水中兵器跌落安全性试验研究现状分析*

张 迪 闫锐兵 贾宏春

（1.91388部队 湛江 524002）（2.中国船舶集团有限公司第七一〇研究所 宜昌 443000）

1 引言

随着鱼雷、水雷及航空深弹等水中兵器爆炸毁伤能力的不断增强，水中兵器在贮存、勤务处理、装备试验和战场环境中意外跌落发生燃爆的安全风险增大，可能会造成己方高价值武器装备损毁和人员伤亡的事故发生，跌落安全性日益成为水中兵器弹药安全性研究的重点。以美国为首的西方国家早已将弹药安全性考核试验纳入到常规导弹弹药的定型及军备采购中，弹药安全性考核试验标准体系完善，跌落安全性考核试验方法成熟，在弹药安全性设计方面进行了系统性研究且取得了一定成果［1～3］。由于我国在水中兵器弹药安全性研究上起步较晚，跌落安全性考核试验目前还没有统一的标准和要求［4］，水中兵器跌落安全性评定缺乏依据。本文通过介绍国内外弹药跌落安全性试验标准、试验方法等方面的研究进展，总结概括了国内弹药跌落安全性考核评估研究亟待解决的主要问题，并针对国内水中兵器跌落安全性考核试验方法研究和标准建立提出了建议。

2 跌落安全性试验标准

2.1 北约及美国跌落安全性试验标准

跌落安全性作为弹药安全性的重要内容，受到北约及美国等发达国家的普遍重视。经过长期的科学研究和大量的试验验证，北约及美国目前已经建立了完善的跌落安全性试验标准和成熟的弹药安全性试验标准体系［5～8］。

1）北约

北约各国非常重视弹药安全性研究，并同步研究制定相关试验标准和评估准则。1988年，北约成员国在美国马里兰州建立了钝感弹药情报中心（NIMIC）（2004年更名为弹药安全信息分析中心），该组织旨在共享技术情报并采用统一标准评定钝感弹药的安全性和危险性。同年先后制定安全跌落、碎片撞击、子弹撞击、慢速烤燃、快速烤燃、射流冲击、殉爆等七项模拟试验标准，规定了常规导弹弹药在这些威胁模型下的反应限度和评估准则，形成了北约的钝感弹药标准体系的核心；其中，STANAG 4375《武器跌落安全跌落试验程序》规定了非核弹药12m 跌落安全性试验的试验方法和结果评估方法。制定标准化协议STANAG 4439《钝感弹药试验介绍、评估和测试》，规定了协议国发展钝感弹药的相关政策，并给出了钝感弹药的通过准则，可操作性很强；制定的AOP-39《钝感弹药的评估和研发指南》与STANAG 4439 配合使用，成为钝感弹药技术的开发、评估、测试的指导性文件；同时，参考TB700-2《国防部弹药和爆炸物危险性分类规程》、联合国橙皮书-《关于危险货物运输的建议书》，对安全性试验方法及分类程序进行了设置。最终形成了北约国家的钝感弹药评估和试验方法标准体系。

2）美国

美国在弹药安全性研究方面处于世界领先地位。1964年，美国海军发布了标准化文件WR-50《海军武器要求空中、水面和水下发射武器的弹头安全性测试》，规定了对于非核武器的常规弹头需进行安全性测试，文件规定了测试方法和最低的可接受安全程度，这是第一个兼有测试方法和通过标准的文件，测试内容包括快速烤燃、慢速烤燃和子弹撞击的全部测试内容。1967年，发布MIL-STD-1316《引信安全设计准则》，规定了陆、海、空三军对直列式火炸药感度的要求和许用的直列式火炸药。

1982年，美国建立了世界上第一个弹药安全性相关的军用标准MIL-STD-2105《非核武器的弹药危险性评估标准》，标准适用于全部非核武器弹药的安全性考核评估，该标准中的基本安全性试验项目包含12m 安全跌落试验。随着弹药危险性评估方法和标准的不断完善，在2011年美国形成了MIL-STD-2105《非核弹药危险性评估试验标准》体系，该体系以美军标2105D（2011 版）为框架，包括美军标2105D 及8 项北约标准化协议，试验项目包括4 项基本安全性试验（28 天温度和湿度试验、振动试验、4 天温度湿度试验和12m 跌落试验）、8 项钝感弹药安全性试验（快速烤燃、慢速烤燃、子弹撞击、碎片撞击、射流冲击等）和42 项附加安全性试验（破片冲击试验等），这52 项试验项目和25 项标准形成2105 标准体系的核心。该标准规定了基本安全性试验中的跌落安全试验方法引用北约标准化协议STANAG 4375《武器跌落安全跌落试验程序》，该协议普遍适用于所有非核弹药的跌落安全性评估，包括水中兵器弹药跌落安全性的考核评估。由此可见，跌落安全性已经成为美国非核武器弹药的重要质量特性。

