ü 引用本文
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引用格式：殷瑱， 闻泉， 王雨时， 等.北约不敏感弹药标准试验方法[J].兵器装备工程学报，2016(10):1-7.
Citation format： YIN Zhen, WEN Quan, WANG Yu-shi, et al.Standard Experiment Method of Insensitive Munition in NATO[J].
Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):1-7.
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作者简介：殷瑱(1990—)，男，硕士研究生，主要从事特种机械技术研究。
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北约不敏感弹药标准试验方法
殷 瑱， 闻 泉， 王雨时， 张志彪， 闫 丽
(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)
摘要：为了提高弹药安全性，推进我国不敏感弹药技术的发展和试验评估体系的制定，综述了北约不敏感弹药标准试验方法和评估体系，介绍了不敏感弹药试验程序的设计方法和应用现状。为探索和开创我国不敏感弹药的发展提出了几点意见：发展不敏感弹药技术应从国家政策方面逐层推进，形成各方面共识；处理好不敏感、威力与成本的关系，在不降低性能的前提下尽可能降低成本；不敏感弹药标准试验方法和评估体系的制定应充分借鉴国外不敏感弹药的标准试验方法和评估体系。
关键词：不敏感弹药；评估标准；试验方法；安全性；北约
中图分类号：TJ410.1 文献标识码：A 文章编号：2096-2304(2016)10-0001-07
Standard Experiment Method of Insensitive Munition in NATO
YIN Zhen, WEN Quan, WANG Yu-shi, ZHANG Zhi-biao, YAN Li
(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)
Abstract：In order to improve the safety of munition and help to promote the development of insensitive munition technology and establishment of experiment evaluation system, the standard experiment method and assessment system of insensitive munition in NATO was summarized and the design method and application status of insensitive munition was also introduced. For making a big difference of insensitive munition technology in China, some suggestions were put forward. Firstly, it should be gradually carried forward in national so that reach a consensus in all aspect. Secondly, the relationship between performance and cost was of great importance, which should be carefully managed, and besides the existing experiment method and evaluation system in NATO should be fully adopted.
