空空導(dǎo)彈上艦制動(dòng)沖脫安全性評(píng)估方法研究

摘 要： 空空導(dǎo)彈的火工及動(dòng)力部件在制動(dòng)沖脫條件下的安全性， 是制約空空導(dǎo)彈上艦的關(guān)鍵因素之一， 而實(shí)際應(yīng)用上還沒有能定量評(píng)估制動(dòng)沖脫條件下彈藥安全性的方法。 本文基于FLL點(diǎn)火判據(jù)， 依托大樣本的標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)以及小樣本的整機(jī)制動(dòng)沖脫試驗(yàn)， 建立了制動(dòng)沖脫彈藥安全性評(píng)估方法， 解決了無法定量評(píng)估制動(dòng)沖脫彈藥安全性的技術(shù)難題， 并結(jié)合制動(dòng)沖脫試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 提供了評(píng)估計(jì)算實(shí)例， 評(píng)估計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果較吻合。

關(guān)鍵詞： 空空導(dǎo)彈； 制動(dòng)沖脫； 安全性評(píng)估

中圖分類號(hào)： TJ760

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 1673-5048（2024）05-0128-05

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2024.0008

0 引 言

航空母艦等高價(jià)值海上作戰(zhàn)平臺(tái)對(duì)上艦航空彈藥安全性的要求越來越嚴(yán)苛［1-2］， 當(dāng)航空彈藥隨艦載機(jī)著艦意外制動(dòng)沖脫時(shí)， 要求保證彈藥不燃不爆。 空空導(dǎo)彈的火工及動(dòng)力部件在制動(dòng)沖脫條件下的穩(wěn)定性問題， 是空空導(dǎo)彈上艦安全性的關(guān)鍵因素之一， 制動(dòng)沖脫條件下如何較準(zhǔn)確地定量評(píng)估彈藥的安全性具有較大應(yīng)用意義。

制動(dòng)沖脫條件下導(dǎo)彈的分離速度約為67 m/s， 導(dǎo)彈在該速度條件下與垂直鋼板撞擊過程中， 涉及高動(dòng)態(tài)熱-力-化耦合作用下彈藥非沖擊點(diǎn)火與反應(yīng)演化機(jī)理等基礎(chǔ)性問題。 為建立該物理化學(xué)模型， 需要建立比較準(zhǔn)確的彈藥動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型［3-8］； 另外， 非沖擊點(diǎn)火引發(fā)炸藥點(diǎn)火的主導(dǎo)機(jī)制不再是沖擊波壓縮， 而是剪切和摩擦機(jī)制， 需要建立合適的彈藥點(diǎn)火機(jī)制模型［9-11］。 由于該問題的復(fù)雜性， 理論上給出非沖擊點(diǎn)火的判據(jù)來指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用存在較大困難。

本文基于非沖擊點(diǎn)火判據(jù)， 建立了一套制動(dòng)沖脫條件下彈藥安全性評(píng)估的方法。

1 制動(dòng)沖脫試驗(yàn)條件和安全性評(píng)估對(duì)象

制動(dòng)沖脫試驗(yàn)是模擬艦載機(jī)在降落制動(dòng)時(shí)外掛彈藥由于慣性意外沖脫掛架， 與艦面甲板及艦島發(fā)生高速撞擊的過程。 因此， 制動(dòng)沖脫試驗(yàn)的條件與艦載機(jī)著艦降落的姿態(tài)、 速度以及航空母艦的甲板狀態(tài)等均有關(guān)。

全彈制動(dòng)沖脫試驗(yàn)時(shí)， 一般將火箭橇作為試驗(yàn)件和相關(guān)測(cè)試裝置的載體， 火箭橇沿地面滑軌以一定的速度滑行， 達(dá)到規(guī)定速度后采用爆炸螺栓分離火箭橇和試驗(yàn)彈， 使試驗(yàn)件按規(guī)定的條件撞擊鋼板， 模擬艦載機(jī)在航空母艦等平臺(tái)上著艦過程中彈藥意外沖脫的工況， 考核彈藥從艦載機(jī)意外沖脫后與甲板及設(shè)施設(shè)備撞擊后的安全性。 全彈制動(dòng)沖脫試驗(yàn)示意圖如圖1所示。

