彈藥殉爆試驗(yàn)與反應(yīng)等級(jí)評(píng)估探討

彈藥殉爆試驗(yàn)與反應(yīng)等級(jí)評(píng)估探討李金河;黃學(xué)義;傅華;汪斌;張志期刊名稱(chēng)】《《裝備環(huán)境工程》》年(卷),期】2019(016)009【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P53-56)【關(guān)鍵詞】殉爆;超壓;PDV;見(jiàn)證板;反應(yīng)等級(jí);不敏感彈藥【作者】李金河;黃學(xué)義;傅華;汪斌;張志【作者單位】中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所四川綿陽(yáng)621999【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TJ410;O385彈藥是用來(lái)殺傷敵人的，具有巨大的毀傷能力。彈藥在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中，遇到事故或意外刺激、受到攻擊等情況下，彈藥自身應(yīng)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(lái)越重視彈藥安全。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)國(guó)防部就制定了安全性試驗(yàn)軍標(biāo)(MIL-STD-2105A)，用于指導(dǎo)海軍彈藥安全性的評(píng)估試驗(yàn)。2011年發(fā)布的最新版本的標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-2015D[1](非核彈藥的危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn))，用于全面指導(dǎo)非核彈藥安全性的試驗(yàn)方法和反應(yīng)烈度評(píng)估準(zhǔn)則。殉爆試驗(yàn)是其中的一項(xiàng)不敏感彈藥安全性標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估試驗(yàn)，用于評(píng)估彈藥在鄰近彈藥爆炸作用下的后果。其試驗(yàn)方法與北約標(biāo)準(zhǔn)STANAG4396[2]—致，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試方法主要包括高速攝影、見(jiàn)證板、超壓、破片。國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了較多裸炸藥殉爆試驗(yàn)和數(shù)值模擬工作，在帶殼彈藥殉爆方面的研究工作相對(duì)較少。Lu［3］等模擬了PBXN-109炸藥殉爆實(shí)驗(yàn)，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(duì)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(yàn)計(jì)算公式。研究認(rèn)為，對(duì)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(shí)間作用是造成殉爆的主要原因。陳朗［6］進(jìn)行了固黑鋁炸藥殉爆實(shí)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算分析了被發(fā)炸藥爆轟波的成長(zhǎng)過(guò)程。王晨［7］開(kāi)展了帶殼固黑鋁炸藥的實(shí)驗(yàn)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(píng)估某型彈藥殉爆條件下的反應(yīng)情況，在參考北約標(biāo)準(zhǔn)STANAG4396的基礎(chǔ)上，引入流體物理研究所發(fā)展的激光測(cè)速技術(shù)（DPS），通過(guò)定量測(cè)量彈藥殼體膨脹速度，結(jié)合超壓測(cè)量結(jié)果、見(jiàn)證板測(cè)量結(jié)果綜合評(píng)估被發(fā)彈藥的反應(yīng)等級(jí)。最后，對(duì)彈藥殉爆試驗(yàn)方法以及反應(yīng)等級(jí)評(píng)估方法進(jìn)行了初步探討。彈藥殉爆試驗(yàn)布局如圖1所示，主要包括1塊1.5mx1.5mx6mm的Q235底見(jiàn)證板，2塊1.5mx1.5mx6mm的Q235側(cè)見(jiàn)證板（側(cè)見(jiàn)證板與彈藥中心的距離為5m），8個(gè)沖擊波超壓傳感器（1#—4#與彈藥中心的距離為11m，5#—8#與彈藥中心的距離為14m）,10個(gè)PDV測(cè)試探頭（與彈藥表面的距離約為60mm，如圖2所示）和1臺(tái)高速攝影相機(jī)。