關于不敏感彈藥的幾點認識

王曉峰

(西安近代化學研究所，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。20世紀中期發(fā)生在航母、艦載機、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)彈藥設計技術的一場革命。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，促進彈藥技術向不敏感轉(zhuǎn)化。經(jīng)過多年在政策上的大力推進和技術上的深入工作，美國及北約很多現(xiàn)役裝備已經(jīng)達到了不敏感彈藥標準。

隨著我軍立足于實戰(zhàn)的要求逐步推進，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領域得到高度重視，取得了顯著進展，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、標準和方法的學習與借鑒，而沒有深入研究其產(chǎn)生的背景和邏輯，更沒有結合我國的具體情況進行深入分析，從而缺乏頂層謀劃和系統(tǒng)考慮；

(2)過于關注產(chǎn)品研制且多為仿研，反應機理及其成長規(guī)律等基礎研究薄弱，很多研究者甚至對概念理解欠缺，從而缺乏設計理論和設計準則；

(3)基本采用試驗型的研發(fā)模式，只滿足通過所謂的“標準”試驗考核，未掌握控制要素和邊界條件，從而缺乏評估的科學性和可靠性。

上述問題導致在相關研究領域看似成果頻出、一片繁榮，實則淺嘗輒止、暗藏危機。這很讓人憂心。我們有必要在最基本的認識層面正本清源、達成共識。本文將我個人的幾點認識總結如下，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水平和刺激的發(fā)生概率兩個概念聯(lián)合在了一起，即：

風險(Risk)=危險(Hazard)× 概率(Probability)

降低彈藥面對意外或預期威脅時的風險，可以通過以下兩種方式來實現(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，即降低其所用含能材料的感度；二是降低彈藥(即含能材料)反應時的響應(破片、壓力波、熱流等)水平，而含能材料的響應與其反應機理和反應模式密切相關，即調(diào)控含能材料的反應模式。

顯然，在當前，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)反應的零概率，就算是在采用了惰性防護的情況下也是如此。因此，降低風險的主要途徑當然就是降低含能材料的響應水平，這可能是能夠有效降低風險水平的最重要的改進點[2]。

從不敏感彈藥的定義可以看出，它強調(diào)的不僅僅是感度，更關注響應的劇烈程度。例如，“耐熱”和“耐烤燃”就是兩個概念。國外專家也反復強調(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，從中英文構詞來說，insensitive表示的是一種狀態(tài)，譯成“不敏感”是準確的，而“鈍感”在中文中偏于表示一種行為動作，與英文“desensitize”對應性更強；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，用來表示含有反應烈度內(nèi)涵的Insensitive Munitions，易引起誤導。

此外還需強調(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)設計和包裝防護等領域；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標準的不敏感含能材料，主要包括炸藥(含傳爆藥)、推進劑和發(fā)射藥等。其中，戰(zhàn)斗部及其炸藥裝藥的設計目的就是爆轟，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)和包裝防護的設計原則和判據(jù)(即與含能材料的本質(zhì)相關性)是什么？大多數(shù)人就不明所以了，因此當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，實現(xiàn)不敏感彈藥的技術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火機制和點火閾值；二是點火后的反應模式和增長速率，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動力學的認知以及對其邊界條件的調(diào)控。

含能材料的反應模式有以下3種：

(1)熱分解：是含能材料最緩慢的反應模式。含能材料受熱時，其內(nèi)部發(fā)生熱解反應，這類反應最重要的特征是放熱性。放出的熱又反過來加速分解反應，將導致分解速率加快、分解量加大，并最終導致點火或燃爆。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，產(chǎn)生大量高溫氣體，將熱傳遞到未反應的固相以維持熱分解持續(xù)進行。根據(jù)熱交換的狀況，可以發(fā)生兩種類型的燃燒過程：一是傳導燃燒，即反應的傳播是由未反應材料中的熱傳導控制的，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：是炸藥應用的一種功能模式，在爆轟過程中，反應以沖擊波控制的速度傳播，可達數(shù)千米/秒。在彈藥設計中，為實現(xiàn)炸藥裝藥的正常爆轟功能，一項重要的工作就是爆炸序列設計，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行分析，以控制意外爆轟。

綜上所述，不敏感彈藥的設計就是研究在常見的熱威脅、機械威脅和聯(lián)合威脅的作用下，含能材料上述三種反應模式的動力學及其邊界條件；在此基礎上提出調(diào)控措施，控制含能材料不發(fā)生高烈度反應，以及低烈度反應不向高烈度反應轉(zhuǎn)化。其中有三項重要研究內(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，未開展上述基礎研究，所提出的設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)斗部排氣或泄壓結構的參數(shù)是無法科學確定的。

