王曉峰
(西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065)
“沒有生存就沒有戰(zhàn)斗力”,彈藥在實(shí)戰(zhàn)條件下一旦發(fā)生安全事故,將對己方人員、裝備、武器平臺造成不可估量的重大損失,甚至決定戰(zhàn)爭勝負(fù)。20世紀(jì)中期發(fā)生在航母、艦載機(jī)、驅(qū)逐艦上的幾次重大事故,使各國高度重視彈藥的安全問題,不敏感彈藥在此背景下獲得快速發(fā)展[1]。
1984年,美國海軍率先公布了明確的不敏感彈藥政策,引發(fā)了世界范圍內(nèi)彈藥設(shè)計技術(shù)的一場革命。1987年,美國三軍武器采購部門簽署協(xié)作備忘錄,形成對不敏感彈藥的共同要求。1989年,北約成立不敏感彈藥信息中心,促進(jìn)彈藥技術(shù)向不敏感轉(zhuǎn)化。經(jīng)過多年在政策上的大力推進(jìn)和技術(shù)上的深入工作,美國及北約很多現(xiàn)役裝備已經(jīng)達(dá)到了不敏感彈藥標(biāo)準(zhǔn)。
隨著我軍立足于實(shí)戰(zhàn)的要求逐步推進(jìn),海、空、陸、火箭軍等均對現(xiàn)役及在研彈藥的安全性提出了更高要求。以不敏感火炸藥為核心的彈藥技術(shù)領(lǐng)域得到高度重視,取得了顯著進(jìn)展,但在此過程中,也暴露出一些突出問題:
(1)過分依賴對國外政策、標(biāo)準(zhǔn)和方法的學(xué)習(xí)與借鑒,而沒有深入研究其產(chǎn)生的背景和邏輯,更沒有結(jié)合我國的具體情況進(jìn)行深入分析,從而缺乏頂層謀劃和系統(tǒng)考慮;
(2)過于關(guān)注產(chǎn)品研制且多為仿研,反應(yīng)機(jī)理及其成長規(guī)律等基礎(chǔ)研究薄弱,很多研究者甚至對概念理解欠缺,從而缺乏設(shè)計理論和設(shè)計準(zhǔn)則;
(3)基本采用試驗(yàn)型的研發(fā)模式,只滿足通過所謂的“標(biāo)準(zhǔn)”試驗(yàn)考核,未掌握控制要素和邊界條件,從而缺乏評估的科學(xué)性和可靠性。
上述問題導(dǎo)致在相關(guān)研究領(lǐng)域看似成果頻出、一片繁榮,實(shí)則淺嘗輒止、暗藏危機(jī)。這很讓人憂心。我們有必要在最基本的認(rèn)識層面正本清源、達(dá)成共識。本文將我個人的幾點(diǎn)認(rèn)識總結(jié)如下,拋磚引玉,以供討論和批評,希望能在這方面深入研究,為我國不敏感彈藥的發(fā)展盡一份力量。
不敏感彈藥,英文為Insensitive Munitions,縮寫為IM。國外對不敏感彈藥的定義為:能可靠實(shí)現(xiàn)其性能、戰(zhàn)備和作戰(zhàn)要求,在經(jīng)受意外刺激時能將反應(yīng)的劇烈程度及其產(chǎn)生的破壞程度減至最小的一類彈藥。
不敏感彈藥的概念將對刺激的響應(yīng)水平和刺激的發(fā)生概率兩個概念聯(lián)合在了一起,即:
風(fēng)險(Risk)=危險(Hazard)× 概率(Probability)
降低彈藥面對意外或預(yù)期威脅時的風(fēng)險,可以通過以下兩種方式來實(shí)現(xiàn):一是降低彈藥的易損性,而彈藥的易損性與其所用的含能材料的感度密切相關(guān),即降低其所用含能材料的感度;二是降低彈藥(即含能材料)反應(yīng)時的響應(yīng)(破片、壓力波、熱流等)水平,而含能材料的響應(yīng)與其反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)模式密切相關(guān),即調(diào)控含能材料的反應(yīng)模式。
顯然,在當(dāng)前,即使采用感度最低的含能材料,在外界刺激作用下,也無法保證引發(fā)反應(yīng)的零概率,就算是在采用了惰性防護(hù)的情況下也是如此。因此,降低風(fēng)險的主要途徑當(dāng)然就是降低含能材料的響應(yīng)水平,這可能是能夠有效降低風(fēng)險水平的最重要的改進(jìn)點(diǎn)[2]。