Key words：insensitive munition; evaluation standard; experiment method; safety; NATO
随着现代战场环境日趋复杂，各国对于武器系统的要求越来越苛刻[1-3]。特别是从20世纪60年代以来，弹药在生产、运输、贮存和训练过程中因意外跌落、火灾等刺激而发生燃烧、爆炸使得人们更加重视弹药的安全性[4-8]。
为了降低己方人员在备战或作战情况下的意外伤亡概率，为弹药的采购、升级和装备提供建议，1973年美国率先开始发展不敏感弹药[9-10]。不敏感弹药(insensitive munition)又称钝感弹药，其内的火炸药称为低易损性火炸药(low vulnerability explosives)。在随后的几十年里，以美国为主的西方国家都非常注重不敏感弹药的研制，提出了不敏感弹药的安全性评定准则，并根据不敏感弹药在生命周期内可能遭遇的威胁建立了弹药安全性试验方法和评估体系[11-12]。目前世界上有6种主要的弹药安全性评估体系，分别是北约不敏感弹药评估和试验标准体系、美国MIL-STD-2105D非核弹药危险性评估试验标准体系、法国DGA/IPE 211893 弹药需求测试试验标准体系、英国JSP520弹药安全性试验考核标准体系、德国BM-VG弹药安全性试验考核标准体系和意大利DG-AT安全性试验考核标准体系。其中英国和德国借鉴并遵从北约的不敏感弹药评估和试验标准，意大利结合了北约和法国的弹药安全性试验考核标准[13]。与国外相比，我国在不敏感弹药研究方面起步较晚。21世纪初期中国工程物理研究院化工材料研究所在借鉴美国军用标准MIL-STD-2105C的基础上，对小尺寸模拟弹药进行了快速烤燃、慢速烤燃、聚能射流冲击、枪弹射击、碎片撞击和殉爆试验等安全性试验研究[14]。江明等[15]针对某型导弹战斗部，探索性提出慢速烤燃、快速烤燃、枪弹撞击和12 m跌落等安全性试验方法，搭建了相关的试验系统，并制定了评估准则。总的来说，我国弹药安全性试验系统还不够成熟，而且缺少公认的试验方法和评估标准。
为了有助于推进我国不敏感弹药安全性试验方法和评估标准的研制进程，本文分析了北约不敏感弹药标准试验评估体系，并简要介绍了上述不敏感弹药试验方法的应用，试图为了解不敏感弹药提供帮助，并为我国不敏感弹药试验标准体系制定提供参考。
1 不敏感弹药试验程序设计
设计不敏感弹药评估程序应明确以下4项关键因素：① 受试弹药及其试验装置的状态描述，包括弹药的设计信息、包装状态、含能材料组分、弹药的预定用途等；② 不敏感弹药在生命周期内环境威胁源的描述，如热威胁、机械冲击威胁等；③ 制定不敏感弹药的评估方法和评估决策程序；④ 记录或观察弹药面临威胁刺激时的响应，并判断是否满足不敏感弹药要求。
2010年北约标准化局制定了STANAG 4439《Policy for Introduction and Assessment of Insensitive Munitions(IM)(不敏感弹药引入和评价政策)》[16]，规定在标准化协议上签字的国家必须在国家政策上发展不敏感弹药，而且今后所有装备部队的弹药必须按照该协议要求进行试验和评估，只有试验通过后的弹药才能服役。表1为STANAG 4439提出的不敏感弹药要求，其中反应类型由AOP-39《Guidance on the Assessment and Development of Insensitive Munitions(IM)(不敏感弹药评价和研发指南)》确定[17]。
表1 北约规定的不敏感弹药所受刺激与要求[16]
2 不敏感弹药试验方法