主發(fā)彈藥與被發(fā)彈藥軸線的距離為440mm。側(cè)驗(yàn)證板和底驗(yàn)證板主要用于對(duì)比彈藥爆炸后在驗(yàn)證板上產(chǎn)生的后效，可用于定性評(píng)估彈藥的反應(yīng)情況。沖擊波超壓可以定量地分析彈藥發(fā)生殉爆反應(yīng)后能量的釋放水平，可以準(zhǔn)確地獲取彈藥裝藥反應(yīng)后對(duì)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(yīng)的圖像（由于強(qiáng)光影響，高速攝影結(jié)果難以用于分析彈藥的實(shí)際反應(yīng)情況，文中不作介紹）。見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)證板產(chǎn)生對(duì)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(jiàn)證板的變形情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主發(fā)一側(cè)，說(shuō)明被發(fā)彈藥發(fā)生了爆轟反應(yīng)，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(jiàn)證板方向產(chǎn)生了定向增強(qiáng)效應(yīng)。不同距離處的超壓測(cè)量結(jié)果如圖4所示，沖擊波產(chǎn)生了2次超壓峰值，2個(gè)峰值壓力接近。由于彈藥底部鋪設(shè)了底見(jiàn)證板（鋼），因此，采用剛性地面近地爆炸后的沖擊波超壓計(jì)算公式［8］：式中：p為沖擊波超壓，MPa;m為裝藥的TNT當(dāng)量，kg;r為距炸藥表面的距離，m。計(jì)算結(jié)果表明，測(cè)得的超壓相當(dāng)于2枚彈藥正常爆轟時(shí)產(chǎn)生的沖擊波超壓。由此可以說(shuō)明，被發(fā)彈藥發(fā)生了完全爆轟。可見(jiàn)，在被發(fā)彈藥發(fā)生爆轟的情況下，沖擊波超壓測(cè)量結(jié)果可以準(zhǔn)確地表征被發(fā)彈藥的能量釋放特性。因此，在殉爆試驗(yàn)中，超壓測(cè)量結(jié)果是判斷被發(fā)彈藥是否發(fā)生爆轟的重要參數(shù)。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(dá)到2300~2600m/s;經(jīng)過(guò)1.5~3ps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3500m/s。由圖5b可知，被發(fā)彈藥除引信端蓋速度較低，加速過(guò)程較慢外，其他位置的速度大多在2500m/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(jié)合不同位置處的起跳時(shí)間差異可知，被發(fā)彈藥首先發(fā)生反應(yīng)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(shuō)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(qiáng)效應(yīng)，而其他方向的能量則相對(duì)減弱。測(cè)試結(jié)果可以進(jìn)一步證實(shí)被發(fā)彈藥一側(cè)見(jiàn)證板產(chǎn)生更大變形的原因。PDV測(cè)量結(jié)果可以作為數(shù)值模擬分析的依據(jù)，對(duì)分析彈藥反應(yīng)的位置、反應(yīng)等級(jí)及其發(fā)展過(guò)程具有重要作用。根據(jù)北約標(biāo)準(zhǔn)，彈藥反應(yīng)分為5個(gè)等級(jí)：I級(jí)爆轟、II級(jí)爆炸、111級(jí)爆燃、IV級(jí)燃燒和V級(jí)不反應(yīng)?，F(xiàn)有評(píng)估準(zhǔn)則包括殼體破裂程度及破片大小、沖擊波超壓、驗(yàn)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(jié)果，計(jì)算當(dāng)?shù)卣ㄋ幈ǖ腡NT當(dāng)量外，其他評(píng)估方法只能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性分析，很大程度上需要依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，存在極大的人為性。