從不敏感彈藥的定義可以看出,它強(qiáng)調(diào)的不僅僅是感度,更關(guān)注響應(yīng)的劇烈程度。例如,“耐熱”和“耐烤燃”就是兩個概念。國外專家也反復(fù)強(qiáng)調(diào),IM不是“安全”(safe),而是“低烈度”(less violent)。其優(yōu)勢是不引發(fā)大范圍次生破壞,能夠提高武器平臺的戰(zhàn)場生存能力;可將對周圍設(shè)施的危害降到最低,并可增加庫存量,具有后勤保障的優(yōu)勢;降低危險等級,可降低運(yùn)輸成本及減少貯存、處理的用地面積,具有潛在的成本優(yōu)勢。
這也就是我們把Insensitive Munitions翻譯成“不敏感彈藥”而不是“鈍感彈藥”的原因:一方面,從中英文構(gòu)詞來說,insensitive表示的是一種狀態(tài),譯成“不敏感”是準(zhǔn)確的,而“鈍感”在中文中偏于表示一種行為動作,與英文“desensitize”對應(yīng)性更強(qiáng);另一方面,更重要的是,在火炸藥行業(yè)里,“鈍感”的概念更偏重于降低感度,即提高敏感性閾值,用來表示含有反應(yīng)烈度內(nèi)涵的Insensitive Munitions,易引起誤導(dǎo)。
此外還需強(qiáng)調(diào)的是,我們現(xiàn)在所說的“安全彈藥”,是一個內(nèi)涵更加豐富、范疇更加廣闊的概念,包括了不敏感彈藥的概念,如果把“安全彈藥”僅僅解讀為“不敏感彈藥”,或者認(rèn)為“不敏感彈藥”就是“安全彈藥”,都是不合適的。
各國不敏感彈藥的發(fā)展已形成以下共識:一是實(shí)現(xiàn)彈藥的不敏感化是一個系統(tǒng)工程,主要涉及含能材料、彈藥系統(tǒng)設(shè)計和包裝防護(hù)等領(lǐng)域;二是不敏感彈藥的核心是不敏感含能材料,彈藥中裝填的所有含能材料必須是滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的不敏感含能材料,主要包括炸藥(含傳爆藥)、推進(jìn)劑和發(fā)射藥等。其中,戰(zhàn)斗部及其炸藥裝藥的設(shè)計目的就是爆轟,因此它們對彈藥系統(tǒng)的安全性始終是一個潛在威脅,自然成為不敏感彈藥研究中一個極為重要的方面。
上述共識國內(nèi)從形式上也是認(rèn)同的,但是如果繼續(xù)追問:不敏感含能材料研究的本質(zhì)問題是什么?彈藥系統(tǒng)和包裝防護(hù)的設(shè)計原則和判據(jù)(即與含能材料的本質(zhì)相關(guān)性)是什么?大多數(shù)人就不明所以了,因此當(dāng)前的不敏感彈藥研究依然是各專業(yè)各型號各自為戰(zhàn),核心沒有發(fā)揮核心的作用,自然也就形成不了一個系統(tǒng)。
從前文對不敏感彈藥概念的討論可以明確,實(shí)現(xiàn)不敏感彈藥的技術(shù)途徑主要涉及含能材料兩方面的研究:一是意外刺激下的點(diǎn)火機(jī)制和點(diǎn)火閾值;二是點(diǎn)火后的反應(yīng)模式和增長速率,而且后者是更重要的方面。顯然,不敏感彈藥研究的本質(zhì)就是對含能材料反應(yīng)動力學(xué)的認(rèn)知以及對其邊界條件的調(diào)控。
含能材料的反應(yīng)模式有以下3種:
(1)熱分解:是含能材料最緩慢的反應(yīng)模式。含能材料受熱時,其內(nèi)部發(fā)生熱解反應(yīng),這類反應(yīng)最重要的特征是放熱性。放出的熱又反過來加速分解反應(yīng),將導(dǎo)致分解速率加快、分解量加大,并最終導(dǎo)致點(diǎn)火或燃爆。熱分解始終都存在,但其后果則取決于含能材料內(nèi)部熱生成與熱耗散之間的競爭,認(rèn)識了這種競爭的本質(zhì)和影響因素,其后果就是可控的[3]。
