装药化爆安全性

第1章　绪论 鉴于一次次武器装药事故的惨痛教训，世界各国都非常重视对武器装药化爆安全性的研究，特别是对在环境变化和异常事故条件下的化爆安全性的研究正持续不断地投入大量的人力物力，逐步积累了对装药事故起源和反应过程的认知。但随着现代军事的迅猛发展，武器装药化爆安全性的形势仍然非常严峻。一是随着平台技术的不断发展，新材料的不断使用，在各种异常事故条件下的安全性问题越来越复杂；二是随着对平台性能要求的大幅提升、武器装药毁伤威力的不断提高，战斗部装药等危险品不断增加，对平台自身安全的威胁进一步加大；三是装药种类繁多、装药数量极为庞大，可能引发安全事故的因素增多；四是武器装药训练课目日益增多、转运环节增加，引发安全事故的概率提高。以上任何风险，一旦演变为装药爆炸及连锁爆炸事故，必将造成灾难性后果。因此，为预防武器装药安全事故的发生，必须着力对装药化爆安全性研究，深化对装药事故响应机理的科学认识，提高基于科学认知的安全性设计及评估技术水平。在可预见的未来较长一段时期内，现役武器装药的安全升级和新型安全弹药的研发必将是武器装备发展的重大需求。因此，装药化爆安全性研究具有重要的军事应用前景。 现代战争环境的日趋复杂和武器装备的迅猛发展，对化爆安全性研究提出了越来越高的要求。传统“打打试”的工程验证模式已经远不能满足当前武器装备发展的需求，基于事故响应本质的科学认知模式是未来发展的趋势。当前，化爆安全性研究正在从工程验证模式向科学认知模式转变，未来还面临从物理机理到工程设计层面的诸多挑战。 1.1　装药化爆安全性的内涵 1.1.1　系统安全性 装药化爆安全性主要关注武器装药在外界环境刺激，特别是异常事故环境刺激下，引起的含能材料反应释能行为。 武器装药包含结构部件、含能材料(炸药、火工品、推进剂等)和电子系统等，如图1-1所示，是典型的多部件、多界面和多材料的复杂系统，其安全性不但与炸药、火工品、电子系统等的安全性有关，而且与结构，特别是与结构对环境刺激的响应密切相关。武器装药系统中不同部件既有不同的独立功能，同时外界环境刺激下又具有相互作用。在火烧、振动、撞击、冲击、电磁等外界环境刺激下，系统中不同部件之间的多物理非线性耦合作用可能产生超出装药设计条件的刺激，导致装药局部能量汇聚或放大，引发化学能快速释放，造成严重事故。因此，装药化爆安全性不仅是单个部件或材料的安定性、安全性，而是整个装药系统对外界环境刺激响应所体现出的系统安全性。 图1-1　武器装药系统 这里的系统安全性研究是指分析系统部件与结构对外界环境的响应及其导致装药点火反应的机制、过程，通过确定引发装药点火的临界条件或反应烈度转变条件，*终提出避免装药发生意外点火或降低装药反应危害的技术措施，从而控制系统的安全风险。系统安全性研究主要涉及环境载荷的输入与传递、结构响应、炸药响应，以及基于系统响应机制的安全设计与评估，如图1-2所示。 图1-2　系统安全性研究 1. 环境载荷的输入与传递 环境载荷输入是装药系统非受控反应放能的外因，因此环境载荷分析是系统安全性研究的前提。武器装药在其全任务剖面中可能遭受的环境复杂多变，包括力学环境，如振动、跌落、撞击、破片、射流等各类机械刺激作用；热学环境，如恶劣的高温环境、燃油火烧、密闭空间长时闷烧等各类热刺激作用；电磁环境，如大功率辐射源、强电磁脉冲等复杂的电磁环境；智能攻击，如元器件、软件后门，信息、导航劫持误导等。本书仅关注力、热及力热耦合下的安全性研究。系统安全性研究需要针对正常使用环境、异常事故环境，尤其是概率大、风险高的异常事故环境进行载荷分析和等效设计，尽可能量化表征力、热、电磁及复合刺激下的环境载荷。 外界环境载荷作用于系统涉及复杂的载荷传递过程。例如，对于力学载荷，载荷作用起始自外向内，由武器装药外壳经连接结构传递至内部部组件、*后传递至炸药；炸药点火反应后，燃烧产物的压力、冲击波及热等反应形成的载荷又将自内向外传递。