由表1可知，弹药安全性试验可分为热安全性试验(快速烤燃、慢速烤燃)、机械安全性试验(枪弹射击和碎片冲击)、冲击波安全性试验(殉爆)等。目前北约不敏感弹药试验方法标准中，对于快速烤燃试验、慢速烤燃试验、枪弹射击试验、碎片撞击试验和聚能射流冲击试验均给出两种试验程序。其中一种是标准试验程序，用来评估全尺寸弹药的反应程度，另一种是裁剪试验程序，根据弹药配置和结构参数通过威胁危险评估确定的试验程序。
试验前应明确试样质量、尺寸、质心、装药量和装药类型等。为了保证试验结果的可靠性，通常准备的试验样品应该是批量生产的。此外，还应准备好试验的测试设备，如温度测量装置、测速装置、高速摄影机、普通摄像机、红外摄像机和冲击波数据采集系统等。对于弹药的控制系统等非爆炸部件，可以采用相同几何尺寸和等导热系数结构代替。试验前后应对试验系统进行拍照并预留试验的静态图像，为反应程度评估提供依据。为保证测试结果的准确性，试验过程中应尽量避免极端的环境条件(如风、雨和雪等)。
2.1 快速烤燃试验(Liquid Fuel/External Fire,Munition Test Procedures)
快速烤燃试验用来模拟弹药或者武器系统在储运和战备状态下出现意外失火所发生的反应[18]。标准试验程序是将试样安装在一个装有液体燃料的大尺寸开放型燃烧池的中心进行燃烧试验(要求试验时火焰的平均温度达到800℃)，直至反应结束。
试样水平放置在燃烧池中心，试样两端与池壁有1 m的间隔。试验开始前，试样表面和燃油表面之间的距离应不小于0.3 m，为了控制燃油面与试样面之间的距离，可以通过压力软管向燃烧池加水。但应保证试验过程中水面上的燃油厚度至少在15 mm以上，而且试样能够完全浸没在火焰中。燃烧池中所使用的燃料通常为牌号JP-4、JP-5、Jet A-1、AVCAT(NATO F-34或F-44)的煤油或商业煤油(Class C2/NATO F-58)，储备的燃油量应为预计反应时间的1.5倍。为保证试样能够完全被火焰吞没，试样周围的风速不能超过10 km/h，而且试验应尽量避开降雨和降雪等恶劣天气。试验中温度测试设备采用4个能够承受1 200 ℃高温的K型铠装热电偶，其中两个热电偶用来测量燃油燃烧30 s后温度达到550℃的过程，550℃以上直到反应结束用另外两个热电偶测量。
裁剪试验程序也称为小型燃料着火试验(Mini Fuel Fire Test)。与标准试验相比，小型试验装置是将试样放置在一个长×宽×高为2 m×2 m×0.4 m方形燃烧炉中进行燃烧试验，试验装置如图1所示。燃烧炉4个拐角处预留了8个空心槽，用于安装4个可移动的翼板。翼板由高为0.5 m的矩形钢板和沿轴线偏移30o，高为0.75 m、厚为8 mm加长钢板组成，其中矩形钢板在高压下可膨胀。
图1 裁剪试验的燃烧炉立体图
裁剪试验程序要求试样最大长度不能超过630 mm，质量不能超过50 kg。试样水平放置在燃烧炉中心，试样表面与燃油表面的距离应在375～425 mm。燃料采用AVCAT(NATO F-34或F-35)军用煤油或商业煤油(Class C2/NATO F-58)。为了防止周围风向变化影响火焰方向，试验时风速不能超过5 km/h，试验场地应尽可能平坦，周围的树和建筑与燃烧炉的距离至少为燃烧炉高度的20倍，最好是大于燃烧炉高度的30倍。试验过程中翼板的加长钢板与燃烧炉垂直面呈70°夹角。试验时，压力测量装置与燃烧炉中心的距离至少为5 m。温度测量设备与标准试验程序相同，将它们分别安装在试样中心的相同高度处，并与试样每条侧边相距40 ～60 mm。在燃烧炉的对角线位置通过控制烟火装置点燃燃料。为了保证火焰传播速率，在每个点火位置至少预留10 kg的燃料。
准备工作完成后，将所有人员疏离至安全位置，然后启动同步点火控制系统和测试设备，并记录有关测试数据和图像数据。待试样反应结束30 min后，经确定无异常，相关人员进入现场查看试样状态，并对其拍照，记录反应后残骸或碎片的抛射位置及尺寸。