全彈制動(dòng)沖脫試驗(yàn)條件如下：

（1） 試驗(yàn)件的安裝方式應(yīng)不影響彈橇分離， 且安裝后試驗(yàn)件的最低點(diǎn)距水平鋼板的垂直距離應(yīng)為1.5 m；

（2） 試驗(yàn)件在火箭橇上的安裝角度為10°～15°；

（3） 彈橇分離速度為240 km/h±10 km/h（66.7m/s±2.7 m/s）；

收稿日期： 2024-01-15

*作者簡(jiǎn)介： 周光巍（1984-）， 男， 河南商丘人， 碩士， 高級(jí)工程師。

（4） 試驗(yàn)件在與水平鋼板撞擊點(diǎn)后方12～18 m處， 還應(yīng)撞擊在垂直鋼板上。

試驗(yàn)件安裝示意圖如圖2所示。

航空兵器 2024年第31卷第5期

周光巍， 等： 空空導(dǎo)彈上艦制動(dòng)沖脫安全性評(píng)估方法研究

對(duì)于空空導(dǎo)彈而言， 影響制動(dòng)沖脫安全性的彈藥主要有火工部件和動(dòng)力部件。 按照?qǐng)D1所示開展制動(dòng)沖脫試驗(yàn)時(shí)， 由于在導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)布局上， 火工部件位于導(dǎo)彈中部， 動(dòng)力部件位于導(dǎo)彈后部， 根據(jù)理論分析以及整機(jī)制動(dòng)沖脫摸底試驗(yàn)來看， 制動(dòng)沖脫過程中不會(huì)擠壓到動(dòng)力部件， 受影響最大的是火工部件， 火工部件是影響制動(dòng)沖脫彈藥安全性的最薄弱環(huán)節(jié)。 所以， 本文以火工部件作為安全評(píng)估對(duì)象。

2 彈藥上艦制動(dòng)沖脫安全性要求

機(jī)載彈藥是艦載機(jī)主要作戰(zhàn)武器， 在航空母艦上各種正?；虍惓－h(huán)境作用下安全使用， 不但是影響航空母艦安全的重要因素， 而且是影響航母作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵。 美國(guó)航空母艦就曾因機(jī)載彈藥造成多次重大安全事故。 例如， 1953年， 美國(guó)戰(zhàn)機(jī)在航空母艦上降落時(shí)導(dǎo)彈意外沖脫爆炸， 造成多人死亡； 1967年， “福萊斯特”號(hào)上的F-4“鬼怪式”戰(zhàn)斗機(jī)意外發(fā)射1枚“阻尼”火箭彈， 造成134人死亡； 1981年， 一架EA-6B“徘徊者”電子戰(zhàn)飛機(jī)在“尼米茲”號(hào)航空母艦著艦時(shí)與3架F-14“雄貓”戰(zhàn)斗機(jī)相撞， 造成14人死亡， 多架飛機(jī)受損［12］。 美國(guó)海軍在經(jīng)歷了一系列重大的彈藥安全事故后， 為降低災(zāi)難事故發(fā)生的概率， 提出了鈍感彈藥的概念， 通過彈藥的鈍感設(shè)計(jì)， 降低彈藥在熱、 機(jī)械、 沖擊波等意外刺激下的反應(yīng)等級(jí)。 其中MIL-STD-2105D［13］《非核彈藥危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)》、 STANAG 4439［14］《不敏感彈藥評(píng)估和政策介紹》給出了快速烤燃、 慢速烤燃、 子彈撞擊、 破片撞擊、 射流撞擊、 殉爆等6項(xiàng)不敏感彈藥反應(yīng)等級(jí)要求， 如表1所示。

艦載機(jī)在降落制動(dòng)過程中， 其外掛的各類彈藥在慣性力作用下具有沖脫掛架的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。 在極端情況下， 外掛彈藥由于慣性會(huì)沖脫掛鉤， 可能與艦上甲板和艦島發(fā)生高速撞擊。 為保證航空母艦安全性， 要求彈藥制動(dòng)沖脫后不得發(fā)生燃燒及以上等級(jí)的反應(yīng)。 這對(duì)上艦彈藥的安全性設(shè)計(jì)和評(píng)估提出更高要求。

