弹药殉爆试验与反应等级评估探讨

李金河，黄学义，傅华，汪斌，张志

弹药殉爆试验与反应等级评估探讨

李金河，黄学义，傅华，汪斌，张志

（中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳 621999）

获取弹药在殉爆情况下发生反应的特征行为，为不敏感弹药的评定以及弹药安全性的评估提供技术支撑。参照北约STANAG 4396标准，开展某型弹药殉爆试验。采用超压测量、见证板变形破坏情况观测、破片速度测量等传统测试方法，结合先进的激光干涉测速技术（Photonic Doppler Velocimetry—PDV）测量被发弹药及主发弹药反应后壳体膨胀速度。被发弹药侧见证板比主发弹药侧见证板产生了更严重的变形。11 m和14 m处超压测量结果分别达到306 kPa和177 kPa，与两枚弹药爆轰后产生的超压相当。被发弹药和主发弹药的壳体膨胀速度相当，达到约3500 m/s。在试验条件下，被发弹药发生了爆轰反应，该弹药不属于不敏感弹药。在殉爆试验中，主发弹药和被发弹药的壳体膨胀速度可作为判断被发弹药反应等级的关键参量。

殉爆；超压；PDV；见证板；反应等级；不敏感弹药

弹药是用来杀伤敌人的，具有巨大的毁伤能力。弹药在生产、运输、储存和使用过程中，遇到事故或意外刺激、受到攻击等情况下，弹药自身应具有比较高的安全性，以免造成己方人员的重大伤亡。因此，现代武器弹药的发展，一方面追求弹药的高效毁伤能力，另一方面越来越重视弹药安全。自20世纪90年代以来，美国国防部就制定了安全性试验军标（MIL-STD-2105A），用于指导海军弹药安全性的评估试验。2011年发布的最新版本的标准MIL- STD-2015D[1]（非核弹药的危险性评估试验），用于全面指导非核弹药安全性的试验方法和反应烈度评估准则。殉爆试验是其中的一项不敏感弹药安全性标准评估试验，用于评估弹药在邻近弹药爆炸作用下的后果。其试验方法与北约标准STANAG 4396[2]一致，标准规定的测试方法主要包括高速摄影、见证板、超压、破片。

国内外开展了较多裸炸药殉爆试验和数值模拟工作，在带壳弹药殉爆方面的研究工作相对较少。Lu[3]等模拟了PBXN-109炸药殉爆实验，给出了PBXN-109炸药的冲击感度曲线。Fisher[4]等分析了泡沫隔层等对炸药殉爆的影响。李铮[5]研究了多种炸药的殉爆安全距离，并给出了经验计算公式。研究认为，对于不敏感的炸药，爆轰产物的作用是造成散装TNT殉爆的主要原因。较敏感炸药，如RDX，空气冲击波超压和正压持续时间作用是造成殉爆的主要原因。陈朗[6]进行了固黑铝炸药殉爆实验，结合数值模拟计算分析了被发炸药爆轰波的成长过程。王晨[7]开展了带壳固黑铝炸药的实验和数值模拟研究，给出了殉爆距离，并指出被发装药发生殉爆主要是由于破片作用。

为了评估某型弹药殉爆条件下的反应情况，在参考北约标准STANAG 4396的基础上，引入流体物理研究所发展的激光测速技术（DPS），通过定量测量弹药壳体膨胀速度，结合超压测量结果、见证板测量结果综合评估被发弹药的反应等级。最后，对弹药殉爆试验方法以及反应等级评估方法进行了初步探讨。

1 试验

弹药殉爆试验布局如图1所示，主要包括1块1.5 m×1.5 m×6 mm的Q235底见证板，2块1.5 m× 1.5 m×6 mm的Q235侧见证板（侧见证板与弹药中心的距离为5 m），8个冲击波超压传感器（1#—4#与弹药中心的距离为11 m，5#—8#与弹药中心的距离为14 m），10个PDV测试探头（与弹药表面的距离约为60 mm，如图2所示）和1台高速摄影相机。主发弹药与被发弹药轴线的距离为440 mm。侧验证板和底验证板主要用于对比弹药爆炸后在验证板上产生的后效，可用于定性评估弹药的反应情况。冲击波超压可以定量地分析弹药发生殉爆反应后能量的释放水平，可以准确地获取弹药装药反应后对壳体的做功能力。高速摄影则可以直观地获取弹药殉爆反应的图像（由于强光影响，高速摄影结果难以用于分析弹药的实际反应情况，文中不作介绍）。

图1 殉爆试验布局

图2 PDV测试布局

2 试验结果

2.1 见证板破坏情况

见证板的变形和破坏情况如图3所示，位于主发弹药一侧的见证板产生了较大的变形和较多的穿孔，底端两侧弯折。被发弹药一侧见证板产生对折现象，靶板正面处于内侧，产生大量的穿孔。被发弹药一侧见证板的变形情况远远大于主发一侧，说明被发弹药发生了爆轰反应，并且靠近主发弹药的侧边首先爆炸，在被发弹药一侧的见证板方向产生了定向增强效应。

2.2 超压测量结果

不同距离处的超压测量结果如图4所示，冲击波产生了2次超压峰值，2个峰值压力接近。由于弹药底部铺设了底见证板（钢），因此，采用刚性地面近地爆炸后的冲击波超压计算公式[8]：

