关于不敏感弹药的几点认识

王晓峰

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

引言

“没有生存就没有战斗力”，弹药在实战条件下一旦发生安全事故，将对己方人员、装备、武器平台造成不可估量的重大损失，甚至决定战争胜负。20世纪中期发生在航母、舰载机、驱逐舰上的几次重大事故，使各国高度重视弹药的安全问题，不敏感弹药在此背景下获得快速发展[1]。

1984年，美国海军率先公布了明确的不敏感弹药政策，引发了世界范围内弹药设计技术的一场革命。1987年，美国三军武器采购部门签署协作备忘录，形成对不敏感弹药的共同要求。1989年，北约成立不敏感弹药信息中心，促进弹药技术向不敏感转化。经过多年在政策上的大力推进和技术上的深入工作，美国及北约很多现役装备已经达到了不敏感弹药标准。

随着我军立足于实战的要求逐步推进，海、空、陆、火箭军等均对现役及在研弹药的安全性提出了更高要求。以不敏感火炸药为核心的弹药技术领域得到高度重视，取得了显著进展，但在此过程中，也暴露出一些突出问题：

(1)过分依赖对国外政策、标准和方法的学习与借鉴，而没有深入研究其产生的背景和逻辑，更没有结合我国的具体情况进行深入分析，从而缺乏顶层谋划和系统考虑；

(2)过于关注产品研制且多为仿研，反应机理及其成长规律等基础研究薄弱，很多研究者甚至对概念理解欠缺，从而缺乏设计理论和设计准则；

(3)基本采用试验型的研发模式，只满足通过所谓的“标准”试验考核，未掌握控制要素和边界条件，从而缺乏评估的科学性和可靠性。

上述问题导致在相关研究领域看似成果频出、一片繁荣，实则浅尝辄止、暗藏危机。这很让人忧心。我们有必要在最基本的认识层面正本清源、达成共识。本文将我个人的几点认识总结如下，抛砖引玉，以供讨论和批评，希望能在这方面深入研究，为我国不敏感弹药的发展尽一份力量。

1 不敏感弹药的概念

不敏感弹药，英文为Insensitive Munitions，缩写为IM。国外对不敏感弹药的定义为：能可靠实现其性能、战备和作战要求，在经受意外刺激时能将反应的剧烈程度及其产生的破坏程度减至最小的一类弹药。

不敏感弹药的概念将对刺激的响应水平和刺激的发生概率两个概念联合在了一起，即：

风险(Risk)=危险(Hazard)× 概率(Probability)

降低弹药面对意外或预期威胁时的风险，可以通过以下两种方式来实现：一是降低弹药的易损性，而弹药的易损性与其所用的含能材料的感度密切相关，即降低其所用含能材料的感度；二是降低弹药(即含能材料)反应时的响应(破片、压力波、热流等)水平，而含能材料的响应与其反应机理和反应模式密切相关，即调控含能材料的反应模式。

显然，在当前，即使采用感度最低的含能材料，在外界刺激作用下，也无法保证引发反应的零概率，就算是在采用了惰性防护的情况下也是如此。因此，降低风险的主要途径当然就是降低含能材料的响应水平，这可能是能够有效降低风险水平的最重要的改进点[2]。

从不敏感弹药的定义可以看出，它强调的不仅仅是感度，更关注响应的剧烈程度。例如，“耐热”和“耐烤燃”就是两个概念。国外专家也反复强调，IM不是“安全”(safe)，而是“低烈度”(less violent)。其优势是不引发大范围次生破坏，能够提高武器平台的战场生存能力；可将对周围设施的危害降到最低，并可增加库存量，具有后勤保障的优势；降低危险等级，可降低运输成本及减少贮存、处理的用地面积，具有潜在的成本优势。

这也就是我们把Insensitive Munitions翻译成“不敏感弹药”而不是“钝感弹药”的原因：一方面，从中英文构词来说，insensitive表示的是一种状态，译成“不敏感”是准确的，而“钝感”在中文中偏于表示一种行为动作，与英文“desensitize”对应性更强；另一方面，更重要的是，在火炸药行业里，“钝感”的概念更偏重于降低感度，即提高敏感性阈值，用来表示含有反应烈度内涵的Insensitive Munitions，易引起误导。

此外还需强调的是，我们现在所说的“安全弹药”，是一个内涵更加丰富、范畴更加广阔的概念，包括了不敏感弹药的概念，如果把“安全弹药”仅仅解读为“不敏感弹药”，或者认为“不敏感弹药”就是“安全弹药”，都是不合适的。

2 不敏感弹药的核心和本质

各国不敏感弹药的发展已形成以下共识：一是实现弹药的不敏感化是一个系统工程，主要涉及含能材料、弹药系统设计和包装防护等领域；二是不敏感弹药的核心是不敏感含能材料，弹药中装填的所有含能材料必须是满足相关标准的不敏感含能材料，主要包括炸药(含传爆药)、推进剂和发射药等。其中，战斗部及其炸药装药的设计目的就是爆轰，因此它们对弹药系统的安全性始终是一个潜在威胁，自然成为不敏感弹药研究中一个极为重要的方面。