3 制動(dòng)沖脫安全性評(píng)估方法

對(duì)彈藥制動(dòng)沖脫安全性的評(píng)估主要基于制動(dòng)沖脫試驗(yàn)結(jié)果， 一般是通過其在試驗(yàn)后的反應(yīng)情況、 殘余物大小、 拋射位置以及含能材料的消耗情況等來判斷彈藥的反應(yīng)等級(jí)。 國(guó)內(nèi)將彈藥安全性反應(yīng)等級(jí)分為爆轟、 爆炸、 爆燃、 燃燒、 無反應(yīng)等五種， 各反應(yīng)等級(jí)對(duì)應(yīng)的判據(jù)如表2所示。 被試彈藥反應(yīng)等級(jí)判定方法如圖3所示［15］。

該方法只能用于制動(dòng)沖脫試驗(yàn)后的安全評(píng)估， 不能指導(dǎo)制動(dòng)沖脫試驗(yàn)前安全性設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)結(jié)果預(yù)估。 另外， 制動(dòng)沖脫試驗(yàn)過程涉及非沖擊點(diǎn)火問題， 目前還不能準(zhǔn)確建立彈藥動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型和非沖擊點(diǎn)火機(jī)制模型， 理論上還不能給出制動(dòng)沖脫安全性評(píng)估結(jié)果。

綜合點(diǎn)火判據(jù)建立制動(dòng)沖脫安全性評(píng)估方法， 可以用于制動(dòng)沖脫試驗(yàn)前的安全性設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)結(jié)果預(yù)估。

3.1 非沖擊點(diǎn)火判據(jù)

國(guó)內(nèi)外對(duì)非沖擊點(diǎn)火的判據(jù)進(jìn)行了研究。 其中， 文獻(xiàn)［16］給出的點(diǎn)火預(yù)測(cè)模型［16］如下：

C=σ0.66Aγ1.27t0.27（1）

式中： C為反映裝藥響應(yīng)嚴(yán)酷程度的綜合特征參量； σA為彈藥應(yīng)力； γ為剪切應(yīng)力； t為點(diǎn)火時(shí)間。

為便于安全評(píng)估， 文獻(xiàn)［17］基于炸藥晶體的點(diǎn)火熱流理論提出適用于局部撞擊的FLL點(diǎn)火判據(jù)：

C=σnA·v·tm（2）

式中： C， m， n均為無量綱參數(shù)； σA為彈藥應(yīng)力； v為撞擊速度； t為點(diǎn)火時(shí)間或加載脈寬。

由式（2）可知， 局部撞擊條件下彈藥的點(diǎn)火， 不僅與裝藥受到的應(yīng)力、 加載脈寬相關(guān)， 還與相對(duì)撞擊速度有關(guān)。 對(duì)于特定彈藥， 固定點(diǎn)火參數(shù)C時(shí)， 同一應(yīng)力條件下， 撞擊速度越高， 所需點(diǎn)火時(shí)間越短； 同一脈寬條件下， 應(yīng)力越低， 所需點(diǎn)火的撞擊速度越高； 同一撞擊速度條件下， 應(yīng)力越大， 所需點(diǎn)火時(shí)間越短。 其他點(diǎn)火參數(shù)不變的情況下， C值越低， 越容易發(fā)生點(diǎn)火， 安全性越差； C值越高， 安全性越好， 越不容易點(diǎn)火。

3.2 基于FLL點(diǎn)火判據(jù)制動(dòng)沖脫安全性評(píng)估方法

本文基于FLL點(diǎn)火判據(jù)， 綜合考慮大樣本的標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)以及小樣本的整機(jī)制動(dòng)沖脫試驗(yàn)， 建立了制動(dòng)沖脫彈藥安全評(píng)估方法， 如圖4所示。

該制動(dòng)沖脫安全性評(píng)估方法只能用于評(píng)估試驗(yàn)產(chǎn)品是否發(fā)生反應(yīng)， 不能確定試驗(yàn)產(chǎn)品發(fā)生反應(yīng)的等級(jí)。

但制動(dòng)沖脫試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)品不發(fā)生反應(yīng)， 發(fā)生燃燒及以上等級(jí)的反應(yīng)均為不通過， 對(duì)于反應(yīng)等級(jí)的關(guān)注度不高， 該評(píng)估方法可以制動(dòng)沖脫安全性評(píng)估。

3.2.1 大樣本的標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)

通過開展Steven標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)， 可以獲得不同撞擊速度下的點(diǎn)火時(shí)間， 數(shù)值擬合確定m， n和C0 值。 其中， 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)樣件要能反映整機(jī)試驗(yàn)中彈藥的約束條件和載荷類型。

