5 m× 1.5 m×6 mm的Q235側(cè)見證板（側(cè)見證板與彈藥中心的距離為5 m），8個沖擊波超壓傳感器（1#—4#與彈藥中心的距離為11 m，5#—8#與彈藥中心的距離為14 m），10個PDV測試探頭（與彈藥表面的距離約為60 mm，如圖2所示）和1臺高速攝影相機。主發(fā)彈藥與被發(fā)彈藥軸線的距離為440 mm。側(cè)驗證板和底驗證板主要用于對比彈藥爆炸后在驗證板上產(chǎn)生的后效，可用于定性評估彈藥的反應情況。沖擊波超壓可以定量地分析彈藥發(fā)生殉爆反應后能量的釋放水平，可以準確地獲取彈藥裝藥反應后對殼體的做功能力。高速攝影則可以直觀地獲取彈藥殉爆反應的圖像（由于強光影響，高速攝影結果難以用于分析彈藥的實際反應情況，文中不作介紹）。

圖1 殉爆試驗布局

圖2 PDV測試布局

2 試驗結果

2.1 見證板破壞情況

見證板的變形和破壞情況如圖3所示，位于主發(fā)彈藥一側(cè)的見證板產(chǎn)生了較大的變形和較多的穿孔，底端兩側(cè)彎折。被發(fā)彈藥一側(cè)見證板產(chǎn)生對折現(xiàn)象，靶板正面處于內(nèi)側(cè)，產(chǎn)生大量的穿孔。被發(fā)彈藥一側(cè)見證板的變形情況遠遠大于主發(fā)一側(cè)，說明被發(fā)彈藥發(fā)生了爆轟反應，并且靠近主發(fā)彈藥的側(cè)邊首先爆炸，在被發(fā)彈藥一側(cè)的見證板方向產(chǎn)生了定向增強效應。

2.2 超壓測量結果

不同距離處的超壓測量結果如圖4所示，沖擊波產(chǎn)生了2次超壓峰值，2個峰值壓力接近。由于彈藥底部鋪設了底見證板（鋼），因此，采用剛性地面近地爆炸后的沖擊波超壓計算公式[8]：

圖3 見證板破壞情況

式中：為沖擊波超壓，MPa；為裝藥的TNT當量，kg；為距炸藥表面的距離，m。

計算結果表明，測得的超壓相當于2枚彈藥正常爆轟時產(chǎn)生的沖擊波超壓。由此可以說明，被發(fā)彈藥發(fā)生了完全爆轟?？梢姡诒话l(fā)彈藥發(fā)生爆轟的情況下，沖擊波超壓測量結果可以準確地表征被發(fā)彈藥的能量釋放特性。因此，在殉爆試驗中，超壓測量結果是判斷被發(fā)彈藥是否發(fā)生爆轟的重要參數(shù)。

圖4 不同距離處的超壓測量結果

2.3 PDV測量結果

主發(fā)彈藥和被發(fā)彈藥殼體膨脹速度如圖5所示。由圖5a可知，主發(fā)彈藥爆轟后，殼體在膨脹初期迅速達到2300~2600 m/s；經(jīng)過1.5~3 μs后，殼體破裂形成破片，破片在爆轟產(chǎn)物的作用下，被再次加速到約3500 m/s。由圖5b可知，被發(fā)彈藥除引信端蓋速度較低，加速過程較慢外，其他位置的速度大多在2500 m/s以上。被發(fā)彈藥外側(cè)面以及頭部中心位置處的速度比其他位置處的速度更高，甚至比正常起爆的主發(fā)彈藥的殼體膨脹速度略高（主發(fā)彈藥為中心起爆）。再結合不同位置處的起跳時間差異可知，被發(fā)彈藥首先發(fā)生反應的位置靠近主發(fā)彈藥內(nèi)側(cè)，且更接近被發(fā)彈藥尾端。說明被發(fā)彈藥發(fā)生了爆轟，沿起爆方向產(chǎn)生了一定的能量增強效應，而其他方向的能量則相對減弱。測試結果可以進一步證實被發(fā)彈藥一側(cè)見證板產(chǎn)生更大變形的原因。PDV測量結果可以作為數(shù)值模擬分析的依據(jù)，對分析彈藥反應的位置、反應等級及其發(fā)展過程具有重要作用。