上述共识国内从形式上也是认同的，但是如果继续追问：不敏感含能材料研究的本质问题是什么？弹药系统和包装防护的设计原则和判据(即与含能材料的本质相关性)是什么？大多数人就不明所以了，因此当前的不敏感弹药研究依然是各专业各型号各自为战，核心没有发挥核心的作用，自然也就形成不了一个系统。

从前文对不敏感弹药概念的讨论可以明确，实现不敏感弹药的技术途径主要涉及含能材料两方面的研究：一是意外刺激下的点火机制和点火阈值；二是点火后的反应模式和增长速率，而且后者是更重要的方面。显然，不敏感弹药研究的本质就是对含能材料反应动力学的认知以及对其边界条件的调控。

含能材料的反应模式有以下3种：

(1)热分解：是含能材料最缓慢的反应模式。含能材料受热时，其内部发生热解反应，这类反应最重要的特征是放热性。放出的热又反过来加速分解反应，将导致分解速率加快、分解量加大，并最终导致点火或燃爆。热分解始终都存在，但其后果则取决于含能材料内部热生成与热耗散之间的竞争，认识了这种竞争的本质和影响因素，其后果就是可控的[3]。

(2)燃烧：含能材料热分解生成的氧化剂和燃料组分之间发生反应，产生大量高温气体，将热传递到未反应的固相以维持热分解持续进行。根据热交换的状况，可以发生两种类型的燃烧过程：一是传导燃烧，即反应的传播是由未反应材料中的热传导控制的，为中等速度(通常低于1m/s，取决于压力)，是火药燃烧的正常模式，是可控的；二是对流燃烧，即反应的传播是通过热气体在材料内的间隙或裂缝中穿透而进行的，传播速度能升至数百米/秒，很难控制[4-8]。

(3)爆轰：是炸药应用的一种功能模式，在爆轰过程中，反应以冲击波控制的速度传播，可达数千米/秒。在弹药设计中，为实现炸药装药的正常爆轰功能，一项重要的工作就是爆炸序列设计，但由于引发炸药整体爆轰的冲击波也有不同的起因，必须对弹药面临的威胁进行分析，以控制意外爆轰。

综上所述，不敏感弹药的设计就是研究在常见的热威胁、机械威胁和联合威胁的作用下，含能材料上述三种反应模式的动力学及其边界条件；在此基础上提出调控措施，控制含能材料不发生高烈度反应，以及低烈度反应不向高烈度反应转化。其中有三项重要研究内容，即冲击转爆轰(SDT)、燃烧转爆轰(DDT)和延迟爆轰(又称为未知原因转爆，XDT)。在不敏感弹药的研制中，未开展上述基础研究，所提出的设计方案都是缺乏依据和不可靠的。例如，如果不知道炸药装药的烤燃转爆临界压力，战斗部排气或泄压结构的参数是无法科学确定的。

3 不敏感弹药的评估

不敏感弹药评估标准的科学性是不敏感弹药发展的重要保障，因此深受重视。以美国为首的北约国家在经过全面研究和标准化之后，形成了两种不同的不敏感弹药评估方法。

第一种是概率法。该方法是从核安全性评估方法转化而来的，包括精确识别意外事件和敌方威胁的场景，并与弹药预期响应程度(燃烧、爆炸、爆轰)的发生概率相关联。其主要优点是：通过对武器系统和平台易损性的全面分析，可以精准确定对弹药的安全技术要求；对危险性的定量化，可以决定弹药的可接受性。

该方法的主要缺点是，它是对特定平台的具体情况进行的分析，在分析时认为不大可能发生的威胁就没有考虑在内，而同一种弹药用于不同平台所面临的威胁及其强度以及平台所提供的防护程度可能有很大不同，满足一种平台的安全性要求，未必适用于另一种平台，仍需要“具体问题具体分析”。因此，该方法更适用于平台而不是弹药的评估。

第二种是标准试验法。该方法是将弹药可能面临的威胁类型及其强度、试验程序以及弹药响应程度的判据标准化，形成系列试验方法标准，弹药试验后就可以有一个基本的标签，表明它的不敏感性达到了何种程度[9]。这些方法就是大家熟知的美军标MIL-STD-2105D和北约标准化议定书(STANAG)规定的试验[10-17]，主要包括870℃燃料火试验(STANAG 4240)、3.3℃/h慢速烤燃试验(STANAG 4382)、12.7mm子弹撞击试验(STANAG 4241)、破片撞击试验(STANAG 4496)、聚能装药射流撞击试验(STANAG 4526)、殉爆试验(STANAG 4396)。弹药响应类型分为5个等级，分别为Ⅰ(爆轰)、Ⅱ(局部爆轰)、Ⅲ(爆炸)、Ⅳ(非剧烈压力释放)、Ⅴ(燃烧)；对于热、子弹撞击和破片撞击，弹药反应不比类型Ⅴ更剧烈，对于殉爆和射流撞击，弹药反应不比类型Ⅲ更剧烈。