(2)燃燒:含能材料熱分解生成的氧化劑和燃料組分之間發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生大量高溫氣體,將熱傳遞到未反應(yīng)的固相以維持熱分解持續(xù)進(jìn)行。根據(jù)熱交換的狀況,可以發(fā)生兩種類型的燃燒過程:一是傳導(dǎo)燃燒,即反應(yīng)的傳播是由未反應(yīng)材料中的熱傳導(dǎo)控制的,為中等速度(通常低于1m/s,取決于壓力),是火藥燃燒的正常模式,是可控的;二是對流燃燒,即反應(yīng)的傳播是通過熱氣體在材料內(nèi)的間隙或裂縫中穿透而進(jìn)行的,傳播速度能升至數(shù)百米/秒,很難控制[4-8]。
(3)爆轟:是炸藥應(yīng)用的一種功能模式,在爆轟過程中,反應(yīng)以沖擊波控制的速度傳播,可達(dá)數(shù)千米/秒。在彈藥設(shè)計中,為實(shí)現(xiàn)炸藥裝藥的正常爆轟功能,一項(xiàng)重要的工作就是爆炸序列設(shè)計,但由于引發(fā)炸藥整體爆轟的沖擊波也有不同的起因,必須對彈藥面臨的威脅進(jìn)行分析,以控制意外爆轟。
綜上所述,不敏感彈藥的設(shè)計就是研究在常見的熱威脅、機(jī)械威脅和聯(lián)合威脅的作用下,含能材料上述三種反應(yīng)模式的動力學(xué)及其邊界條件;在此基礎(chǔ)上提出調(diào)控措施,控制含能材料不發(fā)生高烈度反應(yīng),以及低烈度反應(yīng)不向高烈度反應(yīng)轉(zhuǎn)化。其中有三項(xiàng)重要研究內(nèi)容,即沖擊轉(zhuǎn)爆轟(SDT)、燃燒轉(zhuǎn)爆轟(DDT)和延遲爆轟(又稱為未知原因轉(zhuǎn)爆,XDT)。在不敏感彈藥的研制中,未開展上述基礎(chǔ)研究,所提出的設(shè)計方案都是缺乏依據(jù)和不可靠的。例如,如果不知道炸藥裝藥的烤燃轉(zhuǎn)爆臨界壓力,戰(zhàn)斗部排氣或泄壓結(jié)構(gòu)的參數(shù)是無法科學(xué)確定的。
不敏感彈藥評估標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性是不敏感彈藥發(fā)展的重要保障,因此深受重視。以美國為首的北約國家在經(jīng)過全面研究和標(biāo)準(zhǔn)化之后,形成了兩種不同的不敏感彈藥評估方法。
第一種是概率法。該方法是從核安全性評估方法轉(zhuǎn)化而來的,包括精確識別意外事件和敵方威脅的場景,并與彈藥預(yù)期響應(yīng)程度(燃燒、爆炸、爆轟)的發(fā)生概率相關(guān)聯(lián)。其主要優(yōu)點(diǎn)是:通過對武器系統(tǒng)和平臺易損性的全面分析,可以精準(zhǔn)確定對彈藥的安全技術(shù)要求;對危險性的定量化,可以決定彈藥的可接受性。
該方法的主要缺點(diǎn)是,它是對特定平臺的具體情況進(jìn)行的分析,在分析時認(rèn)為不大可能發(fā)生的威脅就沒有考慮在內(nèi),而同一種彈藥用于不同平臺所面臨的威脅及其強(qiáng)度以及平臺所提供的防護(hù)程度可能有很大不同,滿足一種平臺的安全性要求,未必適用于另一種平臺,仍需要“具體問題具體分析”。因此,該方法更適用于平臺而不是彈藥的評估。
第二種是標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法。該方法是將彈藥可能面臨的威脅類型及其強(qiáng)度、試驗(yàn)程序以及彈藥響應(yīng)程度的判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,形成系列試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn),彈藥試驗(yàn)后就可以有一個基本的標(biāo)簽,表明它的不敏感性達(dá)到了何種程度[9]。這些方法就是大家熟知的美軍標(biāo)MIL-STD-2105D和北約標(biāo)準(zhǔn)化議定書(STANAG)規(guī)定的試驗(yàn)[10-17],主要包括870℃燃料火試驗(yàn)(STANAG 4240)、3.3℃/h慢速烤燃試驗(yàn)(STANAG 4382)、12.7mm子彈撞擊試驗(yàn)(STANAG 4241)、破片撞擊試驗(yàn)(STANAG 4496)、聚能裝藥射流撞擊試驗(yàn)(STANAG 4526)、殉爆試驗(yàn)(STANAG 4396)。彈藥響應(yīng)類型分為5個等級,分別為Ⅰ(爆轟)、Ⅱ(局部爆轟)、Ⅲ(爆炸)、Ⅳ(非劇烈壓力釋放)、Ⅴ(燃燒);對于熱、子彈撞擊和破片撞擊,彈藥反應(yīng)不比類型Ⅴ更劇烈,對于殉爆和射流撞擊,彈藥反應(yīng)不比類型Ⅲ更劇烈。