整个载荷的传递过程涉及几何非线性、材料非线性和界面非线性的高度耦合，更为复杂的是，载荷的传递过程并非简单的自外向内或自内向外的单向传递，而是结构与结构、结构与炸药的多物理强非线性耦合。对于热载荷传递过程则更为复杂。 2. 结构响应 结构响应是系统安全性的核心关注点。外界环境载荷作用于武器装药系统，*先激发结构的动力学响应，响应经由连接结构传递至内部的部组件，激发部组件的响应。部组件响应一方面反馈至外部结构，形成结构与结构的耦合响应，另一方面传递至炸药，激发炸药的响应，炸药响应自内而外反馈，形成结构与炸药的耦合响应。这些不同空间和时间尺度的复杂响应的耦合，*终构成系统对外界环境载荷的响应。 由于武器装药是多部件、多界面和多材料的复杂系统，因此结构响应是一个涉及几何非线性、材料非线性和界面非线性强耦合的非线性过程。当环境载荷强度较高时，结构发生大变形，这可能导致炸药的局部大变形，从而引发强烈的局域化温升，且温升可能因结构缺陷而加剧，*终在较短时间内引发炸药点火；当环境载荷强度较低时，结构响应以长时振动为主，形成对炸药的多次激励作用，这可能引起炸药的局域化温升，经过长时积累也可能引发炸药点火。尤其是当结构响应的非线性特性与环境载荷相互耦合时将产生结构局部的非线性放大效应，此时可能出现“小载荷大响应”的情形，进而引发炸药点火。 在热载荷作用下，由于武器装药外壳、连接结构、内部组件和炸药材料的不同，热膨胀系数、热传导率等热物理性质具有较大差别，系统不同部件将产生不同程度的热膨胀，从而引发拉伸、弯曲、扭曲等各种变形，导致系统内部产生结构间隙。由于间隙中的空气热导率很低，这使得系统内部的热传导、热辐射和热对流呈现出不连续和非均匀的特征，这进一步加剧了系统不同部位温度和温度变化的非均匀性。当温度较高时，外壳、连接结构和内部部组件将产生较大的热变形、热软化甚至熔化相变，这不仅影响系统的空间连接状态，同时还影响系统的热物理性质和热交换过程，从而导致异常复杂的时间、空间尺度变化的结构热响应。 3. 炸药响应 炸药材料的响应是导致装药反应放能的根本原因，这是系统安全性的另一个核心关注点，其涉及炸药力/热局域化响应、非冲击点火和反应演化三个关键过程。常用压装高聚物黏接炸药是由炸药晶体颗粒和黏结剂等复合而成的非均质材料，力/热刺激下的响应表现出典型的局域化特性，产生局域化温升，可能引发非冲击点火。非冲击点火泛指除高速碎片撞击和射流侵彻外，各类不经由冲击波直接引发爆轰的炸药反应行为起始，是绝大多数异常事故的起源。点火后的初始反应以炸药表面的亚音速层流燃烧为主，当燃烧面在高压下进入炸药缝隙或炸药与壳体间的小尺度间隙时，可能形成对流燃烧，导致压力和燃速剧增，并驱动炸药基体的动态破碎，使燃烧表面积剧增从而引发高烈度反应，进程演化特征时间转向亚毫秒甚至微秒，引起热爆炸，呈现转爆轰倾向。非冲击点火反应过程与炸药动态断裂、结构缝隙、约束强度等强非线性耦合。 4. 安全设计与评估 安全设计与评估是有效控制和评估装药反应放能行为的技术措施。基于系统响应(包括结构响应、炸药响应及两者的耦合)过程及机制的科学认知，进行针对性的结构与材料安全性设计，可降低异常事故环境下的装药点火风险或装药反应烈度，从而控制危害程度，提出了安全性设计规范。通过建立系统响应试验与诊断技术，发展系统响应的数值模拟方法，构建装药事故起因追溯和后果危害量化表征的全过程试验与数值模拟能力，建立系统安全性评估方法。 1.1.2　系统安全性与炸药安定性的区别 炸药是武器装药中的重要释能源，从能量释放来源的角度看，人们容易把武器装药的安全性简单地与炸药的安定性联系起来，但实际上，武器装药所体现的系统安全性与炸药安定性之间具有显著区别。 *先，系统安全性具有整体性，强调的是由结构、各部组件、装药等相互作用、相互依存的有机整体对于外界环境的响应。