需要說明的是， σA不是試驗(yàn)過程中標(biāo)準(zhǔn)件受到的平均應(yīng)力， 而是引發(fā)點(diǎn)火的炸藥顆粒局部真實(shí)應(yīng)力； 而測(cè)量局域化區(qū)域的真實(shí)應(yīng)力σA值比較困難， 但是彈藥晶體顆粒所受的局部真實(shí)應(yīng)力也不會(huì)無限升高， 對(duì)于強(qiáng)約束試驗(yàn)條件， 可以用HMX晶體的破壞強(qiáng)度σ0來代替， 其中σ0=300 MPa［17］。

running out based on FLL ignition criterion

3.2.2 小樣本的整機(jī)制動(dòng)沖脫試驗(yàn)

通過開展小樣本的整機(jī)制動(dòng)沖脫試驗(yàn)， 來獲取制動(dòng)沖脫試驗(yàn)過程中火工部件受到的撞擊速度以及加載脈寬。

樣本整機(jī)制動(dòng)沖脫試驗(yàn)過程如圖1所示。 如果將制動(dòng)沖脫條件下導(dǎo)彈的分離速度作為火工部件的撞擊速度較嚴(yán)酷， 因?yàn)閷?dǎo)彈是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)體， 導(dǎo)彈與垂直鋼板撞擊過程中， 火工部件前部的電子艙是一個(gè)緩沖體， 對(duì)火工部件的沖擊起到一定緩沖作用。 所以， 將導(dǎo)彈制動(dòng)沖脫過程的平均速度作為火工部件的撞擊速度較為合適。 火工部件的撞擊速度v1的計(jì)算公式如下：

v1=h1/t1（3）

式中： h1為試驗(yàn)過程中彈體的擠壓長(zhǎng)度； t1為火工部件反應(yīng)前的擠壓時(shí)間。

火工部件加載脈寬t2的計(jì)算公式如下［14］：

t2=h2/v1（4）

式中： h2為火工部件壓縮長(zhǎng)度； v1為火工部件撞擊速度。

3.2.3 安全性評(píng)估

獲得火工部件的撞擊速度以及加載脈寬后， 結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)確定的m和n值， 就可以根據(jù)FLL點(diǎn)火判據(jù)式（2）， 計(jì)算制動(dòng)沖脫試驗(yàn)過程中火工部件的C1值。

綜合比較C0和C1值的大小， 對(duì)制動(dòng)沖脫試驗(yàn)過程中火工部件的安全性進(jìn)行評(píng)估。 當(dāng)C1> C0時(shí)， 表明制動(dòng)沖脫試驗(yàn)彈藥反應(yīng)的概率較大， 需要改進(jìn)火工部件安全性設(shè)計(jì)； 當(dāng)C0> C1時(shí)， 表明制動(dòng)沖脫試驗(yàn)火工部件反應(yīng)的概率較??； 當(dāng)C1與C0值相近時(shí)， 表明制動(dòng)沖脫試驗(yàn)火工部件安全裕度不足， 也需要改進(jìn)火工部件安全性設(shè)計(jì)。

4 制動(dòng)沖脫安全性評(píng)估計(jì)算實(shí)例

4.1 大樣本的標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算

文獻(xiàn)［17］對(duì)JO-9159炸藥開展了大樣本的Steven標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)， 獲得的m， n和C0值如表3所示。

樣本火工部件的裝藥類型為JO-11， 其主要成分以及裝藥工藝與JO-9159相似， 安全性能相當(dāng)。 本文采用JO-9159炸藥的點(diǎn)火判據(jù)參數(shù)來對(duì)JO-11炸藥進(jìn)行安全性評(píng)估。

4.2 小樣本的整機(jī)制動(dòng)沖脫試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算

針對(duì)JO-11火工部件分別開展了整機(jī)帶模擬火工部件和真實(shí)火工部件的制動(dòng)沖脫試驗(yàn)， 其中真實(shí)狀態(tài)的火工部件發(fā)生了爆炸反應(yīng)。