3 不敏感彈藥的評估

不敏感彈藥評估標準的科學性是不敏感彈藥發(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)過全面研究和標準化之后，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，并與彈藥預期響應程度(燃燒、爆炸、爆轟)的發(fā)生概率相關聯(lián)。其主要優(yōu)點是：通過對武器系統(tǒng)和平臺易損性的全面分析，可以精準確定對彈藥的安全技術要求；對危險性的定量化，可以決定彈藥的可接受性。

該方法的主要缺點是，它是對特定平臺的具體情況進行的分析，在分析時認為不大可能發(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度以及平臺所提供的防護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。

第二種是標準試驗法。該方法是將彈藥可能面臨的威脅類型及其強度、試驗程序以及彈藥響應程度的判據(jù)標準化，形成系列試驗方法標準，彈藥試驗后就可以有一個基本的標簽，表明它的不敏感性達到了何種程度[9]。這些方法就是大家熟知的美軍標MIL-STD-2105D和北約標準化議定書(STANAG)規(guī)定的試驗[10-17]，主要包括870℃燃料火試驗(STANAG 4240)、3.3℃/h慢速烤燃試驗(STANAG 4382)、12.7mm子彈撞擊試驗(STANAG 4241)、破片撞擊試驗(STANAG 4496)、聚能裝藥射流撞擊試驗(STANAG 4526)、殉爆試驗(STANAG 4396)。彈藥響應類型分為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，彈藥反應不比類型Ⅴ更劇烈，對于殉爆和射流撞擊，彈藥反應不比類型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系，不了解這一點的人經(jīng)常會有兩種錯誤認識：一是認為通過了上述標準試驗的彈藥，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度與標準試驗是否一致；二是一概要求彈藥必須通過上述全部試驗，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

對于上述標準試驗，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，因此只學到了些皮毛。有兩個問題需要認真思考。

第一個問題：上述試驗中的威脅類型及其強度是如何確定的？

答案是：必須進行威脅危險性分析(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的標準化。NIMIC發(fā)起組織了多次有關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”等，1996年組織的有關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，為了更為準確地描述真實的威脅，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；火箭和制導武器(固定)；火箭和制導武器(機動)；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。將預期的破壞及其可能性結合起來，進行了排序，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，而且給標準試驗中射流源的選擇提供了依據(jù)。

從上例可知，不進行自己的THA、而直接套用北約應對敵方的標準，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能夠保證評估結果的可靠性嗎？

美國等西方發(fā)達國家一致認為，盡管大型的全尺寸試驗作為證明彈藥的不敏感特性總是必需的，但標準的彈藥全尺寸試驗是傳統(tǒng)的通過/失敗型試驗，其成本高昂，試驗數(shù)量極為有限，因而試驗結果的置信度就很難確定；而且試驗是關于“通過”與否的，無法獲得試驗結果的裕度，也難以觀察和理解彈藥響應的機理，因而之后的改進措施就無從下手。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，包括實驗室量級試驗、亞尺寸試驗、組件級試驗和全尺寸試驗，多做實驗室級試驗，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計的工況進行模擬而確定數(shù)值模擬方法的有效性，再應用于全尺寸實際工況。將物理模型試驗和數(shù)值模擬相結合，交叉參照，隨著數(shù)據(jù)的不斷積累，通過數(shù)值模擬進行準確預估的能力將不斷增強，全尺寸試驗最后將只作為預估結果的驗證性試驗而存在。

顯然，這種方法學是以對含能材料反應機理的精確認識為基礎的，包括大量的含能材料基礎性質(zhì)(如熱容、熱導、密度、熱膨脹、相變、模量、屈服強度等)以及熱分解、燃燒和爆轟反應的熱力學和動力學方程等。沒有扎實、深入、持續(xù)的基礎研究，這種方法學只能是空中樓閣。

5 結束語

通過上述分析，結論不言而喻：

(1)踏踏實實做好基礎研究，這沒有什么捷徑可走，也容不得投機取巧；

(2)轉(zhuǎn)變研發(fā)模式，加強建模和仿真，逐步實現(xiàn)數(shù)字化設計和虛擬試驗；

(3)緊密結合我國實際，加強自主分析，建立我國自己的評估標準體系；

(4)加強頂層設計，打破專業(yè)隔閡，系統(tǒng)推進不敏感彈藥的研發(fā)和應用。