王曉峰

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引言

“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。

1 不敏感彈藥的概念

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。

2 不敏感彈藥的核心和本質(zhì)

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。

3 不敏感彈藥的評估

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。

4 不敏感彈藥評估的方法學(xué)

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。

5 結(jié)束語

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。