2.2 国内弹药跌落安全性试验标准

70年代末，我国开始出现钝感弹药的概念，弹药安全性逐步受到重视，相继建立了弹药及弹药用火工品安全相关的国家军用标准［9～15］。1987年发布了《空-空导弹最低安全要求》，这是国内评定弹药跌落安全性的试验项目、条件及合格准则的最早的一个标准，该标准为对空空导弹战斗部提出了跌落试验要求；同年发布了《钝感电起爆器通用设计规范》，规定了钝感电起爆器2m和12m跌落试验方法和要求；1999年，国家发布了《弹药安全性试验规程》，对炮用弹药（不含引信）跌落安全性考核提供了依据；2000年起至现在，先后发布了《单兵火箭试验规程》、《战术导弹战斗部通用规范》、《弹药用火工品安全性》、《火工品试验方法》、《固体火箭发动机跌落试验方法》、《电子及电气元件试验方法随机跌落试验》等标准，分别对带包装箱的火箭弹、战术导弹战斗部、弹药用火工品、火工品、固体火箭发动机等跌落安全性试验方法和结果评定标准进行了规定。上述标准的提出和建立，为我国弹药跌落安全性考核以及弹药安全性考核试验标准体系的建立提供了基础。

2013年中国工程物理研究院提出了安全弹药［16］（Robust Munitions，RM）的概念，要求安全弹药的毁伤威力必须满足作战使用要求，同时，这些弹药在实战化各种意外刺激（热、力、热力耦合、电磁等）作用下不易发生反应，能更好地适应运输、贮存、勤务、训练、作战等全寿命任务剖面。中物院在借鉴美国弹药安全性军标的基础上，开展了快速烤燃、慢速烤燃、聚能射流撞击、殉爆反应、枪击及射流碎片撞击等的小尺寸试验方面的研究，编制了相应试验方法操作规程［17］，对我国安全弹药的设计、研制和考核评价提供了参考依据，有力推进了我国弹药安全性考核试验标准体系的建立和完善。

3 跌落安全性试验方法

3.1 北约及美国跌落试验方法

STANAG 4375《武器跌落安全跌落试验程序》普遍适用于所有非核弹药的跌落安全性评估，包括水中兵器弹药跌落安全性的考核评估。该协议提供一个标准的12m 安全跌落试验程序来评估武器的自由跌落效果，验证武器是否可以经受住跌落到硬表面的剧烈冲击并仍保持安全状态。此外，北约及美国在小尺寸试验和数值模拟试验上也进行了大量的研究。

1）全尺寸跌落试验

（1）撞击面要求

撞击面为厚度不少于75mm 的光滑钢板，布氏硬度必须大于200HB；将钢板与一个最小厚度为600mm 的钢筋混凝土结合在一起，钢筋混凝土起支撑作用，其最小抗压强度为28MN/m2。撞击面要足以容纳跌落的弹药并能适应任何二次撞击，撞击面平整且水平平直度在2°内。

（2）跌落高度、方位、次数

跌落高度为12m。跌落方位主要包括：长轴竖直，前端朝下；长轴竖直，底端朝下；长轴水平三种；在不同的撞击方位，至少进行三次独立跌落试验。一个试验样品只能跌落一次。

（3）通过标准

美国MIL-STD-2105D《非核弹药危险性评估试验标准》对弹药遭受意外刺激时的反应类型进行了等级分类，按照反应程度不同分为5 级，分别为爆轰、次爆轰、爆炸、爆燃和燃烧。当弹药满足以下条件时，该弹药通过跌落安全性试验。