系统安全性不是系统内部各部组件安定性或安全性的简单叠加，而是系统内部各部组件相互作用所产生的整体的安全性。而炸药安定性是指在一定环境条件下，炸药保持其物理、化学性质不发生可察觉的或者发生在允许范围内变化的能力，对其更多关注的是炸药作为单一元素对于外界环境的响应。对于武器装药安全性的研究，如果忽略系统安全性和系统各部组件之间的相互作用，而仅关注炸药本身的响应，将难以揭示主导安全性的物理机制，也就难以有效提高武器装药的安全性。 例如，某炸药虽然经过了苏珊(Susan)试验、枪击试验、火烧试验、隔板试验、大隔板试验等多种模拟安全性试验的考核，但以该炸药作为主装药的某战斗部在侵彻多层靶板后却发生爆炸解体。通过对试验数据和数值模拟结果的解读，分析发现装药发生意外点火的可能原因在于战斗部内部结构发生大变形，导致装药局部发生严重的局域化剪切变形，从而引发点火。经过针对性的改进设计，战斗部成功通过后续的考核试验。这一装药化爆安全性案例说明，即使安定性较好的炸药，由于结构对环境的响应，也可能导致装药发生意外点火。 再例如，B炸药具有易于生产和成型、高能、高爆压等优点，但是B炸药本身的安全性能较差，直接装填B炸药的战斗部在受到子弹、破片、射流冲击和火烧时容易发生爆炸、爆轰等高烈度反应。但是，当战斗部采用复合壳体、包覆涂层等载荷缓解设计时，其安全性可显著提升。这说明，即使是安定性较差的炸药，如果从系统安全性角度出发，通过优化设计，也可提高装药的安全性。 其次，系统安全性所包含的响应机制更为复杂。由于武器装药系统的安全性需要从武器结构、各部组件、装药及它们的相互作用进行综合研究，关联结构动力学、材料动力学、损伤断裂、热物理和化学等多个学科，涉及更为复杂的响应机制，如结构动力学响应、结构非线性响应放大、炸药非冲击点火(non-shock initiation of explosive)、反应烈度转变等过程机制。外界环境的变化可能触发不同的机制，系统内部各部组件将呈现出不同的响应，同时响应之间相互耦合，*终导致复杂的系统响应。 例如，中国工程物理研究院流体物理研究所的赵继波等发现，撞击条件下不发生点火的构型钝感装药，在先火烧后撞击的热、力复合加载下，却发生点火、燃烧，并*终演化成轻度爆炸。这说明，不同的环境刺激会触发不同的系统响应。 再例如，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory，LANL)的Holmes等开展的不同约束结构下球形装药中心点火试验，发现含结构约束的反应烈度明显高于裸炸药的情形。这说明，即使是相同的炸药，如果置于不同的结构中，由于结构响应与炸药响应的耦合作用，也会导致不同的系统响应，表现出完全不同的反应烈度。 1.1.3　系统安全性的主要问题 安全性研究涉及两类环境，即正常使用环境和异常事故环境。正常使用环境是武器装药设计时所预期的环境，如装配时的轻微碰撞或静电刺激、运输时的振动、储存时周围温度变化等，在这样的环境中武器装药原则上是必须安全的；异常事故环境具有非预期性与很大的不确定性，如装配、运输、储存、使用及敌对过程中可能遭遇的跌落、撞击、针刺、火烧、枪击、高速碎片冲击等，这很可能超出武器装药设计时所考虑的环境范围，给武器装药安全性带来巨大挑战，可能导致武器失效及其他灾难性后果。无论是正常使用环境还是异常事故环境，武器装药既可能面临单一刺激的作用，也可能面临多种刺激的复合作用。 正常使用环境下的系统安全性问题，其研究目的是确保安全性，同时给出正常使用环境下的安全裕度。目前主要通过分析环境的主要特征，开展模拟环境试验和模拟试验进行研究。例如，战斗部的安全性环境试验、特殊环境条件下的模拟试验(如钻地战斗部模拟试验)等。目前这类问题主要从装药、火工品、炸药结构设计、试验和验证等方面入手解决。 异常事故