圖5 殼體膨脹速度

3 分析和探討

根據(jù)北約標準，彈藥反應分為5個等級：I級爆轟、II級爆炸、III級爆燃、IV級燃燒和V級不反應。現(xiàn)有評估準則包括殼體破裂程度及破片大小、沖擊波超壓、驗證板變形與破壞情況、地面炸坑、剩余藥量及影像和聲音。其中除了沖擊波超壓可以給出定量結果，計算當?shù)卣ㄋ幈ǖ腡NT當量外，其他評估方法只能對試驗結果進行定性分析，很大程度上需要依靠個人經(jīng)驗，存在極大的人為性。因此，在判斷爆炸、爆燃等反應等級時，并沒有一個清晰的界線。為了更好地評估彈藥殉爆的反應等級，建議在沖擊波超壓測量的基礎上，增加激光干涉測速技術，同時獲取主發(fā)彈藥和被發(fā)彈藥的殼體膨脹速度，通過對比，綜合判斷被發(fā)彈藥的反應等級。其他測試結果如殼體破裂程度、破片大小、驗證板變形與破壞等作為參考。由于不同的反應等級對應不同的炸藥反應速率，從而對應不同的殼體膨脹速度和加速時間。因此，殼體膨脹速度和加速過程（時間）直接體現(xiàn)了炸藥的驅(qū)動做功能力，以殼體膨脹速度和加速時間評估彈藥的反應等級有直接的科學意義。另外，被發(fā)彈藥與主發(fā)彈藥的殼體膨脹過程還可以直接進行對比，如果以相對膨脹速度（被發(fā)彈藥殼體膨脹速度與主發(fā)彈藥爆轟時的殼體膨脹速度之比）作為評價標準，可能有助于更好地分析被發(fā)彈藥的反應等級。如對于本試驗中的彈藥，以主發(fā)彈藥爆轟時殼體膨脹速度作為參照。當發(fā)生爆轟時，其最大速度約為D（3500 m/s）。因此，被發(fā)彈藥發(fā)生爆轟時，其加速時間及最大速度應基本相當。當被發(fā)彈藥反應等級為爆炸時，其速度范圍可定義為0.1D~0.95D；爆燃時，其速度范圍可定義為0.01D~0.1D。燃燒時，其速度范圍可定義為0.001D~0.01D；無反應時，無法獲取典型的殼體膨脹速度。

對于本殉爆試驗中的彈藥，綜合超壓、殼體膨脹速度及其見證板變形破壞情況可知，被發(fā)彈藥發(fā)生了爆轟反應，該彈藥不屬于不敏感彈藥。

4 結論

通過開展彈藥殉爆試驗，獲得了超壓、殼體膨脹速度、見證板等測試結果，分析得出以下結論。

1）試驗中，被發(fā)彈藥發(fā)生了爆轟反應，該彈藥不屬于不敏感彈藥。

2）超壓測試結果可以用于分析殉爆過程中炸藥的能量釋放情況，測試結果準確性較高。

3）PDV測速結果可以直接對比分析主發(fā)彈藥和被發(fā)彈藥的反應情況和驅(qū)動能力，可以更好地評估彈藥的反應等級，建議在類似的安全性試驗中推廣應用，并形成標準測試手段。

4）在彈藥殉爆試驗評估中，建議以超壓和相對殼體膨脹速度作為主要的評估依據(jù)，其他結果如見證板變形破壞、破片大小等可作為參考。

[1] STANAG 4396, Sympathetic Reaction, Munition Test Procedures[S].

[2] MIL-STD-2015D, Hazard Assessment Tests For Non-Nuclear Munitions[S].

[3] LU J P, LOCHERT I J, KENNEDY D L, et al. Simulation of Sympathetic Reaction Tests for PBXN-109[C]// The 13thInternational Detonation Symposium. Norfolk, 2006.

[4] FISHER S D, BAKER E L, WELLS L G. XM982 Excalibur Sympathetic Detonation Modeling and Experimentation[C]// Proceedings of insensitive munitions &energetic materials technology symposium. Bristol, 2006.

[5] 李錚, 項續(xù)章, 郭梓熙. 各種炸藥的殉爆安全距離[J]. 爆炸與沖擊, 1994, 14(3): 231-241.

[6] 陳朗, 王晨, 魯建英, 等.炸藥殉爆實驗和數(shù)值模擬[J]. 爆炸與沖擊, 2009, 29(6): 497-500.

[7] 王晨, 伍俊英, 陳朗, 等. 殼裝炸藥殉爆實驗和數(shù)值模擬[J]. 爆炸與沖擊, 2010, 30(2): 152-158.

[8] 蔣浩征, 周蘭庭, 蔡漢文. 火箭戰(zhàn)斗部設計原理[M]. 第一版. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1982.

Sympathetic Detonation Test and Reaction Degree Evaluation of Munitions

LI Jin-he, HUANG Xue-yi, FU Hua, WANG Bin, ZHANG Zhi

(Institute of Fluid Physics, CAEP, Mianyang 621999, China)

To obtain the reaction degree of munitions under sympathetic detonation, to provide technical support to the evaluation of munitions safety and sensitivity.The sympathetic detonation test of a certain type of munition was carried out based on the STANAG 4396 of NATO. The overpressure, the distortion and damage of witness, the velocity of fractions were measured; additionally the expanding velocities of munitions case were obtained based on the Photonic Doppler Velocimetry - PDV).The flank witness face to the acceptor distorted more seriously than to the donor. The overpressure at 11 m and 14 m was 306 kPa and 177 kPa, which was almost the same as the effect of two munitions detonated. The case expanding velocities of donor and acceptor were also equivalent, which was about 3500 m/s.In the given experiment conditions, the acceptor detonated. So the munition does not belong to insensitive munitions. In sympathetic detonation test, the expanding velocities of munitions case (both donor and acceptor) may be the key parameters to judge the reaction degree of munitions.

sympathetic detonation; overpressure; PDV; witness; reaction degree; insensitive munitions

10.7643/ issn.1672-9242.2019.09.009

TJ410；0385

A

1672-9242(2019)09-0053-04

2019-03-12；

2019-04-23

李金河（1979—），男，重慶人，高級工程師，主要研究方向為彈藥安全性。