2.2 慢速烤燃试验(Slow Heating Munition Test Procedures)
慢速烤燃试验用于模拟在储运和战备状态下，环境温度缓慢升高时弹药或武器系统发生反应的温度、时间和响应程度[19]。标准试验程序是先以5℃/h的升温速率将慢烤试验箱加热至50℃，并维持8h，然后以3.3℃/h的升温速率加热试样直至发生反应。而裁剪试验程序由威胁危险评估(Threat Hazard Assessment)程序决定。
标准试验程序是将试样放置在一个简易的慢烤试验箱内，用循环加热的空气进行加热。试验箱能够以恒定的速度将空气加热到预定的温度范围，并在试样周围形成循环，流入和流出的空气温差不超过5℃。为使试样加热均匀，试样与试验箱内壁每侧应留有至少200 mm的间隙。试验中至少使用两组(4个)热电偶对试样表面进行监控，热电偶安装在试样相对称的两个外表面上，如图2所示。
裁剪试验程序不需要预热过程，试验开始前如果危险评估分析已知一个具体的升温速率适合慢速烤燃试验，就可以直接选用该升温速率，否则可取默认值25℃/h作为慢烤试验的升温速率。2012年加拿大试验小组对装有绿色不敏感炸药XRT(experimental rubbery TNT)的105 mm炮弹进行安全性试验，XRT是在熔融浇铸过程中将热塑性弹性体以一定比例熔解在B炸药或奥古托尔炸药合成而成[20]。图3为慢速烤燃试验装置，试验时试验箱的加热速率为25℃/h，在试验前30 min内将试验箱内温度升至100℃，并维持90 min。
图2 试验箱中热电偶安装位置
图3 不敏感弹药慢速烤燃试验装置
试样反应过程中对热电偶测量的温度至少每分钟记录一次，以准确记录弹药反应温度和时间，并用视频录像设备记录整个反应过程中弹药结构的变化。
2.3 枪弹射击试验(Bullet Impact,Munition Test Procedures)
枪弹射击试验用于模拟弹药在储运和战备状态下受到轻型武器攻击的反应程度[21]。标准的枪弹射击试验是采用口径为12.7 mm的M2穿甲弹对试样进行连续3次射击。为了保证枪弹的飞行稳定性，试验时枪弹与试样的距离应在20～30 m的范围内。枪弹的射击速度约为(850+20) m/s，转速在(600+50) r/min，枪弹的发射间隔为(80+40) ms。裁剪试验程序由威胁危险评估(THA)程序决定。
试验前根据弹药在生命周期最可能受到枪弹射击的位置，确定枪弹射击方向和试样放置方式。一般情况下试样处于卧式放置，枪弹射击方向与试样的最长轴线垂直。为确保试验装置能正常工作并且在要求的射击速度范围内，试验前可以试射三发枪弹。试验过程中至少进行两发试验，其中一发是对装药量最大的部位射击，另一发是对冲击最敏感的部位射击。为了提高射击精度，可在试样上标记一个直径为5 cm 的圆。为防止试样因枪弹撞击而偏离，需要在试样上设计限位装置，以免发生危险，限位装置不能影响试样破裂。图4为加拿大试验小组进行枪弹射击的试验结果，试验时采用0.5 mm 口径的AP M2枪弹射击，枪弹射击速度为(850+30) m/s。
图4 不敏感弹药枪弹射击的试验结果
2.4 碎片撞击试验(Fragment Impact,Munition Test Procedures)
破片撞击试验用于模拟弹药在储运和战备状态下受到碎片撞击(轻质碎片和重质碎片)时可能的响应及破坏形式[22]。标准的试验程序采用一块质量为18.6 g带有锥角的圆柱形钢制破片以2 530 m/s速度撞击试件，破片尺寸如图5所示。如果威胁危险评估表明弹药在其生命周期受到高速破片冲击的概率极低(<0.000 1)，可使用裁剪试验，将撞击速度改为1 830 m/s。
图5 破片二维尺寸图
为防止弹药在撞击时位置发生变化，应将弹药固定，但固定装置不能影响试样的反应程度。试验前应进行一次试射，以验证破片的速度是否满足要求。破片的撞击方向应沿试样表面法向。最多进行两次试验，撞击点位置分别位于装药量最大的部位和装药感度最高的部位，如果威胁危险评估表明撞击到最敏感位置的可能性很小，则只需撞击装药量最大的部位。