這種方法是對彈藥自身的評估,非常便于同一彈藥在改進(jìn)前后以及不同彈藥之間的比較,也非常有利于交流協(xié)作。但是,該方法并未涉及彈藥與平臺的關(guān)系,不了解這一點(diǎn)的人經(jīng)常會有兩種錯誤認(rèn)識:一是認(rèn)為通過了上述標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的彈藥,就可以放心裝載到任何平臺上,而沒有分析平臺所受的威脅及其強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)是否一致;二是一概要求彈藥必須通過上述全部試驗(yàn),而不考慮各個平臺的具體情況,從而無謂增加了研制難度和彈藥成本。
因此,上述兩種評估方法并不是對立的,而是相輔相成的,是不敏感彈藥評估的兩個階段,各有側(cè)重,不可偏廢。
對于上述標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn),國內(nèi)很多研究者往往深信不疑,全盤照搬,卻并不了解國外發(fā)展這些方法的邏輯和作用,因此只學(xué)到了些皮毛。有兩個問題需要認(rèn)真思考。
第一個問題:上述試驗(yàn)中的威脅類型及其強(qiáng)度是如何確定的?
答案是:必須進(jìn)行威脅危險性分析(Threaten Hazard Analysis,即THA)。
1989年,北約在美國馬里蘭州成立不敏感彈藥信息中心(NIMIC,后改名為彈藥安全信息分析中心,MSIAC),致力于信息共享和評估試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化。NIMIC發(fā)起組織了多次有關(guān)IM威脅的討論會,如1992年的“子彈/破片沖擊”,1993年的“烤燃”和1995年的“彈藥間的殉爆反應(yīng)”等,1996年組織的有關(guān)射流威脅的專題討論會就很有代表性。
會議討論了戰(zhàn)場上敵方(主要是前蘇聯(lián))聚能裝藥攻擊時對己方彈藥造成的威脅。敵方聚能裝藥的口徑從25mm到550mm或更大,覆蓋了一個極大的范圍,顯然不能采用單一的聚能裝藥。因此,為了更為準(zhǔn)確地描述真實(shí)的威脅,與會代表將聚能裝藥分成了3類:小口徑、中等口徑和大口徑聚能裝藥。不僅如此,會議對未來威脅更大的聚能裝藥也進(jìn)行了討論,包括串聯(lián)裝藥和密度比銅更高的射流。
己方彈藥被分成了11類:魚雷、水雷、深水炸彈等水下武器;火炮和迫擊炮彈藥;艦炮彈藥;小口徑彈藥;地雷和爆破裝藥;火箭和制導(dǎo)武器(固定);火箭和制導(dǎo)武器(機(jī)動);自由落下的炸彈;輕型反坦克武器;坦克彈藥;集束炸彈和武器。對每一種彈藥都考慮了3種環(huán)境(陸地、海上、空中)和3種狀態(tài)(后勤、戰(zhàn)時、廢舊處理)。這種分析產(chǎn)生了99種可能的彈藥∕環(huán)境∕狀態(tài)組合,對每種組合都評估了聚能裝藥(小口徑、中等口徑、大口徑)的威脅水平、各種打擊及其可能的破壞水平的相似性。將預(yù)期的破壞及其可能性結(jié)合起來,進(jìn)行了排序,得到了最易受到聚能裝藥攻擊的情形以及威脅最大的聚能裝藥類型。這種分析不僅明確了己方彈藥不敏感化的重點(diǎn),而且給標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中射流源的選擇提供了依據(jù)。
從上例可知,不進(jìn)行自己的THA、而直接套用北約應(yīng)對敵方的標(biāo)準(zhǔn),顯然是不合適的。
第二個問題:數(shù)量有限的彈藥全尺寸試驗(yàn)?zāi)軌虮WC評估結(jié)果的可靠性嗎?