①试验样品中的火药/火工药剂/炸药未出现可见或可听到的反应；

②试验样品处于安全处理状态。

（4）试验评估和分析报告

把所有安全跌落试验与分析结果汇编成一个安全数据包，公评估用。数据包必须先前获准的试验方案，包括针对联合需求做出的任何改动的根本原因。

2）小尺寸跌落试验和数值模拟试验

由于全尺寸弹药安全性试验周期长、经费高、实施风险大，因此，国外在开展全尺寸试验研究的同时，也对钝感弹药测试方法进行了小尺寸试验和数值模拟方面的研究工作。北约弹药安全信息分析中心（MSIAC）专门成立了小尺寸试验和数值模拟专题研究小组，开展小尺寸试验不仅能够指导钝感弹药配方和装药设计研究，同时还可以对殉爆、射流等过程的机理进行研究［17］。数值模拟方法则是通过建立适当的模拟模型进行模拟实验，达到定量分析的目的。数值模拟试验对于研究分析各种安全性刺激下弹药发生燃爆的机理、预估弹药在遭受意外刺激时可能引起的响应具有重要作用。这些试验中包括小尺寸跌落试验和跌落数值模拟试验，用以弥补全尺寸跌落试验样本量不足情况下，对弹药跌落安全性进行辅助分析。

3.2 国内跌落安全试验方法

国内弹药及弹药火工品跌落安全试验方法有十几种，分别针对空空导弹战斗部、钝感电起爆器、炮用弹药（不含引信）、战术导弹战斗部、炮射导弹、反坦克导弹等弹药及火工品的跌落安全性考核；这些试验方法在项目选取、跌落高度和跌落姿态设置、试验样本量设计、被试品技术状态要求以及评估方法上都存在一些差异，因此，上述试验方法难以直接用于指导水中兵器跌落试验。

1）全尺寸跌落试验

目前水中兵器全尺寸跌落试验方法主要参考北约STANAG 4375《武器跌落安全跌落试验程序》进行，针对武器不同的作战使用特点，在试验实施和结果评定上略有不同。

对撞击面的要求基本与北约STANAG 4375 标准一致，大都采用厚度不小于75mm、布氏硬度不小于200HB 的光滑钢板；钢板下方为厚度不小于610mm的混凝土，钢板与混凝土粘接在一起。跌落姿态主要包括3 种：长轴水平、长轴竖直和45°倾斜三种姿态，部分武器跌落姿态为装载在发射箱中起吊时的姿态。试验样本量不小于1 个。跌落高度一般设置为2m/12m（不带/带包装箱）。

通过标准一般要求在跌落过程中和跌落后转运至销毁过程中，被试品不燃不爆；同时，被试品可以安全处理，则判定该被试品通过跌落安全试验。

2）跌落数值仿真试验

国内水中兵器研制生产相关单位大力开展跌落数值仿真试验，目的是通过对水中兵器机械结构、装药结构、固体火箭发动机、锂电池等主要危险源跌落安全进行数值仿真，计算出跌落冲击对水中兵器总体结构安全性影响以及火箭发动机跌落撞击数值模拟等，预估水中兵器跌落后的反应烈度，掌握水中兵器跌落的整体安全性并对进一步改进提高跌落安全性提供数据支撑。

4 分析及建议

4.1 跌落试验研究对比分析

1）跌落安全性试验标准对比分析

北约、美国的常规弹药安全性考核试验标准体系和跌落安全性评估标准日趋完善，而我国在弹药安全领域的研究工作仍以不敏感弹药的标准引用和技术跟踪为主，缺乏政策、法规引导，相关要求零散、不成体系；技术研究基础薄弱，系统性不够［18］。弹药行业有关安全性考核标准已逐步开展，但存在统筹管理缺乏，可支撑数据覆盖不全面，评估方法不系统，可实施性差等问题。国内目前尚未建立水中兵器跌落安全性试验标准，在弹药及弹药火工品跌落安全性试验标准上，主要存在以下问题。

（1）标准适用范围未实现全包覆

GJB357A《空-空导弹最低安全要求》对空空导弹战斗部跌落安全性试验方法提出了要求；GJB5144-2002《战术导弹战斗部通用规范》对战术导弹战斗部跌落安全性试验方法提出了要求；GJB8018-2013《地地常规导弹整体爆破弹头试验规程》适用于地地常规导弹整体爆破弹头研制、生产和交付，其他整体爆破弹头、战斗部可参照执行。上述标准中不能适用于所有战术导弹战斗部。

（2）标准规定不完善

GJB357A《空-空导弹最低安全要求》只规定了战斗部跌落安全性试验的试验条件及试验合格准则，未明确跌落刺激下弹药反应类型判定的具体方法和标准，没有进行弹药跌落安全性分级和量化，缺乏弹药准入制度指导性文件。