因此，在判斷爆炸、爆燃等反應(yīng)等級(jí)時(shí)，并沒(méi)有一個(gè)清晰的界線。為了更好地評(píng)估彈藥殉爆的反應(yīng)等級(jí)，建議在沖擊波超壓測(cè)量的基礎(chǔ)上，增加激光干涉測(cè)速技術(shù)，同時(shí)獲取主發(fā)彈藥和被發(fā)彈藥的殼體膨脹速度，通過(guò)對(duì)比，綜合判斷被發(fā)彈藥的反應(yīng)等級(jí)。其他測(cè)試結(jié)果如殼體破裂程度、破片大小、驗(yàn)證板變形與破壞等作為參考。由于不同的反應(yīng)等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的炸藥反應(yīng)速率，從而對(duì)應(yīng)不同的殼體膨脹速度和加速時(shí)間。因此，殼體膨脹速度和加速過(guò)程（時(shí)間）直接體現(xiàn)了炸藥的驅(qū)動(dòng)做功能力，以殼體膨脹速度和加速時(shí)間評(píng)估彈藥的反應(yīng)等級(jí)有直接的科學(xué)意義。另外，被發(fā)彈藥與主發(fā)彈藥的殼體膨脹過(guò)程還可以直接進(jìn)行對(duì)比，如果以相對(duì)膨脹速度（被發(fā)彈藥殼體膨脹速度與主發(fā)彈藥爆轟時(shí)的殼體膨脹速度之比）作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可能有助于更好地分析被發(fā)彈藥的反應(yīng)等級(jí)。如對(duì)于本試驗(yàn)中的彈藥，以主發(fā)彈藥爆轟時(shí)殼體膨脹速度作為參照。當(dāng)發(fā)生爆轟時(shí)，其最大速度約為vD（3500m/s）。因此，被發(fā)彈藥發(fā)生爆轟時(shí)，其加速時(shí)間及最大速度應(yīng)基本相當(dāng)。當(dāng)被發(fā)彈藥反應(yīng)等級(jí)為爆炸時(shí)，其速度范圍可定義為0.1vD~0.95vD；爆燃時(shí)，其速度范圍可定義為0.01vD~0.1vD。燃燒時(shí)，其速度范圍可定義為0.001vD~0.01vD;無(wú)反應(yīng)時(shí)，無(wú)法獲取典型的殼體膨脹速度。對(duì)于本殉爆試驗(yàn)中的彈藥，綜合超壓、殼體膨脹速度及其見(jiàn)證板變形破壞情況可知，被發(fā)彈藥發(fā)生了爆轟反應(yīng)，該彈藥不屬于不敏感彈藥。通過(guò)開(kāi)展彈藥殉爆試驗(yàn)，獲得了超壓、殼體膨脹速度、見(jiàn)證板等測(cè)試結(jié)果，分析得出以下結(jié)論。1)試驗(yàn)中，被發(fā)彈藥發(fā)生了爆轟反應(yīng)，該彈藥不屬于不敏感彈藥。2)超壓測(cè)試結(jié)果可以用于分析殉爆過(guò)程中炸藥的能量釋放情況，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性較高。3)PDV測(cè)速結(jié)果可以直接對(duì)比分析主發(fā)彈藥和被發(fā)彈藥的反應(yīng)情況和驅(qū)動(dòng)能力，可以更好地評(píng)估彈藥的反應(yīng)等級(jí)，建議在類(lèi)似的安全性試驗(yàn)中推廣應(yīng)用，并形成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試手段。4)在彈藥殉爆試驗(yàn)評(píng)估中，建議以超壓和相對(duì)殼體膨脹速度作為主要的評(píng)估依據(jù)，其他結(jié)果如見(jiàn)證板變形破壞、破片大小等可作為參考?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】STANAG4396,SympatheticReaction,MunitionTestProcedures[S].MIL-STD-2015D,HazardAssessmentTestsForNon-NuclearMunitions[S].LUJP,LOCHERTIJ,KENNEDYDL,etal.SimulationofSympatheticReactionTestsforPBXN-109[C]//The13thInternationalDetonationSymposium.Norfolk,2006.FISHERSD,BAKEREL,WELLSLG.XM982ExcaliburSympatheticDetonationModelingandExperimentation[C]//Proceedingsofinsensitivemunitions&energeticmaterialstechnologysymposium.Bristol,2006.⑸李錚，項(xiàng)續(xù)章,郭梓熙?