美國等西方發(fā)達(dá)國家一致認(rèn)為,盡管大型的全尺寸試驗(yàn)作為證明彈藥的不敏感特性總是必需的,但標(biāo)準(zhǔn)的彈藥全尺寸試驗(yàn)是傳統(tǒng)的通過/失敗型試驗(yàn),其成本高昂,試驗(yàn)數(shù)量極為有限,因而試驗(yàn)結(jié)果的置信度就很難確定;而且試驗(yàn)是關(guān)于“通過”與否的,無法獲得試驗(yàn)結(jié)果的裕度,也難以觀察和理解彈藥響應(yīng)的機(jī)理,因而之后的改進(jìn)措施就無從下手。因此,必須通過含能材料、裝藥、彈藥等不同層次的評定才能保證評估結(jié)果的可靠性。
對于每種刺激類型,研究工作都幾乎同時在兩個方向開展:一是建立不同規(guī)模的物理模型試驗(yàn),包括實(shí)驗(yàn)室量級試驗(yàn)、亞尺寸試驗(yàn)、組件級試驗(yàn)和全尺寸試驗(yàn),多做實(shí)驗(yàn)室級試驗(yàn),積累數(shù)據(jù),再逐步放大;二是開展數(shù)值模擬研究,通過對特意選擇或設(shè)計的工況進(jìn)行模擬而確定數(shù)值模擬方法的有效性,再應(yīng)用于全尺寸實(shí)際工況。將物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合,交叉參照,隨著數(shù)據(jù)的不斷積累,通過數(shù)值模擬進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)估的能力將不斷增強(qiáng),全尺寸試驗(yàn)最后將只作為預(yù)估結(jié)果的驗(yàn)證性試驗(yàn)而存在。
顯然,這種方法學(xué)是以對含能材料反應(yīng)機(jī)理的精確認(rèn)識為基礎(chǔ)的,包括大量的含能材料基礎(chǔ)性質(zhì)(如熱容、熱導(dǎo)、密度、熱膨脹、相變、模量、屈服強(qiáng)度等)以及熱分解、燃燒和爆轟反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)方程等。沒有扎實(shí)、深入、持續(xù)的基礎(chǔ)研究,這種方法學(xué)只能是空中樓閣。
通過上述分析,結(jié)論不言而喻:
(1)踏踏實(shí)實(shí)做好基礎(chǔ)研究,這沒有什么捷徑可走,也容不得投機(jī)取巧;
(2)轉(zhuǎn)變研發(fā)模式,加強(qiáng)建模和仿真,逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計和虛擬試驗(yàn);
(3)緊密結(jié)合我國實(shí)際,加強(qiáng)自主分析,建立我國自己的評估標(biāo)準(zhǔn)體系;
(4)加強(qiáng)頂層設(shè)計,打破專業(yè)隔閡,系統(tǒng)推進(jìn)不敏感彈藥的研發(fā)和應(yīng)用。