通過測(cè)量3次整機(jī)帶模擬火工部件試驗(yàn)后的殘骸， 彈體擠壓長(zhǎng)度數(shù)據(jù)具有較大一致性， 均為0.8 m左右； 火工部件壓縮長(zhǎng)度為20～30 mm， 本文評(píng)估計(jì)算使用平均值25 mm。 依據(jù)高速錄像數(shù)據(jù)， 獲得整機(jī)帶真實(shí)火工部件制動(dòng)沖脫試驗(yàn)過程中， 火工部件反應(yīng)前的擠壓時(shí)間為18 ms。

綜上， 彈體擠壓長(zhǎng)度、 火工部件壓縮長(zhǎng)度、 火工部件反應(yīng)前的擠壓時(shí)間如表4所示。

根據(jù)式（3）， 計(jì)算得到火工部件的撞擊平均速度v1=44 m/s， 而引信制動(dòng)降落沖脫試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［18-19］中規(guī)定的速度大小為45.7 m/s， 二者速度大小基本一致。

根據(jù)式（4）， 計(jì)算得到火工部件加載脈寬t2=0.57 ms。

4.3 綜合計(jì)算評(píng)估

綜合JO-11火工部件的撞擊速度、 加載脈寬以及m和n， 根據(jù)FLL點(diǎn)火判據(jù)式（2）計(jì)算得到JO-11火工部件制動(dòng)沖脫過程的C1值為3 660。

由于C1值大于C0， JO-11火工部件開展制動(dòng)沖脫試驗(yàn)發(fā)生反應(yīng)的概率較大； 而帶真實(shí)JO-11火工部件的制動(dòng)沖脫試驗(yàn)也發(fā)生了爆炸反應(yīng)， 與文中的評(píng)估結(jié)果一致。

JO-11火工部件開展制動(dòng)沖脫試驗(yàn)發(fā)生反應(yīng)后， 火工部件主裝藥換成GO-2， 理論上該裝藥的抗沖擊和變形能力是JO-11火工部件的1.5倍， 其點(diǎn)火判據(jù)的C值為4 500左右， 該值遠(yuǎn)大于火工部件制動(dòng)沖脫過程的C1值， GO-2火工部件制動(dòng)沖脫試驗(yàn)反應(yīng)的概率較??； 而帶真實(shí)GO-2火工部件的制動(dòng)沖脫試驗(yàn)未發(fā)生反應(yīng)， 與文中的評(píng)估結(jié)果一致。

5 結(jié) 論

本文基于FLL點(diǎn)火判據(jù)， 依托大樣本的標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)以及小樣本的整機(jī)制動(dòng)沖脫試驗(yàn)， 建立了制動(dòng)沖脫彈藥安全性評(píng)估方法。 該評(píng)估方法操作簡(jiǎn)單， 解決了無法定量評(píng)估制動(dòng)沖脫彈藥安全性的技術(shù)難題。 本文結(jié)合制動(dòng)沖脫試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 提供了評(píng)估計(jì)算實(shí)例， 從評(píng)估結(jié)果來看， 該評(píng)估方法與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果較吻合。 為進(jìn)一步提高制動(dòng)沖脫彈藥安全性評(píng)估的準(zhǔn)確性， 下一步可以考慮基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來覆蓋試驗(yàn)實(shí)施的分散性和裝藥點(diǎn)火的不確定性， 給出一定置信度條件下的定量評(píng)估結(jié)果。

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Research on Safety Evaluation Method for Braking and Inertial

Running out of Air-to-Air Missile on Aircraft Carrier

Zhou Guangwei*， Wang Haibo， Chen Qingci， Zhou Yage

（China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China）

Abstract： The safety of the pyrotechnic and power components of air-to-air missiles under braking and inertial running out conditions is one of the key factors that restrict the launch of air-to-air missiles on aircraft carriers. How-ever， there is no quantitative method for evaluating the safety of ammunition under braking and inertial running out conditions in practical applications. Based on the FLL ignition engineering criterion， relying on standard part test of large sample and whole mijRgdgYlpQ1MzM9IRi0lV6nZ+CqKsdrMy2cc/OhnTey8=ssile braking and inertial running out test of small sample， a safety evaluation method of braking and inertial running out for ammunition is established， and the technical issue of braking and inertial running out for ammunition safety that can not be quantitative evaluated is resolved. An example of evaluating computation is showed together with the data from braking and inertial running out test， and the evaluation results are in good agreement with the actual test findings.

Key words： air-to-air missile； braking and inertial running out； safety assessment