图3 见证板破坏情况

式中：为冲击波超压，MPa；为装药的TNT当量，kg；为距炸药表面的距离，m。

计算结果表明，测得的超压相当于2枚弹药正常爆轰时产生的冲击波超压。由此可以说明，被发弹药发生了完全爆轰。可见，在被发弹药发生爆轰的情况下，冲击波超压测量结果可以准确地表征被发弹药的能量释放特性。因此，在殉爆试验中，超压测量结果是判断被发弹药是否发生爆轰的重要参数。

图4 不同距离处的超压测量结果

2.3 PDV测量结果

主发弹药和被发弹药壳体膨胀速度如图5所示。由图5a可知，主发弹药爆轰后，壳体在膨胀初期迅速达到2300~2600 m/s；经过1.5~3 μs后，壳体破裂形成破片，破片在爆轰产物的作用下，被再次加速到约3500 m/s。由图5b可知，被发弹药除引信端盖速度较低，加速过程较慢外，其他位置的速度大多在2500 m/s以上。被发弹药外侧面以及头部中心位置处的速度比其他位置处的速度更高，甚至比正常起爆的主发弹药的壳体膨胀速度略高（主发弹药为中心起爆）。再结合不同位置处的起跳时间差异可知，被发弹药首先发生反应的位置靠近主发弹药内侧，且更接近被发弹药尾端。说明被发弹药发生了爆轰，沿起爆方向产生了一定的能量增强效应，而其他方向的能量则相对减弱。测试结果可以进一步证实被发弹药一侧见证板产生更大变形的原因。PDV测量结果可以作为数值模拟分析的依据，对分析弹药反应的位置、反应等级及其发展过程具有重要作用。

图5 壳体膨胀速度

3 分析和探讨

根据北约标准，弹药反应分为5个等级：I级爆轰、II级爆炸、III级爆燃、IV级燃烧和V级不反应。现有评估准则包括壳体破裂程度及破片大小、冲击波超压、验证板变形与破坏情况、地面炸坑、剩余药量及影像和声音。其中除了冲击波超压可以给出定量结果，计算当地炸药爆炸的TNT当量外，其他评估方法只能对试验结果进行定性分析，很大程度上需要依靠个人经验，存在极大的人为性。因此，在判断爆炸、爆燃等反应等级时，并没有一个清晰的界线。为了更好地评估弹药殉爆的反应等级，建议在冲击波超压测量的基础上，增加激光干涉测速技术，同时获取主发弹药和被发弹药的壳体膨胀速度，通过对比，综合判断被发弹药的反应等级。其他测试结果如壳体破裂程度、破片大小、验证板变形与破坏等作为参考。由于不同的反应等级对应不同的炸药反应速率，从而对应不同的壳体膨胀速度和加速时间。因此，壳体膨胀速度和加速过程（时间）直接体现了炸药的驱动做功能力，以壳体膨胀速度和加速时间评估弹药的反应等级有直接的科学意义。另外，被发弹药与主发弹药的壳体膨胀过程还可以直接进行对比，如果以相对膨胀速度（被发弹药壳体膨胀速度与主发弹药爆轰时的壳体膨胀速度之比）作为评价标准，可能有助于更好地分析被发弹药的反应等级。如对于本试验中的弹药，以主发弹药爆轰时壳体膨胀速度作为参照。当发生爆轰时，其最大速度约为D（3500 m/s）。因此，被发弹药发生爆轰时，其加速时间及最大速度应基本相当。当被发弹药反应等级为爆炸时，其速度范围可定义为0.1D~0.95D；爆燃时，其速度范围可定义为0.01D~0.1D。燃烧时，其速度范围可定义为0.001D~0.01D；无反应时，无法获取典型的壳体膨胀速度。

对于本殉爆试验中的弹药，综合超压、壳体膨胀速度及其见证板变形破坏情况可知，被发弹药发生了爆轰反应，该弹药不属于不敏感弹药。

4 结论

通过开展弹药殉爆试验，获得了超压、壳体膨胀速度、见证板等测试结果，分析得出以下结论。

1）试验中，被发弹药发生了爆轰反应，该弹药不属于不敏感弹药。

2）超压测试结果可以用于分析殉爆过程中炸药的能量释放情况，测试结果准确性较高。

3）PDV测速结果可以直接对比分析主发弹药和被发弹药的反应情况和驱动能力，可以更好地评估弹药的反应等级，建议在类似的安全性试验中推广应用，并形成标准测试手段。

4）在弹药殉爆试验评估中，建议以超压和相对壳体膨胀速度作为主要的评估依据，其他结果如见证板变形破坏、破片大小等可作为参考。

[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] 李铮, 项续章, 郭梓熙. 各种炸药的殉爆安全距离[J]. 爆炸与冲击, 1994, 14(3): 231-241.

[6] 陈朗, 王晨, 鲁建英, 等.炸药殉爆实验和数值模拟[J]. 爆炸与冲击, 2009, 29(6): 497-500.

[7] 王晨, 伍俊英, 陈朗, 等. 壳装炸药殉爆实验和数值模拟[J]. 爆炸与冲击, 2010, 30(2): 152-158.

[8] 蒋浩征, 周兰庭, 蔡汉文. 火箭战斗部设计原理[M]. 第一版. 北京: 国防工业出版社, 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，重庆人，高级工程师，主要研究方向为弹药安全性。