这种方法是对弹药自身的评估，非常便于同一弹药在改进前后以及不同弹药之间的比较，也非常有利于交流协作。但是，该方法并未涉及弹药与平台的关系，不了解这一点的人经常会有两种错误认识：一是认为通过了上述标准试验的弹药，就可以放心装载到任何平台上，而没有分析平台所受的威胁及其强度与标准试验是否一致；二是一概要求弹药必须通过上述全部试验，而不考虑各个平台的具体情况，从而无谓增加了研制难度和弹药成本。

因此，上述两种评估方法并不是对立的，而是相辅相成的，是不敏感弹药评估的两个阶段，各有侧重，不可偏废。

4 不敏感弹药评估的方法学

对于上述标准试验，国内很多研究者往往深信不疑，全盘照搬，却并不了解国外发展这些方法的逻辑和作用，因此只学到了些皮毛。有两个问题需要认真思考。

第一个问题：上述试验中的威胁类型及其强度是如何确定的？

答案是：必须进行威胁危险性分析(Threaten Hazard Analysis，即THA)。

1989年，北约在美国马里兰州成立不敏感弹药信息中心(NIMIC，后改名为弹药安全信息分析中心，MSIAC)，致力于信息共享和评估试验的标准化。NIMIC发起组织了多次有关IM威胁的讨论会，如1992年的“子弹/破片冲击”，1993年的“烤燃”和1995年的“弹药间的殉爆反应”等，1996年组织的有关射流威胁的专题讨论会就很有代表性。

会议讨论了战场上敌方(主要是前苏联)聚能装药攻击时对己方弹药造成的威胁。敌方聚能装药的口径从25mm到550mm或更大，覆盖了一个极大的范围，显然不能采用单一的聚能装药。因此，为了更为准确地描述真实的威胁，与会代表将聚能装药分成了3类：小口径、中等口径和大口径聚能装药。不仅如此，会议对未来威胁更大的聚能装药也进行了讨论，包括串联装药和密度比铜更高的射流。

己方弹药被分成了11类：鱼雷、水雷、深水炸弹等水下武器；火炮和迫击炮弹药；舰炮弹药；小口径弹药；地雷和爆破装药；火箭和制导武器(固定)；火箭和制导武器(机动)；自由落下的炸弹；轻型反坦克武器；坦克弹药；集束炸弹和武器。对每一种弹药都考虑了3种环境(陆地、海上、空中)和3种状态(后勤、战时、废旧处理)。这种分析产生了99种可能的弹药∕环境∕状态组合，对每种组合都评估了聚能装药(小口径、中等口径、大口径)的威胁水平、各种打击及其可能的破坏水平的相似性。将预期的破坏及其可能性结合起来，进行了排序，得到了最易受到聚能装药攻击的情形以及威胁最大的聚能装药类型。这种分析不仅明确了己方弹药不敏感化的重点，而且给标准试验中射流源的选择提供了依据。

从上例可知，不进行自己的THA、而直接套用北约应对敌方的标准，显然是不合适的。

第二个问题：数量有限的弹药全尺寸试验能够保证评估结果的可靠性吗？

美国等西方发达国家一致认为，尽管大型的全尺寸试验作为证明弹药的不敏感特性总是必需的，但标准的弹药全尺寸试验是传统的通过/失败型试验，其成本高昂，试验数量极为有限，因而试验结果的置信度就很难确定；而且试验是关于“通过”与否的，无法获得试验结果的裕度，也难以观察和理解弹药响应的机理，因而之后的改进措施就无从下手。因此，必须通过含能材料、装药、弹药等不同层次的评定才能保证评估结果的可靠性。

对于每种刺激类型，研究工作都几乎同时在两个方向开展：一是建立不同规模的物理模型试验，包括实验室量级试验、亚尺寸试验、组件级试验和全尺寸试验，多做实验室级试验，积累数据，再逐步放大；二是开展数值模拟研究，通过对特意选择或设计的工况进行模拟而确定数值模拟方法的有效性，再应用于全尺寸实际工况。将物理模型试验和数值模拟相结合，交叉参照，随着数据的不断积累，通过数值模拟进行准确预估的能力将不断增强，全尺寸试验最后将只作为预估结果的验证性试验而存在。

显然，这种方法学是以对含能材料反应机理的精确认识为基础的，包括大量的含能材料基础性质(如热容、热导、密度、热膨胀、相变、模量、屈服强度等)以及热分解、燃烧和爆轰反应的热力学和动力学方程等。没有扎实、深入、持续的基础研究，这种方法学只能是空中楼阁。

5 结束语

通过上述分析，结论不言而喻：

(1)踏踏实实做好基础研究，这没有什么捷径可走，也容不得投机取巧；

(2)转变研发模式，加强建模和仿真，逐步实现数字化设计和虚拟试验；

(3)紧密结合我国实际，加强自主分析，建立我国自己的评估标准体系；

(4)加强顶层设计，打破专业隔阂，系统推进不敏感弹药的研发和应用。