2.5 聚能射流冲击试验(Shaped Charge Jet,Munition Test Procedures)
聚能射流冲击试验用于模拟弹药在储运和战备状态下受到聚能射流冲击反应程度[23]。标准试验程序中试样受50 mm射流弹或具有相同V2d值战斗部的射流冲击。裁剪试验中由威胁危险评估(THA)决定聚能射流战斗部类型。试验发现，射流速度的平方和射流直径的乘积(V2d)与射流冲击强度呈正比关系。为了便于北约各成员国之间的信息交换，STANAG 4526给出了4种标准的威胁类型，如表2所列。
表2 铜喷嘴射流的标准化V2d值
聚能射流试验并非适合所有类型的弹药，受试弹药应根据STANAG4439和危险分类进行安全性评估，确定是否进行试验。对于装有含能材料的弹药，该试验仅适合含能材料的爆轰失效直径大于射流直径的弹药，因为装有失效直径小的含能材料的弹药(包括大部分战斗部)一般不能通过射流冲击试验。如果危险评估能确定弹药反应程度低于Ⅰ类(爆轰)或Ⅱ类(部分爆轰)，就没有必要为证实射流冲击的破坏程度而进行试验。聚能射流冲击的方向应穿过含能材料的最长路径，而不像枪弹射击和碎片撞击那样需向装药感度最高的部位撞击。
典型的射流冲击试验配置如图6所示，包括射流弹、调节板、试样、屏蔽层和见证板等。通常为了实现理想的V2d值，可在射流弹和试验弹药间安装调节板以改变射流速度。采用调节板，在极小的情况下会产生碎片，产生的碎片将影响试样反应，故为减小碎片对试验结果的影响，试验时应保证试样与调节板间的距离为射流直径的2倍。为准确评估试样的反应，应根据碎片类型和速度决定采用何种材料的见证板，如对钢制壳体的大型弹药至少使用25 mm厚的钢见证板，而对铝制壳体或薄的钢制壳体使用铝见证板即可。试验时射流距离由危险评估程序决定，考虑到试验结果的再现性和可比较性，一般要求射流距离能够保证射流微粒在遇到试样的含能材料前不会碎化。图7为加拿大试验小组进行聚能射流冲击试验的试验装置。
由于聚能射流冲击试验中射流颗粒的速度、直径和侵彻能力以及调节板的位置等都会对V2d的值产生较大影响。根据近几年国外不敏感弹药和含能材料技术峰会的信息可知，目前北约国家在聚能射流冲击试验方面尚未达成一致意见，具体的试验装置和试验步骤还未制定[24]。如美国采用装有炸药LX-14的81 mm射流装置，而法国和德国分别采用CCEB62和75 mm PG-7射流装置。图8和图9分别为CCEB62和PG-7的实物图。
图6 射流冲击试验的配置图
图7 不敏感弹药聚能射流冲击试验装置
图8 法国NEXTER公司制造的CCEB62
图9 德国的射流冲击装置PG-7
2.6 殉爆试验(Sympathetic Reaction,Munition Test Procedures)
殉爆试验用于模拟弹药在储运和战备状态下，当主发装药发生最坏反应(爆轰)时，一个或多个被发装药的响应程度[25]。通过殉爆试验可以明确弹药对殉爆反应的敏感度以及为弹药包装和隔离设备提供有效指导。
殉爆试验中根据主发装药的类型而采用不同的引爆方式，通常包括聚能射流弹引爆和传爆序列引爆。
聚能射流弹引爆是通过将聚能射流弹安装在试样含能材料的相应位置，并将引爆控制系统与射流弹点火器连接，启动引爆控制系统，点火电流将传至点火器，起爆射流弹，进而引爆主发装药。对于火箭发动机和枪炮推进剂，常采用聚能射流弹引爆的方式可靠起爆主发装药。而对于其他弹药，则采用起爆传爆序列的方式引爆主发装药。
试验时主发装药应被被发装药包围，并且在周围堆放钝感试验件。如果主发装药与一个被发装药的体积超过0.15 m3，则需要2～3个被发装药。使用3个被发装药时，其中两个应处于对角攻击的位置，如图10所示。在包装的情况下，一般不用钝感试验件代替被发装药。图11为加拿大试验小组进行殉爆试验的试验装置。