（3）标准规定试验条件不统一

标准规定的试验条件不同，试验结果不能全覆盖。GJB357A《空-空导弹最低安全要求》规定了战斗部跌落安全性试验合格准则，没有进行危险性分级，直接要求满足三星钝感弹药要求，与弹药特性和当前技术水平可能不协调。GJB357A《空-空导弹最低安全要求》严于海军弹药跌落安全性要求。

2）跌落安全性试验方法对比分析

国内在水中兵器跌落安全性的试验研究和数值模拟研究两方面均取得了一定的进步，获得了水中兵器弹药在典型跌落刺激条件下的宏观动作过程，为水中兵器跌落安全性评估提供了重要支撑，但距离满足水中兵器的实战化要求还有较大差距，主要表现在：

（1）跌落试验测试方法研究方面

目前的试验方法不能够覆盖产品真正的使用过程，试验过程测试更多是结构响应，缺乏部组件性能变化测量，不能够给出排他性预判。

（2）跌落试验等效方法研究方面

尺寸效应显著，不具有缩比相似性，难“以小拟大”，等效方法难以建立。

（3）跌落试验评估方法研究方面

在点火事故风险评估方面，目前以综合演示、工程验证为主，回答关注的工程问题，获得的结果仅是特定意外跌落场景下的结果，不具外推性，无法给出武器点火风险边界。在事故反应烈度评估方面，近年国内在燃烧反应机理的认识上取得了突破和深化，但武器装备的烈度评估仍以“听、闻、看”定性现象为主，缺乏基于过程量化数据的定量评估，无法合理给出事故的可能后果。

4.2 水中兵器跌落试验研究的建议

针对我国目前跌落安全性试验研究现状，一些专家学者对国内弹药安全性研究和战斗部跌落安全性试验标准制定修订等方面提出了许多意见建议［19～22］，在开展水中兵器跌落安全性试验研究上的建议主要包括以下几点：

1）采用科学研究与工程试验研究相结合的方式，建立通用的跌落安全性试验方法和科学的评估方法，建立试验数据库，为从宏观定性描述到微观机制定量表征水中兵器跌落安全性综合评价奠定基础。

要高效、高水平解决水中兵器跌落安全性问题，科学认知务必到位，不能靠试验试错，要依托机理掌控，尤其是过程机理、模型方法、数字方法与加载和诊断新技术的能力，做到能对引发事故、主导事故反应烈度走向的敏感因素和过程的有效控制；建立有针对性的基础数据库、模型库、数字化结构与材料的响应分析能力，逐步建立评估与预测能力。

2）积极推进水中兵器跌落数值仿真试验研究，预估水中兵器战斗部及重要部组件意外跌落后的反应烈度，为全尺寸跌落试验安全实施和数据有效获取提供支持。

随着计算机技术和有限元技术的发展，计算速度和计算精度已经得到极大提高，采用有限元软件的数值仿真技术在水中兵器安全性研究领域得到了广泛应用。利用有限元法对跌落过程中水中兵器跌落重要部组件和兵器整体的安全情况进行仿真分析，通过预估水中兵器战斗部及重要部组件意外跌落后的反应烈度，为全尺寸跌落安全试验实施方案和安全预案制定优化、故障分析定位以及跌落安全性评估等方面提供重要参考。

3）在跌落安全性试验研究基础上，加大水中兵器弹药安全系统性研究力度，获得控制因素及影响机理，结合数值仿真技术研究，建立科学合理的水中兵器弹药安全性的试验标准体系。

通过开展实验室反应特性试验、仿真预估模型试验和全尺寸弹药考核试验，掌握含能材料反应特性、确定机制；建立模型，获得点火阈值；通过全尺寸弹药安全性试验进行验证，实现从宏观定性描述到微观机制定量表征水中兵器武器安全性，从而建立科学的水中兵器弹药安全性的试验标准体系，为评估水中兵器弹药安全性提供依据。

5 结语

跌落安全性作为水中兵器弹药安全性的重要内容，直接关系到高价值作战平台的安全性和己方生存战斗力。采用科学研究与工程试验相结合的方式，开展水中兵器跌落安全性试验方法研究，制定合理的试验实施方案和科学的结果评价标准，在此基础上建立水中兵器跌落安全性试验标准，对于指导水中兵器跌落试验、考核评估水中兵器跌落安全性以及建立完善水中兵器安全性试验标准体系具有重要意义。