D.主发装药； I.钝感试验件； A.被发装药
图10 殉爆试验中弹药的存储堆放形式
图11 不敏感弹药聚能射流冲击试验装置
试验前弹药应经过高温或低温预处理，温度值由生命周期评估、STANAG 2895和AECTP-200决定。殉爆距离一般与供体弹药的激发能力、受体弹药接受激发的能力和它们之间的传播介质有关，试验时主发装药与被发装药间的距离应与服役状态时相同。为了模拟弹药实际贮存状态时的约束作用，试验时可以通过改变试样与钝感试验件的比值来实现。
3 不敏感弹药试验评估程序
为了解含能材料在经受威胁时的响应特性和弹药之间的相互作用，在评估弹药对威胁的响应时引入了危险性评估程序。一旦威胁被确定并量化，评估程序将给出刺激可能的导向通道。由于评估程序以流程图的方式呈现弹药的真实反映情况，比“通过”/“不通过”的危险评估方式更为可靠，所以北约标准化协议通常采用此方式来评估弹药的反应程度。试验时通常根据试样的残骸、碎片抛射情况和含能材料的消耗情况等判定试验的反应类型，图12为判定弹药反应类型的简易流程图[26]。
图12 安全性试验判定反应类型的简易流程
4 不敏感弹药试验方法应用
美国、英国、法国和加拿大等多个国家已对多种型号的导弹进行了安全性评估，其中美国仅海军就有超过40种弹药系统采用了不敏感弹药技术，并进行了全弹或子系统的安全性试验，如战斧导弹、MK-73标准导弹、改进海麻雀导弹、响尾蛇导弹等。此外，美国陆军60 mm 口径M720E1迫击炮弹、70 mm口径火箭弹、M67和ASM手雷、105 mm口径坦克炮弹、155 mm 口径榴弹、M46型203 mm口径榴弹、海军MK-46鱼雷和空军MK-80系列航空炸弹、AGM-84空对地导弹等；法国陆军LU-211 155 mm口径炮弹、MU-90LW鱼雷和海军CBEMS/BANG125等，近些年在不敏感弹药技术研究方面也取得许多重要进展[27-29]。
20世纪90年代，美国曾对爱国者先进能力-3(PAC-3)导弹开展了一项钝感弹药/最终危险分类综合试验计划，并进行了一系列缩比尺寸试验。根据缩比试验和危险分类的结果，在1997～1998年对PAC-3导弹的杀伤增强器(LE)、姿态控制系统(ACS)和发动机分别进行了全尺寸试验，其中包括枪弹射击试验、碎片撞击试验、殉爆试验和快速烤燃试验。试验结果发现，固体火箭发动机受到意外刺激时最易出现爆燃等现象。
为了提高通用导弹用固体火箭发动机的不敏感特性，降低对热刺激及机械刺激的响应程度，美国Aerojet公司通过理论计算及全尺寸评估，对固体火箭发动机进行了安全性方面的改进，包括使用复合材料壳体、低温点火器、内部绝热及喷涂发泡型防火涂料。该公司设计并制造了一系列直径不等(120～230 mm)的固体火箭发动机验证机，并对其进行了安全性试验。试验结果表明，发动机经改进后，受撞击时产生的抛射物和超压值大幅度降低，烤燃试验时的反应程度也低于燃烧[13]。
5 结束语
多年来，世界各国发生的一系列弹药安全性事故都在宣示弹药安全的重要性。如今，不敏感弹药已成为国际军事发展的潮流，西方发达国家在不敏感弹药试验方法和评定准则方面已取得重要进展。虽然在部分试验方法方面，如聚能射流冲击试验，由于技术水平等原因导致北约国家不敏感弹药试验方法或装置有所区别，尚未达成一致协定，但是各国仍保留有自己的实施办法。相比而言，我国在不敏感弹药领域与世界发达国家之间尚存在较大差距，不敏感弹药的研究还处于起步阶段，尚未建立严格的不敏感弹药试验和评估的标准体系。
为了促进我国不敏感弹药的发展，降低弹药潜在危险，应从国家政策层面逐级推进，明确各军种的弹药安全性需求，在不降低性能的基础上提高弹药对危险刺激的可接受程度。在标准体系制定方面应充分借鉴国外不敏感弹药的试验体系和评定准则，降低人力、财力成本，加快研究进程。
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